Desde el descubrimiento de las leyes fundamentales de la herencia en las plantas de guisantes por Gregor Mendel a finales del siglo XIX, investigadores de todo el mundo han investigado los secretos ocultos en el ADN de las plantas e inventado/mejorado técnicas que transformaron la forma en que los humanos cultivar organismos verdes con fines agrícolas o industriales, como el revolución verde que se basó en el uso de variedades semienanas y de alto rendimiento que duplicaron la producción de cereales en la década de 1960 o el uso de herramientas genómicas en el mejoramiento y cultivo de plantas modernas (es decir, el uso de plantas como fábricas para producir productos farmacéuticos.

Para obtener más información sobre campos emergentes en la ciencia de las plantas, BotanyOne se reunió Dr. Jae-Seong Yang y Dr. Iván Reyna-Llorens, dos jóvenes líderes de grupo del Centro de Investigación en Genómica Agraria (CRAG, Barcelona) que organizaron el Conferencia de Biología Sintética de Plantas En septiembre 2022.

¿Qué es exactamente Plant Synthetic Biol?orgia significa?

Jae-Seong e Ivan coinciden en la definición de Biología Sintética de Plantas – Plant SynBio en resumen – como la próxima generación de biotecnología vegetal e ingeniería genética/metabólica. Ivan explicó que esta evolución fue posible gracias a las nuevas tecnologías (p. ej., la secuenciación de próxima generación y la síntesis del genoma), así como a las nuevas herramientas que facilitan la generación de cientos de construcciones diferentes utilizando sistemas automatizados y robótica.

Jae-Seong especificó que Synbio aplica los conceptos y principios de la Ingeniería a la biología: DISEÑAR-CONSTRUIR-PRUEBA-APRENDER (y viceversa en un ciclo).

DISEÑO experimental inicial: definición del problema biológico a abordar y selección de organismos potenciales, vías y herramientas a utilizar. BUILD: síntesis y ensamblaje de los componentes moleculares necesarios para modificar el organismo seleccionado. TEST: validación del diseño experimental mediante cribado, genotipado/fenotipado y análisis molecular/bioquímico del organismo modificado. APRENDER: análisis y modelado de datos, recopilación de nueva información para rediseñar experimentos. Adaptado de: Petzold et al., 2015. Créditos, MO (Canva)

Ivan nos dijo que Plant SynBio tiene como objetivo utilizar estos principios y tecnologías para mejorar o resolver muchos de los problemas que enfrentamos actualmente en términos de biodiversidad, seguridad alimentaria, sostenibilidad y salud. Jae-Seong agregó: "En comparación con los enfoques anteriores, Synbio es más rápido". Hoy en día, eso es una ventaja porque, por ejemplo, los métodos tradicionales utilizados para la mejora genética de las plantas (para aumentar la productividad o conferir tolerancia al estrés) son demasiado lentos para seguir el ritmo vertiginoso del cambio climático. Synbio también es más drástico: considerando la transformación de genes, el enfoque biotecnológico clásico se basa en la modificación de una planta con un solo gen, mientras que un enfoque Synbio introduce un conjunto de genes (que también pueden provenir de otros organismos).

Hablemos de los científicos... ¿por qué decide ingresar a SynBio y cómo está desarrollando su carrera en este campo de investigación?

Iván es un científico mexicano que escuchó por primera vez sobre Biología Sintética cuando era estudiante de doctorado en la Universidad de Cambridge (Reino Unido). Mientras asistía a una conferencia de Jim Hasselhoff y Tom Knight, quedó asombrado por el potencial de los sistemas biológicos para hacer cosas que de otro modo no serían posibles. Después de su doctorado en el laboratorio de Julian Hibberd, trató de involucrarse más en el campo y decidió continuar con un postdoctorado en el mismo grupo que trabajaba en el Proyecto C4 ARROZ – una iniciativa de Bill y Melinda Gates que tiene como objetivo diseñar una planta de arroz que pueda realizar la ruta C4 altamente eficiente. Posteriormente, se involucró en la Iniciativa de planta abierta, en el que investigadores de diferentes instituciones (Universidad de Cambridge, The John Innes Center y Earlham Institute) trabajaron juntos en biología sintética y evolución para mejorar la fotosíntesis. Después de trabajar como bioinformático como parte del proyecto ENSA que tiene como objetivo utilizar la fijación biológica de nitrógeno para aumentar de manera sostenible los rendimientos de los pequeños agricultores en África (https://www.ensa.ac.uk/), se incorporó al CRAG en septiembre de 2021 para formar su propio grupo de investigación en Biología Sintética Vegetal y Fotosíntesis.

Jae-Seong es un científico coreano apasionado por Biología Computacional. Trabajó como investigador postdoctoral en el Centro de Regulación Genómica (CRG, Barcelona) en un grupo de primer nivel especializado en bioingeniería en bacterias (por ejemplo, modificación de proteínas secretadas en el género Micoplasma). en septiembre de 2019, Jae-Seong cambió de bacterias a plantas cuando comenzó su propio grupo dedicado al estudio de la regulación génica en microalgas (es decir, microorganismos fotosintéticos unicelulares). En concreto, su grupo trabaja con Chlamydomonas para investigar el efecto de las mutaciones en las regiones promotoras (es decir, las secuencias de ADN que se encuentran aguas arriba de los cuerpos genéticos que modulan la activación transcripcional o la represión de una secuencia determinada que codifica una proteína) sobre la expresión génica. Luego, los datos recopilados en el laboratorio se computan y utilizan para modelar los niveles de expresión de genes de interés en las microalgas.

Jae-Seong descubre que Chlamydomonas es un sistema casi perfecto, entre bacterias de crecimiento rápido y plantas de crecimiento lento. También puede explotarse fácilmente como biofábrica para producir moléculas de interés farmacéutico, dado que su producción puede ser escalable, desde pequeños frascos en el laboratorio hasta volúmenes significativos en la industria.

Sin embargo, los mecanismos que regulan la expresión génica son más complicados en eucariotas que en bacterias (como interacciones complejas entre factores, remodelación de la cromatina, interacción de promotores con potenciadores y terminadores, etc.) y la expresión de un gen exógeno depende del contexto (conocido como efecto posicional) ya que se introduce aleatoriamente en el genoma.

Hablemos de la conferencia… ¿Por qué decidiste organizar esta conferencia?

Con la incorporación de jóvenes investigadores (Jae-Seong, Ivan y recientemente Robertas Ursache), un programa de investigación previo cambió para convertirse en el pilar de "Biología Sintética de Plantas e Ingeniería Metabólica". Ivan declaró: "Queríamos organizar esta conferencia para conectar con otros biólogos especializados en biología sintética de plantas con la perspectiva de establecer nuevas colaboraciones y también para promover el debate sobre el uso de la biología sintética de plantas ante la comunidad científica en general". De hecho, la reunión se coorganizó como una iniciativa conjunta con investigadores de El Clúster de Excelencia en Ciencias Vegetales (CEPLAS) , centro de referencia ubicado en Alemania, que acogerá la próxima edición en 2024.

¿Puede decirnos cuáles fueron los hallazgos más emocionantes presentados en esta conferencia?

Ivan considera que la disciplina de la Biología Sintética de Plantas ha alcanzado una gran madurez, como lo reflejan las excelentes charlas y pósteres presentados en la conferencia. En particular, se mostró muy entusiasmado con la accesibilidad de las tecnologías a la comunidad. Jae-Seong también coincide en que el desarrollo de herramientas novedosas (como la generación de casetes estándar para MIX & MATCH) facilita el intercambio de materiales entre los miembros de la comunidad científica.

Teniendo en cuenta el rápido movimiento de este campo, ¿cuáles serán los logros en los próximos 5 años? ¿Y los retos futuros?

En opinión de Ivan, Plant SynBio enfrentará dos desafíos principales. El primero es el hecho de que la biología es compleja y ruidosa; por lo tanto, los científicos de plantas deben seguir aprendiendo no solo sobre biología sino también sobre biología ruidosa. “Todavía estamos lejos de entender exactamente cómo funcionan los sistemas y cómo estabilizar los rasgos que queremos diseñar para que no se vean afectados por el ruido o por las fuerzas de la evolución. Este es un desafío si queremos diseñar una vía novedosa en una planta, por ejemplo. Como dijo uno de los oradores, El ruido es un problema para la ingeniería, pero en biología el ruido está ahí para quedarse. así que mejor aprendamos cómo lidiar con eso”.

El segundo desafío, y probablemente el más importante, se relaciona con los aspectos legales y éticos de Plant SynBio, como la aceptación de la edición del genoma en cultivos, que jugará un papel clave en la generación de más líneas de investigación. Jae-Seong también está preocupado por las preocupaciones éticas y los temores que surgen de las novedades, pero también destacó los beneficios de estos nuevos enfoques para la agricultura sostenible. Por ejemplo, los resultados de la investigación en curso sobre regulación génica permitirán diseñar ad-hoc secuencias reguladoras no solo en la planta modelo Arabidopsis thaliana pero también en cultivos importantes como el tomate y el sorgo.

¿Cuál es el impacto de Plant SynBio en la sociedad?

“El impacto de este nuevo campo de investigación en la sociedad puede ser enorme. Estas tecnologías prometen cambiar la forma en que fabricamos materias primas, producimos alimentos o incluso medicamentos”, concluyó Iván.

“Podemos mejorar la producción vegetal de vitamina E, una molécula antioxidante que protege los tejidos de los daños causados ​​por la alta iluminación o la salinidad del suelo”, agregó Jae-Seong.

Por supuesto, esto no es una panacea y, como cualquier otra tecnología, tiene sus limitaciones. Es importante que los científicos y el público en general participen en el debate.

¿Estamos preparados para la próxima revolución verde?