La evolución dirigida es una técnica de laboratorio que imita la selección natural y permite a los científicos desarrollar genes y las proteínas que estos codifican.
por la Academia China de Ciencias
Tradicionalmente, esta técnica se ha utilizado en microbios, células de mamíferos o en tubos de ensayo.
Ahora, investigadores dirigidos por el Prof. Gao Caixia del Instituto de Genética y Biología del Desarrollo (IGDB) de la Academia China de Ciencias (CAS) y el Prof. Qiu Jinlong del Instituto de Microbiología de CAS han desarrollado un nuevo sistema que permite la evolución dirigida, rápida y escalable de diversos genes directamente en las células vegetales.
Esta nueva plataforma, denominada Geminivirus Replicon-Assisted in Planta Directed Evolution (GRAPE), se informa en Science .
La producción agrícola moderna requiere abundantes recursos genéticos. La evolución dirigida puede generar rápidamente variantes genéticas con propiedades nuevas y mejoradas. Sin embargo, se carece de plataformas eficientes para llevar a cabo dicha evolución directamente en las células vegetales.
Un desafío clave es la lenta tasa de división celular en las plantas, que limita la velocidad de los ciclos de selección y el enriquecimiento de variantes funcionales.
Para abordar este problema, los investigadores aprovecharon los geminivirus, virus de ADN vegetal que replican el ADN rápidamente en las células vegetales a través de la replicación por círculo rodante (RCR), una forma rápida de copiar ADN circular.
Específicamente, vincularon la replicación de replicones artificiales de geminivirus (ADN circular capaz de replicarse mediante RCR) con funciones específicas de variantes genéticas en células vegetales. Las variantes con una función específica impulsaron la replicación del replicón, creando más copias de ADN y, por lo tanto, amplificando selectivamente dichas variantes.
Basándose en este enfoque, los investigadores desarrollaron GRAPE. En esta plataforma, primero se mutagenizaron in vitro los genes de interés (GOI) y las variantes resultantes se insertaron en replicones artificiales de geminivirus. Estas bibliotecas de replicones se introdujeron posteriormente en las hojas de Nicotiana benthamiana, donde la actividad génica deseada se vinculó con la replicación viral.
Las variantes que promovían la replicación se enriquecieron, mientras que las que la inhibían se redujeron. Un ciclo de selección completo podía completarse en una sola hoja en cuatro días.
Utilizando GRAPE, los investigadores desarrollaron el receptor inmune NRC3 que contiene repeticiones ricas en leucina (NLR) con dominio de unión a nucleótidos para evadir la inhibición del efector nematodo SPRYSEC15 mientras mantiene su actividad inmune.
La evolución iterativa del receptor inmunitario NLR del arroz, Pikm-1, generó variantes que responden a seis alelos del efector AVR-Pik de Magnaporthe oryzae, ampliando significativamente su rango de reconocimiento. Esta estrategia permite el desarrollo de valiosos recursos genéticos para el mejoramiento de cultivos resistentes a enfermedades.
En comparación con los sistemas anteriores basados en microbios, GRAPE ofrece ventajas distintivas: se destaca en el desarrollo de GOI responsables de fenotipos específicos de las plantas (como la resistencia a enfermedades) o que requieren una regulación específica de las plantas.
Además, actúa directamente en las células vegetales, eliminando la necesidad de reoptimización. GRAPE puede potencialmente desarrollar cualquier gen funcionalmente acoplado a RCR. Más allá de la biología vegetal , GRAPE también ofrece posibilidades para aplicaciones más amplias, como el desarrollo de proteasas para la escisión de dianas específicas para la investigación vegetal y farmacéutica.
GRAPE proporciona una plataforma rápida, eficiente y versátil que puede acelerar la biología sintética de plantas y el mejoramiento molecular, abriendo nuevas vías para la ingeniería de cultivos y mejorando la sostenibilidad de la agricultura.
Más información: Replicones de geminivirus modificados permiten una rápida evolución dirigida in planta, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ady2167
