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Reshuffling genes and genomes: from experimental evolution to synthetic biology in plants

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Las plantas modificadas genéticamente podrían ser las fábricas de sustancias químicas ecológicas del futuro

Se puede lograr que las plantas tratadas sintéticamente sean más resilientes e, incluso, produzcan biofármacos y sustancias químicas ecológicas. Ello podría contribuir a que la agricultura alimentase a una población creciente y abordase los desafíos del cambio climático.

Alimentos y recursos naturales

La biología sintética tiene como objetivo modificar los organismos actuales mediante el diseño de sistemas biológicos basados en la tecnología de la información y la ingeniería. Un enfoque fundamental es diseñar e introducir los genomas sintéticos en las células. Los genomas proporcionan toda la información genética a un organismo. «Las plantas son objetivos particularmente atractivos de la biología sintética», explica Ralph Bock, coordinador del proyecto GENEVOSYN y director en el Instituto Max Planck de Fisiología Vegetal Molecular en Alemania. «Primero, se pueden manipular sus genomas de forma relativamente fácil. Luego, las plantas pueden tolerar cambios aún más grandes de sus genomas. Finalmente, y lo que es más importante, toda la vida en nuestro planeta depende de las plantas. Producen el oxígeno que respiramos y los alimentos que consumimos». «Ante el crecimiento de la población mundial y los desafíos que conlleva el cambio climático, se debe duplicar la productividad de la agricultura de aquí al 2050», indica Bock. «Hay que encontrar nuevas fuentes renovables de sustancias químicas y combustibles. Necesitamos con urgencia tecnologías nuevas y, en este caso, la biología sintética puede desempeñar un papel importante».

Aplicar la ingeniería genómica

El proyecto GENEVOSYN, con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación, se basa en el trabajo revolucionario de Block en cuanto al desarrollo de herramientas para diseñar los genomas de dos células orgánulos —estructuras que realizan funciones específicas en las células— denominadas cloroplastos y mitocondrias. Los genomas de ambos orgánulos son mucho más pequeños que el genoma en el núcleo de las células vegetales. «Eso convierte a los cloroplastos y las mitocondrias en particularmente idóneos para la ingeniería genómica a gran escala y con alta precisión», explica Bock. «De este modo, podemos aplicar enfoques sobre la biología sintética que actualmente no son factibles en el genoma nuclear». El proyecto tuvo una serie de objetivos. Primero, Bock pretendía diseñar una ruta metabólica nueva en el cloroplasto, para permitir la síntesis de un fármaco antipalúdico denominado artemisinina. Luego, quería desarrollar métodos para lograr que el genoma mitocondrial sea más accesible ante las manipulaciones genéticas. «Finalmente, deseábamos basarnos en nuestros descubrimientos que indican que los genomas completos se pueden transferir entre especies de plantas mediante injertos», afirma Bock. «Nuestra idea era aprovechar este proceso a fin de generar especies de plantas sintéticas».

Plantas como fábricas

El proyecto, que concluyó en marzo de 2021, introdujo con éxito la ruta de la artemisinina en los cloroplastos. Bock y su equipo lograron demostrar que este fármaco tan necesario, que tiene el potencial de salvar miles de vidas, se puede producir a grandes niveles en hojas de tabaco. «Las estrategias y herramientas que desarrollamos en este proyecto ya están listas para aplicarlas a otras rutas metabólicas», añade Block. El equipo también realizó algunos avances con la ingeniería del genoma mitocondrial. «Todavía hay una serie de obstáculos técnicos que se deben superar antes de que podamos añadir genes al genoma mitocondrial», explica Bock. Finalmente, el proyecto consiguió generar varias especies sintéticas, y el equipo actualmente analiza su genética, fisiología y metabolismo. «Descubrimos que los injertos pueden fomentar las transferencia de material genético entre especies diferentes», destaca Bock. «Eso proporciona a la fitogenética un método nuevo para producir especies de cultivo nuevas y con propiedades novedosas». En resumen, el proyecto GENEVOSYN ha resaltado el potencial de la biología sintética en el fortalecimiento de la seguridad alimentaria, y en el uso de las plantas como fábricas para la síntesis eficaz de sustancias químicas ecológicas, biofármacos y otros compuestos útiles. Bock cree que esto es solo el principio. «Los desafíos del futuro que pueden abordarse mediante la biología sintética incluyen, por ejemplo, la mejora de la fotosíntesis y el diseño de plantas que puedan usar el nitrógeno en el aire como fertilizante», concluye.

Palabras clave

GENEVOSYN, agricultura, sustancias químicas, biofármacos, genético, sintético, biología

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