La modificación genética mejora características de los cultivos como el rendimiento, la nutrición, la resistencia a plagas y la resiliencia, contribuyendo significativamente a la seguridad alimentaria mundial. Sin embargo, si bien el sistema CRISPR-Cas permite una modificación genómica rápida y precisa en comparación con el fitomejoramiento tradicional, aún existen importantes desafíos para introducir material genético en las células vegetales y regenerar los tejidos transformados. Sin embargo, el problema parece estar resuelto.
La infección y la biodistribución mediadas por Agrobacterium son los principales métodos de transformación de plantas.
La transformación mediada por Agrobacterium proporciona alta eficiencia y rendimiento, y genera de forma fiable eventos de inserción de ADN de una sola copia. Sin embargo, su estrecho rango de hospedadores limita su uso para la transformación de cultivos recalcitrantes, y su dependencia de la administración de ADN puede provocar efectos no deseados.
Por el contrario, la administración de reactivos CRISPR basados en ADN, como ARN o ribonucleoproteínas, minimiza los efectos secundarios y produce plantas editadas libres de transgenes, que son altamente deseables para el mejoramiento de plantas y la aprobación regulatoria.
La administración biolística, o bombardeo de partículas, complementa la transformación mediada por Agrobacterium, permitiendo la administración de prácticamente cualquier carga biológica a prácticamente cualquier especie vegetal o tipo de tejido. La biolística se está volviendo especialmente valiosa para transformar tipos de tejidos o especies resistentes a la infección por Agrobacterium. Sin embargo, la administración biolística enfrenta desafíos significativos en términos de eficiencia, consistencia y daño tisular causado por microproyectiles de alta velocidad que impiden la regeneración y la transformación. Además, a menudo resulta en inserciones fragmentadas y múltiples de transgenes en el genoma, lo que resulta en una expresión génica impredecible.
Desde 1988, los fitobiólogos han utilizado una «pistola genética» estándar para modificar genéticamente los cultivos y mejorar su rendimiento, nutrición, resistencia a plagas y otras características valiosas. Esta tecnología, que carga material genético en partículas diminutas y utiliza alta presión para inyectarlas en las células vegetales, ha generado problemas para los fitocientíficos, incluyendo ineficiencias, inconsistencias e incluso daños tisulares causados por las partículas de alta velocidad.
Pero así fueron estos experimentos. «Ni siquiera sabíamos que teníamos un problema», dijo Kang Wang, agrónomo de la Universidad Estatal de Iowa y profesor distinguido Charles F. Curtiss de Agricultura y Ciencias de la Vida.
Shang Jiang, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Iowa, se preguntó si su equipo de investigación podría hacer algo para mejorar esta herramienta básica de investigación vegetal. Finalmente, él y su equipo concluyeron que los científicos vegetales habían estado «disparando una bala sin cañón» durante 40 años.
Un artículo publicado en la revista Nature Communications detalla la búsqueda de una solución por parte del equipo de investigación, sus hallazgos posteriores y la invención que lanzó la empresa emergente.
Pero el proyecto era más que una solución a un problema de ingeniería. Jiang, con su currículum de investigación, realmente quería usar su enfoque de ingeniería para mejorar la ciencia vegetal y, quizás, la vida humana.
Después de recibir su doctorado de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, comenzó a trabajar como investigador en el Laboratorio Langer del MIT: el laboratorio de Robert Langer, quien hasta agosto del año pasado fue miembro de la junta directiva de Moderna, Inc., líder en la creación de medicamentos basados en ARNm, incluidas las vacunas contra la COVID-19.
Jiang fue uno de los 15 investigadores posdoctorales que trabajaron en nuevas ideas para la administración de material genético para terapias médicas. «Fue un estudio muy complejo», afirmó, pero uno de los resultados, incluso después de que se suspendiera la financiación de la investigación, fue el uso del ARN mensajero para producir proteínas que podrían ayudar al cuerpo a combatir enfermedades.
«Esta investigación tuvo un profundo impacto en mi vida. Cuando llegué a la Universidad Estatal de Iowa, pensé en lo que quería hacer», recuerda el científico.
Pero no existía un hospital de investigación y la capacidad para la investigación médica era limitada. Jiang investigó la literatura científica y leyó sobre la administración de ADN y ARN a células vegetales para introducir o mejorar características específicas, como un alto rendimiento, resistencia a insectos o tolerancia al calor.
Cogió el teléfono y llamó al ingeniero de materiales Kang Wang, y los científicos se reunieron para discutir los desafíos de la investigación en plantas, particularmente el problema de entregar materiales genéticos a través de las resistentes paredes celulares de las plantas.
«Era un área muy infravalorada. Muy pocos científicos de materiales trabajaban en la introducción de ARN en células vegetales. La agricultura siempre está infravalorada: la gente quiere curar el cáncer», afirma Jiang.
La «pistola genética», que existe desde hace décadas y es utilizada por los botánicos para la denominada entrega «biolística» de información genética, funciona recubriendo micropartículas de oro o tungsteno, de apenas unas millonésimas de metro de tamaño, con material genético y luego disparando las partículas y las cargas útiles a las células vegetales.
Algunas de estas células sobreviven al bombardeo de partículas, absorben el ADN inyectado y expresan las características adecuadas. Las células transformadas pueden entonces cultivarse para convertirse en plantas completas.
«Sin embargo, la administración biolística enfrenta desafíos significativos en términos de eficiencia, consistencia y daño tisular causado por microproyectiles de alta velocidad que interfieren con la regeneración y la transformación, así como varios efectos secundarios no deseados», señalaron Jiang y coautores en su artículo sobre el proyecto.
Jiang y sus colegas investigadores llevan años buscando soluciones. En su último esfuerzo, el equipo de investigación ejecutó modelos de dinámica de fluidos computacional de los flujos de partículas del cañón genético y descubrió un cuello de botella en el cañón interno. Este parecía demasiado estrecho y restrictivo, lo que provocaba pérdida de partículas, interrupción del flujo, reducción de la presión, menor velocidad y una distribución desigual en las células objetivo.
«Estos resultados revelaron limitaciones críticas en el diseño del cañón genético y nos llevaron a plantear la hipótesis de que la ingeniería de la dinámica del flujo dentro del cañón genético podría mejorar significativamente su eficiencia y consistencia», escriben Jiang y sus colegas.
Para ello, los investigadores diseñaron un nuevo cañón interno para la pistola genética, al que llamaron «cañón de dirección de flujo», y Connor Thorpe, un estudiante de posgrado y entusiasta de la impresión 3D, lo imprimió para probarlo.
«Aumentó la productividad en un 50 por ciento, luego dos, tres, cinco, diez, veinte veces. Para ser honesto, me sorprendió mucho», dijo Jiang.
Transformaciones de plantas más fáciles
Las simulaciones por computadora muestran que una pistola genética convencional dirige aproximadamente el 21% de las partículas cargadas a las células vegetales objetivo, mientras que una pistola genética modificada con el Flow Guiding Barrel entrega casi el 100%.
Pruebas posteriores realizadas por los biólogos encontraron, por ejemplo, un aumento de 22 veces en la eficiencia de la transfección transitoria en experimentos con cebolla, una mejora de 17 veces en la eficiencia de la infección viral para transformar plántulas de maíz y un aumento de dos veces en la eficiencia de los experimentos de edición del genoma CRISPR en trigo.
«Ningún dispositivo anterior ha logrado tales mejoras, lo que ofrece un potencial significativo para avanzar en la transformación independiente del genotipo y la edición del genoma en plantas», escriben los coautores del artículo.
Wang, el científico agrícola de la Universidad Estatal de Iowa a quien Jiang contactó inicialmente, observó mejoras en el laboratorio de hasta diez, y a veces veinte veces. Podemos hacer las cosas con mucha más eficiencia.
Yiping Qi, profesor de ciencias vegetales y arquitectura paisajística en la Universidad de Maryland y coautor del proyecto, dijo que el barril guía de flujo «simplificará la transformación de las plantas y la edición del genoma al aumentar la eficiencia».
Por ejemplo, en un ensayo, afirma, la guía de flujo permitió que los reactivos CRISPR penetraran más profundamente en el meristemo apical del brote del trigo harinero, la parte de la planta donde se forman las células y las hojas: «Esto resultó en una mayor eficiencia de la edición genómica hereditaria en la siguiente generación de trigo. Si bien esta demostración se realizó en trigo, es concebible que esta mejora pueda beneficiar a otros cultivos como la cebada, el sorgo, etc.».
Jiang dijo que con ganancias de eficiencia de 10 a 20 veces, el sistema Flow Guiding Barrel podría ahorrarles a los científicos de plantas y a las compañías agrícolas millones de dólares en tiempo y rotación de plantas o productos.
Es un dispositivo pequeño y parece demasiado simple. Pero los beneficios que puede aportar son invaluables. Permite estrategias más seguras y eficientes para mejorar los cultivos, haciéndolos más resistentes a los cambios ambientales, aumentar el contenido de nutrientes y contribuir a la producción de energía sostenible, concluyó.
Fuente: Universidad Estatal de Iowa. Autor: Mike Krapfl.
En la imagen aparecen los ingenieros de la Universidad Estatal de Iowa, de izquierda a derecha: Connor Thorpe y Shang Jiang, quienes ayudaron a inventar el «Barril Guía de Flujo», que mejora el rendimiento de la pistola genética utilizada para modificar genéticamente las plantas. Jiang sostiene el Barril Guía de Flujo. La pistola genética está a la izquierda. Foto de Ryan Riley/Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Iowa.
DOI: 10.1038/s41467-025-60761-x
