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Construcción de plantas sintéticas


Se está realizando un movimiento que acelerará el diseño de nuevos rasgos de planta. Se inspira en la ingeniería y en la industria del software, y se apoya en Cambridge y Norwich con una iniciativa llamada OpenPlant.


Universidad de Cambridge

Los humanos han estado modificando las plantas durante milenios, domesticando especies silvestres y creando una sorprendente variedad de cultivos. La agricultura moderna permite el cultivo global de plantas a un costo extremadamente bajo, con la producción en la escala de gigatonne de una amplia gama de productos de bioadhesivos, desde fibras, madera, aceites y azúcar, hasta productos químicos finos, medicamentos y alimentos.

Pero, en el siglo XXI, enfrentamos una demanda cada vez mayor y la necesidad de cambiar hacia sistemas de producción más sostenibles. ¿Podemos construir nuevas plantas que produzcan mejores materiales, actuar como ‘fábricas’ en miniatura para alimentos y combustible, y minimizar el impacto humano en el medio ambiente?

Con esto en mente, los biólogos sintéticos están comenzando a construir nuevos organismos, o al menos reprogramar organismos existentes, al convertir el laboratorio de biología en una fundición de ingeniería.

Los biólogos sintéticos eligen un ‘chasis’ y luego se fijan en partes estándar, como los genes, los promotores que los activan y los sistemas que manejan, para construir algo que está hecho a medida. Y, al igual que los programadores de software de código abierto, han estado buscando el acceso abierto y el intercambio de código, en este caso el ADN que codifica para cada parte, como un medio práctico para acelerar la innovación.

«Proporcionar acceso gratuito a un inventario de partes moleculares para su uso en la construcción de diversos sistemas basados ​​en plantas promueve su uso creativo por parte de otros, al igual que la característica de código abierto ha impulsado la innovación en la industria de software de computadora», explicó el profesor Sir David Baulcombe del Departamento de Ciencias de las Plantas de Cambridge.

A principios de este año, la Universidad de Cambridge y el Centro John Innes en Norwich recibieron £ 12 millones en fondos para un nuevo centro de biología sintética en el Reino Unido, OpenPlant, para centrarse en el desarrollo de tecnologías abiertas en biología sintética de plantas y su aplicación en la ingeniería de nuevos cultivos. rasgos El esfuerzo es liderado por Baulcombe y el Dr. Jim Haseloff en Cambridge, y por los profesores Dale Sanders y Anne Osbourn en Norwich.

Es uno de los tres nuevos centros británicos de biología sintética que, en los próximos cinco años, recibirá más de £ 40 millones en fondos del Consejo de Investigación de Biotecnología y Ciencias Biológicas y del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas.

OpenPlant pretende establecer el primer registro de ADN de código abierto del Reino Unido para compartir partes específicas de la planta. También apoyará la ciencia fundamental: «La construcción de estas partes nos permitirá probar nuestra comprensión de los sistemas de plantas naturales en las que los ensamblajes de partes crean un todo mayor», explicó Baulcombe.

Investigadores como Baulcombe y Haseloff, quienes también lideran una nueva Iniciativa de Investigación Estratégica para avanzar en la investigación interdisciplinaria en biología sintética en Cambridge, creen que la inversión en los tres nuevos centros ayudará al Reino Unido a mantenerse a la vanguardia de la biología sintética de plantas.

«Cualquier reprogramación a gran escala de sistemas vivos requiere acceso a una gran cantidad de componentes y, como el número de estas partes se incrementa, el costo de crear una cartera de patentes, o la concesión de licencias a los propietarios de patentes, puede estrangular a la industria y restringir la innovación. «, explicó Haseloff.

De la fundición a la fábrica: construcción de plantas sintéticas.

«Si bien los investigadores estadounidenses lideran la biología sintética de los microbios, el Reino Unido tiene la ventaja en cuanto a plantas. El campo necesita un nuevo sistema de propiedad intelectual de dos niveles para que las nuevas herramientas que incluyen componentes de ADN se compartan libremente, mientras que la inversión en aplicaciones se puede proteger . «

Además de los nuevos componentes de ADN, Haseloff y sus colegas se han centrado en un nuevo chasis de planta. Más bien como el chasis de un automóvil, el chasis es el cuerpo de la celda que alberga el resto de las partes deseadas. Y para esto han recurrido a hepáticas, reliquias de las primeras plantas terrestres que evolucionaron hace unos 500 millones de años.

El Marchantia polymorpha liverwort es pequeño, crece rápidamente, tiene una arquitectura genética simple y está demostrando que es un banco de pruebas tan útil para desarrollar nuevos circuitos de ADN que Haseloff ha lanzado un recurso basado en la web (www.marchantia.org) para una comunidad internacional en crecimiento. para intercambiar ideas. El centro caracteriza uno de los objetivos más amplios de OpenPlant en la promoción del intercambio interdisciplinario entre las ciencias fundamentales y aplicadas, y es uno de una serie de proyectos de colaboración, como OpenLabTools (ver panel), que promueve la tecnología abierta, la innovación y el intercambio entre ingenieros y Científicos físicos, biológicos y sociales de toda la universidad.

En paralelo con el desarrollo de partes estandarizadas, el Centro apoyará a unos 20 investigadores y sus equipos en Cambridge y Norwich que están diseñando nuevos rasgos de planta. Por ejemplo, los científicos del Centro John Innes están investigando nuevos sistemas para producir compuestos útiles como las vacunas. En Cambridge, los investigadores están creando sistemas con capacidades fotosintéticas alteradas y estructura de hojas para impulsar la conversión de la energía del sol en alimentos, así como desarrollar sistemas fotovoltaicos basados ​​en plantas para combustible.

Otro de los objetivos de OpenPlant es fomentar el debate sobre las implicaciones más amplias de la tecnología a escala local y global. Como describió Baulcombe, «La característica de código abierto puede permitir una discusión directa sobre las aplicaciones de la biología sintética en las plantas. La discusión de la sociedad sobre otros aspectos de la biotecnología se ha visto obstaculizada en gran medida por las complicaciones derivadas de las restricciones de propiedad intelectual».

«Creemos que las tecnologías biológicas son la base de los procesos industriales del siglo XXI», agregó Haseloff. «Las plantas son baratas e inherentemente sostenibles, y tienen un papel importante que desempeñar en nuestro futuro.

«Para poder implementar ideas y avanzar hacia principios de diseño más racionales para respaldar los avances, debemos tener la capacidad de explotar las tecnologías de biología sintética de manera receptiva, y ahí es donde vemos la contribución de OpenPlant en los próximos años».

OpenLabTools

OpenPlant es parte de un movimiento más amplio hacia el «compartir» en Cambridge que ahora incluye herramientas científicas del comercio.

De la fundición a la fábrica: construcción de plantas sintéticas.

La contratación de laboratorios con herramientas científicas es un negocio costoso. Un microscopio automatizado, por ejemplo, podría costar más de £ 75,000 y, sin embargo, ser una herramienta clave en materiales y laboratorios biológicos.

Ahora, una iniciativa coordinada por el Dr. Alexandre Kabla, del Departamento de Ingeniería, está reconsiderando cómo los científicos pueden acceder a las herramientas que necesitan a un costo menos prohibitivo.

Reconoció que existe una gran cantidad de conocimientos sobre construcción de instrumentos en toda la Universidad, experiencia que podría aprovecharse para desarrollar un conjunto de herramientas científicas de acceso abierto de bajo costo.

Raspberry Pi, por ejemplo, fue concebida e incubada en el Laboratorio de Computación para alentar a los niños a aprender a programar por sí mismos: esta computadora del tamaño de una tarjeta de crédito ahora está disponible por solo $ 25.

La iniciativa OpenLabTools se ha propuesto la tarea de crear herramientas de gama alta, como microscopios, impresoras 3D, equipos de automatización y sensores, con énfasis en la enseñanza e investigación de pregrado y posgrado. Fue creado con fondos de la Universidad y de la Fundación Raspberry Pi, y cuenta con el apoyo de un equipo académico de ingenieros, físicos, científicos de materiales, biólogos de plantas e informáticos.

«Los proyectos actuales se centran principalmente en el desarrollo de componentes principales, gracias a las contribuciones de un equipo de estudiantes de física e ingeniería. Sin embargo, ya hemos logrado un progreso significativo hacia el desarrollo de sistemas de imágenes y dispositivos de prueba mecánicos», dijo Kabla, cuya propia La experiencia se basa en la física y la mecánica de los sistemas biológicos. «Anticipamos que estos se implementarán en laboratorios de pregrado el próximo año».

Para fomentar el acceso abierto, se publican manuales y diseños de ‘Cómo’ en el sitio web de OpenLabTools.

«Es una perspectiva emocionante», dijo Kabla. «Cuando considera que los microscopios de bajo costo para el consumidor son esencialmente una cámara digital con un objetivo de gran aumento, no solo podemos construir esto, sino que también podemos proporcionar un medio para automatizar la microscopía, reduciendo drásticamente el costo de la herramienta. Los planos y tutoriales que ponemos a su disposición serán útiles para proyectos de pregrado e investigación, así como para actividades escolares y aplicaciones industriales a pequeña escala que se ejecuten con un presupuesto ajustado «.

Proporcionado por: Universidad de Cambridge

Información de: phys.org


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