La biología vegetal sintética sube al escenario en Barcelona
Desde que Gregor Mendel descubrió las leyes fundamentales de la herencia en las plantas de guisantes a fines del siglo XIX, investigadores de todo el mundo han investigado los misterios ocultos en el ADN de las plantas e inventado/mejorado técnicas que han cambiado la forma en que las personas cultivan organismos verdes para fines agrícolas o industriales. propósitos – como la revolución verde, que se basó en el uso de variedades semienanas y de alto rendimiento que duplicaron la producción de granos en la década de 1960, o el uso de herramientas genómicas en la fitomejoramiento y la farmacia moderna (es decir, el uso de plantas como fábricas para producir medicamentos.
Para obtener más información sobre los campos emergentes en la ciencia de las plantas, BotanyOne se reunió con el Dr. Jae Seong Yang y Dr. Ivan Reyna-Llorens, dos jóvenes líderes de grupo del Centro de Investigación en Genómica Agraria (CRAG, Barcelona) que organizaron la jornada de Biología Sintética de Plantas en septiembre de 2022.
¿Qué es exactamente Plant Synthetic Biol?Ogy significa?
Jae-Seong e Ivan están de acuerdo en definir la Biología Sintética de Plantas (Plant SynBio para abreviar) como la próxima generación de biotecnología vegetal e ingeniería genética/metabólica. Ivan explicó que este desarrollo ha sido posible gracias a las nuevas tecnologías (por ejemplo, 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: DISEÑO-CONSTRUCCIÓN-PRUEBA-APRENDER (y viceversa).
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. ENSAYOS: Validación del diseño experimental mediante cribado, genotipado/fenotipado y análisis molecular/bioquímico del organismo modificado. APRENDER: análisis y modelado de datos, recopilando 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 relación con la biodiversidad, la seguridad alimentaria, la sostenibilidad y la salud. Jae-Seong agregó: “En comparación con los enfoques anteriores, Synbio es más rápido”. Hoy en día, esto es una ventaja porque, por ejemplo, los métodos tradicionales de mejora genética de las plantas (para aumentar la productividad o impartir tolerancia al estrés) son demasiado lentos para seguir el ritmo acelerado del cambio climático. Synbio también es más drástico: en la transformación de genes, el enfoque biotecnológico clásico se basa en modificar 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 hiciste eso? decide unirse a SynBio y cómo está desarrollando su carrera en esta área 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). Cuando asistió a una conferencia organizada por Jim Hasselhoff y Tom Knight, quedó asombrado por el potencial de los sistemas biológicos para crear cosas que de otro modo no serían posibles. Después de su doctorado en el laboratorio de Julian Hibberd, trató de involucrarse más en este campo y decidió continuar con un postdoctorado en el mismo grupo en el proyecto C4 RICE, una iniciativa de Bill y Melinda Gates con el objetivo de cerrar una construcción de una fábrica de arroz. la forma C4 altamente eficiente. Luego se involucró en la Open Plant Initiative, en la que investigadores de varias instituciones (la Universidad de Cambridge, el Centro John Innes y el Instituto Earlham) trabajaron juntos en biología sintética y evolución para mejorar la fotosíntesis. Se unió al CRAG en septiembre de 2021 para iniciar su propio grupo de investigación en Biología Sintética de Plantas y Fotosíntesis después de trabajar como bioinformático en el proyecto ENSA sobre rendimientos sostenibles de pequeños agricultores en África a través de la fijación biológica de nitrógeno (https://www.ensa.ac.uk/ ).para fundar.
Jae-Seong es un científico coreano apasionado por la biología computacional. Trabajó como postdoctorado en el Centro de Regulación Genómica (CRG, Barcelona) en un grupo líder 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 fundó su propio grupo dedicado a estudiar la regulación génica en microalgas (es decir, microorganismos fotosintéticos unicelulares). En concreto, su grupo trabaja con clamidomonas para examinar el efecto de las mutaciones en las regiones promotoras (es decir, las secuencias de ADN que se encuentran aguas arriba de los cuerpos génicos que modulan la activación transcripcional o la represión de una secuencia determinada que codifica una proteína) sobre la expresión génica. Los datos recopilados en el laboratorio se calculan y utilizan para modelar los niveles de expresión de genes de interés en microalgas.
Jae Seong piensa que sí. clamidomonas es un sistema casi perfecto entre bacterias de crecimiento rápido y plantas de crecimiento lento. También se puede usar fácilmente como biofábrica para producir moléculas de interés farmacéutico, ya que su producción es escalable, desde pequeñas botellas en el laboratorio hasta grandes cantidades 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 como efecto de posición) a medida que se introduce aleatoriamente en el genoma.
Hablemos de la conferencia… ¿Por qué decidiste organizar esta conferencia?
Con la participación de jóvenes investigadores (Jae-Seong, Ivan y recientemente la causa de Roberta), el programa de investigación anterior se convirtió en el pilar “Biología sintética e ingeniería metabólica de las plantas”. Ivan explicó: “Queríamos organizar esta conferencia como una forma de conectarnos con otros biólogos de plantas, con la perspectiva de establecer nuevas colaboraciones, y también para fomentar el debate sobre los usos de la biosíntesis de plantas en la comunidad científica más amplia”. El encuentro fue organizado como una iniciativa conjunta con investigadores del Clúster de Excelencia en Ciencias Vegetales (CEPLAS), un centro de referencia en Alemania que acogerá la próxima edición en 2024.
¿Puede decirnos cuáles fueron las ideas más emocionantes presentadas en esta conferencia?
Ivan cree que la disciplina de la biología vegetal sintética realmente ha madurado y esto se refleja en los asombrosos artículos y carteles presentados en la conferencia. Estaba particularmente entusiasmado con la accesibilidad de la tecnología a la comunidad. Jae-Seong también está de acuerdo en que el desarrollo de herramientas novedosas (como la generación de casetes estándar para MIX & MATCH) facilita el intercambio de materiales entre miembros de la comunidad científica.
Dado el rápido ritmo de este campo, ¿cuáles serán los logros en los próximos 5 años? ¿Y los retos futuros?
Según Ivan, Plant SynBio enfrentará dos grandes desafíos. El primero es el hecho de que la biología es compleja y ruidosa; Por lo tanto, los científicos de plantas deben aprender no solo sobre biología, sino también sobre biología ruidosa. “Todavía estamos muy lejos de comprender exactamente cómo funcionan los sistemas y cómo estabilizar las propiedades que queremos que evolucionen para que no se vean afectadas por el ruido o las fuerzas de la evolución. Este es un desafío si queremos construir una nueva ruta hacia una planta, por ejemplo. Como dijo uno de los oradores, El ruido es un problema para la tecnología, pero en biología el ruido está para quedarse para que podamos aprender a manejarlo mejor”.
El segundo y probablemente el desafío más importante se relaciona con los aspectos legales y las cuestiones éticas de Plant SynBio, tales como: B. la aceptación de la edición del genoma en cultivos, que jugará un papel clave en la generación de nuevas líneas de investigación. Jae-Seong también está preocupado por las preocupaciones éticas y los temores que surgen de la novedad, pero también destacó los beneficios de estos nuevos enfoques para la agricultura sostenible. Por ejemplo, los resultados de la investigación en curso sobre la regulación de genes permitirán un diseño ad hoc Secuencias regulatorias no solo en la planta modelo Arabidopsis thaliana pero también en cultivos importantes como el tomate y el sorgo.
¿Qué impacto tiene 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 producimos materias primas, alimentos o incluso medicamentos”, concluyó Ivan.
“Podemos mejorar la producción vegetal de vitamina E, una molécula antioxidante que protege los tejidos del daño causado por la luz fuerte o la salinidad del suelo”, agregó Jae-Seong.
Por supuesto, esto no es una cura milagrosa y, como cualquier otra tecnología, tiene sus límites. Es importante que los científicos y el público en general participen en el debate.
¿Estamos preparados para la próxima revolución verde?