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Estrategias de nanotecnología para la ingeniería genética de plantas


Los esfuerzos de la humanidad por modificar las plantas alimenticias son tan antiguos como la agricultura misma, unos 10.000 años. 


Por Michael Berger


Antes de que la ingeniería genética fuera posible, los agricultores usaban la selección simple entre especies e intraespecies y el cruce; por ejemplo, las fresas de hoy son un cruce entre una especie de fresa nativa de América del Norte y una especie de fresa nativa de América del Sur. A medida que avanzaban las biotecnologías, se desarrollaron técnicas más avanzadas como la hibridación somática (fusión celular), la variación somaclonal y la reproducción por mutación.

La ingeniería genética comenzó en 1973, cuando los bioquímicos Herbert Boyer y Stanley Cohen desarrollaron la ingeniería genética mediante la inserción de ADN de una bacteria en otra (lea más sobre los organismos genéticamente modificados en este excelente manual de la FDA: Ciencia e Historia de los OGM y Otros Procesos de Modificación de Alimentos) .

El término ingeniería genética describe un proceso en el que se realiza un tipo de modificación genética en el genoma de un organismo que implica un cambio específico en la secuencia genética de una planta o animal para lograr un resultado específico mediante el uso de tecnología de ADN y, más recientemente, de ARN. .

La ingeniería genética de plantas puede mejorar rápida y direccionalmente los rasgos objetivo de los cultivos, romper el cuello de botella del mejoramiento convencional y lograr una mejora simultánea de la calidad y el rendimiento de los cultivos para satisfacer las necesidades humanas.

Debido al rápido desarrollo de la nanotecnología en las últimas décadas, los nanomateriales se utilizan ampliamente en nanobiología y terapia génica debido a su pequeño tamaño, gran superficie, biocompatibilidad, biodegradabilidad, baja toxicidad y propiedades inmunogénicas bajas. La siguiente tabla resume las diferencias clave, las fortalezas y las limitaciones de las diferentes técnicas de transformación genética:

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Comparación entre varios sistemas de entrega de genes utilizados para la ingeniería genética de plantas. La ingeniería genética de plantas se puede clasificar en tres grupos principales: transformación tradicional de plantas, sistema de entrega de genes mediado por nanomateriales y edición del genoma. Cada uno tiene sus características, fortalezas y limitaciones. Abreviaturas: T-DNA, ADN de transferencia; CNT, nanotubos de carbono; MSN, nanopartículas de sílice mesoporosas; CRISPR-Cas, proteínas asociadas a CRISPR con repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas; sgRNA, ARN de guía única; RNP, ribonucleoproteína. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag)


Sin embargo, el desarrollo de la ingeniería genética vegetal va a la zaga del desarrollo de la ingeniería genética animal. Las células vegetales se diferencian de las células animales en varios aspectos, uno de los principales es que, además de la membrana celular, poseen una pared que las rodea para brindar soporte mecánico y estructural. La presencia de esta pared celular vegetal, que solo permite el paso de biomoléculas con un diámetro inferior a 20 nm, está limitando la aplicación de nanomateriales en la mejora de cultivos mediada por ingeniería genética.

En los últimos años, los avances en nanotecnología para la ingeniería genética han proporcionado herramientas más favorables para la transformación genética de las plantas. Por ejemplo, los investigadores han desarrollado una técnica que utiliza nanopartículas para administrar genes en los cloroplastos de las células vegetales y funciona con muchas especies de plantas diferentes, incluidas las espinacas y otras verduras. En otro estudio, los nanotubos de carbono permitieron la entrega de material genético funcional sin integración de ADN en plantas maduras.

Basado en las características de los nanomateriales, un nuevo artículo de revisión («Nanotechnology Strategies for Plant Genetic Engineering») de científicos de la Escuela de Alimentos e Ingeniería Biológica de la Universidad Tecnológica de Hefei, resume los tipos de portadores de genes utilizados en la transformación genética de plantas, las formas de combinación con genes extraños, y las diferencias y ventajas en comparación con los métodos transgénicos tradicionales anteriores.

Los autores también discuten los desafíos y las perspectivas de los sistemas de administración de genes mediados por nanomateriales para proporcionar nuevas ideas para optimizar aún más el diseño y desarrollar nuevas tecnologías de transformación genética de plantas.

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Esquema que muestra los nanomateriales desarrollados para la ingeniería genética de plantas. En 1979, Matthews et al. demostraron por primera vez que las nanopartículas de liposomas como vectores median la captación de ARN bacteriano en protoplastos de zanahoria. En 2007, Torney et al. exploraron la primera nanoestrategia para la ingeniería genética de plantas intactas, donde se bombardeó sílice mesoporosa cargada de genes en las hojas de las plantas. En 2017, se usaron nanoláminas de arcilla para proteger el ARN de doble cadena (dsRNA) y aumentar la resistencia a los virus de las plantas, mientras que las nanopartículas magnéticas lograron la construcción de plantas transgénicas mediante la magnetofección del polen ese mismo año. Luego, en los últimos tres años, se desarrollaron sistemas de entrega de genes de alta eficiencia, independientes de la especie y sin asistencia fisicoquímica utilizando nanomateriales de carbono, nanoestructuras de ADN y grupos de oro. Físico (bombardeo biolístico, pulso eléctrico), Los enfoques químicos (poli(etilenglicol) (PEG), no mostrados) o biológicos (Agrobacterium, CRISPR-Cas) se utilizan ampliamente en células vegetales y plantas enteras. Se ha desarrollado y avanzado un método de administración de genes basado en nanomateriales como el nuevo sistema de administración de genes para plantas. La ingeniería genética de plantas confiere a los cultivos una mayor resistencia a los estreses abióticos/bióticos (p. ej., temperatura extrema, sequía, virus, insectos) y mejora el rendimiento y la calidad de los cultivos. CW, pared celular; Ct, cloroplasto; M, mitocondria; G, aparato de Golgi; N, núcleo; V, vacuola; P, peroxisoma; SI, filamentos intermedios. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag) (haga clic en la imagen para ampliar) Se ha desarrollado y avanzado un método de administración de genes basado en nanomateriales como el nuevo sistema de administración de genes para plantas. La ingeniería genética de plantas confiere a los cultivos una mayor resistencia a los estreses abióticos/bióticos (p. ej., temperatura extrema, sequía, virus, insectos) y mejora el rendimiento y la calidad de los cultivos. CW, pared celular; Ct, cloroplasto; M, mitocondria; G, aparato de Golgi; N, núcleo; V, vacuola; P, peroxisoma; SI, filamentos intermedios. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag) (haga clic en la imagen para ampliar) Se ha desarrollado y avanzado un método de administración de genes basado en nanomateriales como el nuevo sistema de administración de genes para plantas. La ingeniería genética de plantas confiere a los cultivos una mayor resistencia a los estreses abióticos/bióticos (p. ej., temperatura extrema, sequía, virus, insectos) y mejora el rendimiento y la calidad de los cultivos. CW, pared celular; Ct, cloroplasto; M, mitocondria; G, aparato de Golgi; N, núcleo; V, vacuola; P, peroxisoma; SI, filamentos intermedios. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag) (haga clic en la imagen para ampliar) núcleo; V, vacuola; P, peroxisoma; SI, filamentos intermedios. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag) (haga clic en la imagen para ampliar) núcleo; V, vacuola; P, peroxisoma; SI, filamentos intermedios. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag)

En comparación con los métodos tradicionales de transformación de plantas, la transformación genética de plantas mediada por nanomateriales tiene las siguientes ventajas: puede atravesar la pared celular de la planta de forma pasiva sin un dispositivo de alimentación; puede lograr grandes fragmentos de genes y transformación multigenética al cargar una gran cantidad de ácidos nucleicos; no tiene restricción de host; puede proteger los ácidos nucleicos exógenos, reducir la tasa de degradación de los ácidos nucleicos en las células y mejorar la eficiencia de la transformación genética.

La mayoría de los estudios han sugerido que la eficiencia de internalización de las nanopartículas se correlacionó positivamente con la entrega de genes. La mayoría de estas partículas, como puntos cuánticos, nanopartículas, nanotubos, liposomas, nanoestructuras de ADN, deben tener menos de 20 nm en al menos una dimensión. Además, los nanomateriales más pequeños tienen ventajas únicas que pueden lograr la localización de suborgánulos (p. ej., cloroplasto, mitocondria, núcleo). El uso de varios nanomateriales como nanotubos de carbono, nanopartículas magnéticas y nanopartículas de sílice mesoporosas para el suministro de ácidos nucleicos en células vegetales se ha informado como prueba de concepto.Hasta ahora, la mayor parte de la investigación científica se centra en las interacciones entre los nanomateriales de carbono y las células de mamíferos. La investigación sobre si los nanomateriales de carbono pueden explotarse como portadores para llevar genes extraños a las células vegetales y por qué se encuentra todavía en sus primeras etapas.

CRISPR-Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats-associated protein 9) se considera una técnica de «tijeras moleculares» que se puede utilizar para el mejoramiento de plantas de precisión al eliminar, reemplazar o editar la secuencia de ácido nucleico. Recientemente, la entrega de CRISPR-Cas basada en nanopartículas ha mostrado ventajas sobre los métodos tradicionales, incluida la estabilidad mejorada, baja toxicidad, alta capacidad de carga, amplias especies de plantas receptoras, etc. («Entrega de CRISPR/Cas9 basada en nanotecnología para el tratamiento del cáncer»). Por ejemplo, los liposomas podrían diseñarse para encapsular sistemas CRISPR-Cas en varias formas (p. ej., liposomas catiónicos, liposomas neutros multilamelares). Otros nanomateriales, como las nanopartículas de oro, también encontraron su camino en la entrega de sistemas CRISPR-Cas en aplicaciones médicas. Sin embargo,

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Entrega del reactivo CRISPR-Cas a diversas especies de plantas, células y orgánulos. a) Ejemplos de especies de plantas, tipos de células y orgánulos a los que puede apuntar el sistema CRISPR-Cas. b) Los elementos CRISPR-Cas pueden administrarse en las células para realizar la edición del genoma. La proteína Cas escinde el ADN con la ayuda de sgRNA. Una vez que se genera la rotura de doble cadena (DSB), se activan los mecanismos de reparación del ADN: HDR y NHEJ. Ct, cloroplasto; Cyt, citoplasma; CW, pared celular; sgRNA, ARN de guía única; ADNg, ADN genómico; M, mitocondria; N, núcleo; V, vacuola. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag)

Al concluir su revisión, los autores señalan que la nanotecnología para la ingeniería genética de plantas es un campo emergente novedoso en el que todavía es necesario resolver muchos problemas; en particular:»Primero, ¿cómo se internalizan los nanomateriales en las células vegetales sin ayuda externa? Este problema debe aclararse más. Estudios anteriores sugirieron que el tamaño, la forma, la relación de aspecto, la resistencia a la tracción, la compacidad, la estabilidad coloidal y la carga eléctrica de los nanomateriales influyeron directamente en su mecanismos de transporte en células vegetales. Estos factores podrían realizar una internalización colaborativa. Basados ​​en el análisis sistémico de los mecanismos de transporte de células vegetales de nanomateriales, podemos diseñar y sintetizar nanoportadores apropiados mediante el establecimiento del modelo matemático del proceso de transporte de nanomateriales en células vegetales.

«En segundo lugar, ¿es necesaria la internalización de nanomateriales para la entrega de genes de plantas? Zhang et al. descubrieron que las nanoesferas de oro que tenían dificultades para ingresar a las células de las plantas aún eran efectivas para administrar ácidos nucleicos. El mecanismo subyacente debe explorarse más a fondo.

«En tercer lugar, ¿pueden los nanomateriales entregar elementos CRISPR-Cas de manera efectiva a las plantas? CRISPR-Cas permite la edición precisa del genoma, mientras que puede degradarse fácilmente (para el ADN) o inactivarse (para la proteína Cas) dentro de las plantas. El uso de nanomateriales para lograr orgánulos específicos la entrega promoverá aún más el desarrollo de la ingeniería genética vegetal.

«Además, la citotoxicidad de los nanomateriales necesita más estudio».

Lea el artículo original en Nanowerk .



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