Mediante el uso de técnicas de ingeniería genética de precisión, los investigadores del Instituto Earlham en Norwich han podido convertir las plantas de tabaco en fábricas de feromonas sexuales de polilla alimentadas por energía solar.
De manera crítica, han demostrado cómo la producción de estas moléculas se puede gestionar de manera eficiente para no obstaculizar el crecimiento normal de las plantas.
Las feromonas son sustancias químicas complejas producidas y liberadas por un organismo como medio de comunicación. Permiten que los miembros de la misma especie envíen señales, lo que incluye hacer saber a los demás que están buscando el amor.
Los agricultores pueden colgar dispersores de feromonas entre sus cultivos para imitar las señales de los insectos hembra, atrapando o distrayendo a los machos para que no encuentren pareja. Algunas de estas moléculas se pueden producir mediante procesos químicos, pero la síntesis química suele ser costosa y genera subproductos tóxicos.
El Dr. Nicola Patron, quien dirigió esta nueva investigación y dirige el Grupo de Biología Sintética en el Instituto Earlham, utiliza ciencia de vanguardia para lograr que las plantas produzcan estos valiosos productos naturales.
La biología sintética aplica principios de ingeniería a los componentes básicos de la vida, el ADN. Al crear módulos genéticos con las instrucciones para construir nuevas moléculas, la Dra. Patron y su grupo pueden convertir una planta como el tabaco en una fábrica que solo necesita luz solar y agua.
«La biología sintética puede permitirnos diseñar plantas para hacer mucho más de lo que ya produjeron, o podemos proporcionar las instrucciones genéticas que les permitan construir nuevas moléculas biológicas, como medicamentos o estas feromonas», dijo el Dr. Patron.
En este último trabajo, el equipo trabajó con científicos del Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas en Valencia para diseñar una especie de tabaco, Nicotiana benthamiana, para producir feromonas sexuales de polilla. La misma planta ha sido diseñada previamente para producir anticuerpos contra el ébola e incluso partículas similares al coronavirus para su uso en vacunas contra el COVID.
El Grupo construyó nuevas secuencias de ADN en el laboratorio para imitar los genes de las polillas e introdujo algunos interruptores moleculares para regular con precisión su expresión, lo que activa y desactiva de manera efectiva el proceso de fabricación.
Un componente importante de la nueva investigación fue la capacidad de ajustar la producción de feromonas, ya que obligar a las plantas a construir continuamente estas moléculas tiene sus inconvenientes.
«A medida que aumentamos la eficiencia, se desvía demasiada energía del crecimiento y desarrollo normales», explicó el Dr. Patron.
«Las plantas están produciendo muchas feromonas, pero no pueden crecer mucho, lo que esencialmente reduce la capacidad de nuestra línea de producción. Nuestra nueva investigación proporciona una forma de regular la expresión génica con mucha más sutileza».
En el laboratorio, el equipo se dedicó a probar y refinar el control de los genes responsables de producir la mezcla de moléculas específicas que imitan las feromonas sexuales de las especies de polillas, incluidas las polillas del gusano de la naranja y del algodón.
Demostraron que el sulfato de cobre podría usarse para ajustar con precisión la actividad de los genes, permitiéndoles controlar tanto el momento como el nivel de expresión génica. Esto es particularmente importante ya que el sulfato de cobre es un compuesto económico y fácilmente disponible que ya está aprobado para su uso en la agricultura.
Incluso pudieron controlar cuidadosamente la producción de diferentes componentes de feromonas , lo que les permitió modificar el cóctel para que se adaptara mejor a especies específicas de polillas.
«Hemos demostrado que podemos controlar los niveles de expresión de cada gen en relación con los demás», dijo el Dr. Patron. “Esto nos permite controlar la proporción de productos que se fabrican”.
«Obtener la receta correcta es particularmente importante para las feromonas de polilla , ya que a menudo son una mezcla de dos o tres moléculas en proporciones específicas. Nuestros colaboradores en España ahora están extrayendo las feromonas hechas de plantas y probándolas en dispensadores para ver qué tan bien se comparan a las polillas hembra».
El equipo espera que su trabajo allane el camino para el uso rutinario de plantas para producir una amplia gama de valiosos productos naturales.
«Una gran ventaja de usar plantas es que puede ser mucho más costoso construir moléculas complejas usando procesos químicos «, dijo el Dr. Patron. «Las plantas ya producen una variedad de moléculas útiles, por lo que podemos utilizar las últimas técnicas para adaptar y refinar la maquinaria existente».
«En el futuro, podemos ver invernaderos llenos de fábricas de plantas, proporcionando una forma más ecológica, económica y sostenible de fabricar moléculas complejas «.
La investigación se publica en la revista Plant Biotechnology .
Más información: Nicola Patron et al, Control ajustable de la biosíntesis de feromonas de insectos en Nicotiana benthamiana, Plant Biotechnology (2023).
