(BioDesign Research, 2022)
Facilitar las interacciones entre las raíces de una planta y su ambiente externo es clave para abordar diversos problemas inminentes relacionados con la producción de alimentos, energía y sustentabilidad. Por ejemplo, las plantas con una arquitectura radicular modificada pueden reducir los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera o incluso aumentar el rendimiento de los cultivos para sostener a la creciente población humana.
Una forma de hacer esto es construyendo un «circuito genético» dentro de las células vegetales. Un circuito genético es una colección de componentes biológicos que codifican un ARN o una proteína, que permite que las células individuales realicen funciones específicas. Al interior de las células vegetales, se podría sentir las condiciones ambientales, interpretar señales y exhibir los fenotipos deseados. Sin embargo, el diseño de estos circuitos en las plantas sigue siendo un desafío.
Si bien se requiere investigación adicional para diseñar circuitos basados en plantas, los circuitos bacterianos han experimentado un enorme progreso. Hay varios componentes disponibles para diseñar circuitos bacterianos, que luego son utilizados para facilitar funciones celulares complejas. Este diseño se extiende a las raíces de las plantas, que son el sitio de interacciones críticas entre plantas y bacterias. Las Rizobacterias, bacterias de vida libre que colonizan las raíces de las plantas, tienen un impacto significativo en la sanidad de la planta, la absorción de nutrientes y la química del suelo. Por lo tanto, el diseño de su circuito genético puede usarse para diseñar plantas con cualidades deseables.
Con este fin, un equipo de investigadores, incluido el profesor José R. Dinneny y su estudiante de posdoctorado, el Dr. Christopher M. Dundas, de la Universidad de Stanford, revisaron los componentes genéticos y las mejores estrategias para diseñar circuitos de Rizobacterias. Sus hallazgos, que se publicaron en BioDesign Research, se centraron en los sensores, actuadores y especies de chasis* que se utilizan para regular los procesos del microbioma de la planta.
«Aprender acerca de los enfoques para diseñar circuitos genéticos puede ayudar a los científicos a diseñar interacciones planta-rizosfera de una manera efectiva», dice el Dr. Dundas mientras discute la motivación detrás de esta revisión.
Primero, el equipo exploró herramientas que pueden facilitar la construcción exitosa de circuitos genéticos en Rizobacterias. En particular, las herramientas bioinformáticas, la maquinaria de expresión génica ortogonal y la extracción de genomas están siendo utilizados para predecir secuencias de promotores funcionales y secuencias de sitios de enlace a ribosomas (RBS), para diseñar la transcripción y traducción en Rizobacterias.
También se están empleando herramientas de ingeniería genómica de última generación para reducir la dependencia de las Rizobacterias de la maquinaria de replicación y selección del huésped. Además, se han desarrollado una diversidad de herramientas para la construcción de plásmidos de amplio rango de huéspedes necesarios para la transformación de Rizobacterias.
Posteriormente, el equipo de investigadores debatió el «chasis rizobacteriano», que facilita la colonización efectiva de los tejidos de la raíz, y a su vez permita que el circuito funcione de manera óptima. La creación de un chasis ideal se puede lograr concentrándose en ciertos genes que regulan los rasgos de las Rizobacterias relacionados con la colonización, como la quimiotaxis, la fijación a las raíces, el grado de colonización, la formación de biopelículas y la capacidad de eludir el sistema inmunológico de la planta.
Además, es necesario seleccionar una especie de Rizobacteria competente para evitar los efectos no deseados asociados con el crecimiento bacteriano excesivo en las raíces.
Los exudados de las raíces de las plantas, a los que las Rizobacterias están expuestas de forma rutinaria, son objetivos de detección atractivos para el seguimiento de la salud de las plantas. El artículo arroja luz sobre las ventajas debido a las cuales, los reguladores transcripcionales que responden a moléculas pequeñas, como los azúcares, compuestos de nitrógeno, metabolitos secundarios y fitohormonas, son preferidos para el desarrollo de biosensores de salud vegetal o circuitos sensores. Los circuitos sensores, a su vez, ayudan a impulsar la expresión de múltiples genes y vías posteriores.
Por último, el artículo proporciona una descripción general de los «actuadores rizobacterianos» o circuitos actuadores que impulsan los fenotipos deseados en las plantas colonizadas. El diseño del actuador se puede mejorar ajustando la expresión génica biosintética, que a su vez puede mejorar la absorción de nutrientes, la tolerancia al estrés biótico/abiótico y el crecimiento de la planta.
«Las estrategias que presentamos pueden ayudar a reconfigurar los circuitos genéticos para mejorar la salud y la productividad de las plantas a través del ciclo de diseño-construcción-prueba-aprendizaje. A medida que surjan nuevas tecnologías, será interesante ver cómo las diferentes áreas de investigación bacteriana interactúan con los sensores y actuadores de Rizobacterias», comenta el Dr. Dundas.
¿Cómo pueden estos hallazgos beneficiar a las tecnologías emergentes relacionadas? «La intersección de la ciencia de los materiales con la biología sintética está cobrando mucha fuerza. Nuestros hallazgos contienen información útil para el desarrollo de materiales vivos funcionalizados, que pueden usarse para colonizar las raíces de las plantas para una variedad de aplicaciones», dice el Dr. Dundas en respuesta a esta pregunta.
Aunque los circuitos genéticos de las Rizobacterias tienen un enorme potencial para remodelar la sustentabilidad agrícola, es fundamental abordar las limitaciones técnicas, normativas y éticas alrededor de esta tecnología. Además, también debe explorarse su despliegue en condiciones climáticas diversas. No obstante, los investigadores son optimistas sobre la expansión de estos circuitos para abordar los desafíos mundiales de seguridad alimentaria y sustentabilidad.
Referencia:
BioDesign Research. (12 de Diciembre de 2022). Optimizing rhizobacterial genetic circuit designs for agricultural sustainability. Obtenido de PHYS ORG: https://phys.org/news/2022-12-optimizing-rhizobacterial-genetic-circuit-agricultural.html
Mientras que los circuitos sensores convierten las señales de la rizosfera en la expresión del gen reportero o en la regulación de la vía subsecuente, los circuitos actuadores influyen en la química de la raíz o la fisiología de la planta mediante la biosíntesis de los compuestos seleccionados.
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