Imagínese si los humanos pudieran «hablar» con las plantas y advertirles de antemano sobre ataques de plagas o condiciones climáticas extremas.
por la Universidad de Cambridge
Un equipo de científicos de plantas del Laboratorio Sainsbury de la Universidad de Cambridge (SLCU) quisiera convertir esta ciencia ficción en realidad utilizando mensajes basados en luz para «hablar» con las plantas .
Aunque su nueva herramienta optogenética se encuentra en sus fases iniciales de desarrollo, el equipo de investigación de Alexander Jones ya ha demostrado que pueden controlar la inmunidad de las plantas y la producción de pigmentos simplemente modificando la luz.
La luz sirve como medio universal de comunicación humana diaria, por ejemplo, la señalización en los semáforos , los pasos de peatones o el estado de apertura y cierre de una tienda.
El equipo de Jones también está utilizando la luz como mensajera en el desarrollo de herramientas que permiten a las plantas comunicarse con los humanos y a los humanos con las plantas.
El equipo de la Universidad de Cambridge diseñó previamente una serie de biosensores ( ABACUS2 y GPS1 ) utilizando luz fluorescente para comunicar visualmente en tiempo real lo que sucede a nivel celular en las plantas, revelando la dinámica de hormonas vegetales críticas. Estos biosensores pueden decirnos cómo reaccionan las plantas al estrés ambiental: las plantas hablando con los humanos.
Su última investigación, publicada en PLOS Biology , describe una nueva herramienta llamada Highlighter, que utiliza condiciones de luz específicas para activar la expresión de un gen objetivo en las plantas, por ejemplo para activar sus mecanismos de defensa: los humanos hablando con las plantas.
El concepto de que los humanos puedan comunicarse con las plantas a un nivel significativo ha capturado la imaginación de la gente durante mucho tiempo. Si tal capacidad fuera posible, podría revolucionar la agricultura y nuestra relación con las plantas.
«Si pudiéramos advertir a las plantas sobre un brote inminente de enfermedad o ataque de plagas, las plantas podrían activar sus mecanismos de defensa naturales para evitar daños generalizados», dijo el Dr. Jones. «También podríamos informar a las plantas sobre eventos climáticos extremos que se aproximan, como olas de calor o sequías, permitiéndoles ajustar sus patrones de crecimiento o conservar agua. Esto podría conducir a prácticas agrícolas más eficientes y sostenibles y reducir la necesidad de productos químicos».
Optogenética en plantas.
Para comprender la actividad celular, los biólogos deben poder controlar los procesos biomoleculares a nivel celular . La optogenética es una técnica científica que utiliza un estímulo luminoso para activar o desactivar un proceso específico dentro de una célula.
Para hacer esto, los científicos insertan proteínas sensibles a la luz (fotorreceptores) en las células que quieren controlar y luego iluminan las células para activar o desactivar el proceso objetivo.
En la última década, la optogenética ha revolucionado la neurociencia al permitir a los biólogos aislar funciones de neuronas individuales. Esto ha llevado a descubrimientos innovadores sobre el cerebro y ha aumentado nuestra comprensión de enfermedades como la epilepsia, las lesiones de la columna y la enfermedad de Parkinson.
Sin embargo, la optogenética ha sido difícil de aplicar a las plantas. Esto se debe a que las plantas ya contienen muchos fotorreceptores y utilizan un amplio espectro de luz para coordinar su crecimiento y desarrollo. El cambio de oscuridad a luz también activa los fotorreceptores de las plantas nativas y una gran variedad de sistemas celulares.
Lo que agrava este problema es el hecho de que muchos de los actuadores optogenéticos de mejor rendimiento utilizan partes genéticas de plantas. Lo que significa que dialogarían e interferirían con otros fotorreceptores si se usaran en plantas.
El iluminador también puede iluminar los procesos biomoleculares en las plantas.
Bo Larsen, quien diseñó Highlighter mientras estaba en SLCU, nos ha acercado un paso importante a este objetivo de «hablar» con las plantas mediante la ingeniería de un sistema de expresión genética controlado por luz (sistema optogenético) de un sistema procariótico a un sistema eucariota personalizado. para plantas.
Cuando se implementa en plantas, Highlighter utiliza señales de luz mínimamente invasivas, puede activarse e inactivarse y no se ve afectado por los ciclos de luz y oscuridad en las cámaras de crecimiento.
El sistema Highlighter actual está inactivo en condiciones de luz azul y activo en la oscuridad y en condiciones de luz blanca , luz verde y, misteriosamente, luz roja. Se planea seguir trabajando para avanzar en el desarrollo de Highlighter, pero el equipo ya ha demostrado un control optogenético sobre la inmunidad de las plantas, la producción de pigmentos y una proteína fluorescente amarilla, esta última con resolución celular.
«Highlighter es un importante paso adelante en el desarrollo de herramientas optogenéticas en plantas y su control genético de alta resolución podría aplicarse para estudiar una amplia gama de cuestiones fundamentales de biología vegetal», añadió el Dr. Jones.
«Una creciente caja de herramientas para plantas, con diversas propiedades ópticas, también abre interesantes oportunidades para la mejora de cultivos. Por ejemplo, en el futuro podríamos usar una condición de luz para desencadenar una respuesta inmune, y luego una condición de luz diferente para sincronizar con precisión un rasgo en particular. , como la floración o la maduración».
La historia detrás de la investigación
El Dr. Jones, en busca de un interruptor de expresión genética optogenética que pudiera aplicarse en condiciones normales de luz hortícola sin afectar la fisiología y el desarrollo de las plantas endógenas, buscó el consejo de J. Clark Lagarias, UC Davis, experto en fitocromos y cianobacteriocromos. interruptores.
Sugirió reutilizar el sistema optogenético procariótico CcaS-CcaR, que originalmente se obtuvo de microbios fotosintéticos y utiliza la proporción de señales de luz verde (encendida) y roja (apagada). Al modular reversiblemente el espectro de luz blanca que las plantas necesitan para crecer, los genes podrían activarse o desactivarse mediante un estímulo mínimamente invasivo.
Pero al desarrollar Highlighter en un sistema optogenético eucariota, el Dr. Larsen detectó un inesperado comportamiento de apagado. ¿Podría la conversión haber alterado las propiedades espectrales verde-roja del fotorreceptor CcaS? Trabajando junto con Alex Jones, Ines Camacho y Richard Clarke del Laboratorio Nacional de Física (NPL), detectaron que el nuevo sistema todavía podía utilizar luz verde y roja al igual que el sistema original. Pero el análisis espectroscópico en NPL también mostró evidencia de una detección independiente de luz azul.
El coautor Roberto Hofmann notó que, además del dominio de detección rojo-verde, CcaS tenía un segundo dominio que tiene homología con los fotosensores de luz azul llamados fototropinas. Parece que Highlighter ha desbloqueado un comportamiento de detección azul de CcaS latente, proporcionando una forma alternativa de controlar la actividad de CcaS-CcaR.
Más información: Bo Larsen et al, Highlighter es un actuador optogenético para el control de expresión génica de alta resolución mediada por la luz en plantas, PLoL Biology (2023). DOI: 10.1371/journal.pbio.3002303
