Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. y los colaboradores del Laboratorio Cold Spring Harbor (CSHL) han diseñado la lenteja de agua para producir altos rendimientos de aceite.
por el Laboratorio Nacional de Brookhaven
El equipo agregó genes a una de las plantas acuáticas de más rápido crecimiento de la naturaleza para «impulsar» la síntesis de ácidos grasos, «atraer» esos ácidos grasos a los aceites y «proteger» el aceite de la degradación. Como explican los científicos en un artículo publicado en Plant Biotechnology Journal , esta lenteja de agua rica en aceite podría cosecharse fácilmente para producir biocombustibles u otros bioproductos.
El documento describe cómo los científicos diseñaron una cepa de lenteja de agua, Lemna japonica, para acumular aceite en cerca del 10% de su biomasa en peso seco. Eso es un aumento espectacular de 100 veces con respecto a las plantas que crecen en la naturaleza, con rendimientos más de siete veces superiores a los de la soya, la fuente más grande de biodiesel en la actualidad.
«La lenteja de agua crece rápido», dijo el bioquímico de Brookhaven Lab, John Shanklin, quien dirigió el equipo. «Solo tiene pequeños tallos y raíces, por lo que la mayor parte de su biomasa se encuentra en hojas con forma de hoja que crecen en la superficie de los estanques de todo el mundo. Nuestra ingeniería crea un alto contenido de aceite en toda esa biomasa.
«Cultivar y cosechar esta lenteja de agua diseñada en lotes y extraer su aceite podría ser un camino eficiente hacia la producción de aceite renovable y sostenible», dijo.
Dos beneficios adicionales: como planta acuática , la lenteja de agua productora de aceite no competiría con los cultivos alimentarios por las mejores tierras agrícolas. Incluso puede crecer en la escorrentía de las granjas porcinas y avícolas.
“Eso significa que esta planta diseñada podría potencialmente limpiar los flujos de desechos agrícolas a medida que produce petróleo”, dijo Shanklin.
Aprovechando dos instituciones de investigación de Long Island
El proyecto actual tiene sus raíces en la investigación de Brookhaven Lab sobre lentejas de agua de la década de 1970, dirigida por William S. Hillman en el Departamento de Biología. Más tarde, otros miembros del Departamento de Biología trabajaron con el grupo Martienssen en Cold Spring Harbor para desarrollar un método altamente eficiente para expresar genes de otras especies en lentejas de agua, junto con enfoques para suprimir la expresión de los propios genes de las lentejas de agua, según se desee.
A medida que los investigadores de Brookhaven dirigidos por Shanklin y Jorg Schwender durante las últimas dos décadas identificaron los factores bioquímicos clave que impulsan la producción y acumulación de aceite en las plantas, un objetivo era aprovechar ese conocimiento y las herramientas genéticas para tratar de modificar la producción de aceite vegetal. La investigación más reciente, que se informa aquí, probó este enfoque mediante la ingeniería de la lenteja de agua con los genes que controlan estos factores de producción de aceite para estudiar sus efectos combinados.
«El proyecto actual reúne la experiencia de Brookhaven Lab en bioquímica y regulación de la biosíntesis de aceite vegetal con las capacidades genómicas y genéticas de vanguardia de Cold Spring Harbor», dijo Shanklin.
Uno de los genes de producción de aceite identificados por los investigadores de Brookhaven impulsa la producción de los componentes básicos del aceite, conocidos como ácidos grasos . Otro extrae, o ensambla, esos ácidos grasos en moléculas llamadas triacilgliceroles (TAG), combinaciones de tres ácidos grasos que se unen para formar los hidrocarburos que llamamos aceites. El tercer gen produce una proteína que recubre las gotas de aceite en los tejidos de las plantas, protegiéndolas de la degradación.
A partir del trabajo preliminar, los científicos descubrieron que el aumento de los niveles de ácidos grasos desencadenados por el gen «push» puede tener efectos perjudiciales en el crecimiento de las plantas. Para evitar esos efectos, el investigador postdoctoral de Brookhaven Lab, Yuanxue Liang, combinó ese gen con un promotor que puede activarse mediante la adición de una pequeña cantidad de un inductor químico específico.
«Agregar este promotor mantiene el gen impulsor desactivado hasta que agregamos el inductor, lo que permite que las plantas crezcan normalmente antes de activar la producción de ácidos grasos/aceite», dijo Shanklin.
Luego, Liang creó una serie de combinaciones de genes para expresar los factores mejorados de empuje, atracción y protección individualmente, en pares y todos juntos. En el documento, estos se abrevian como W, D y O por sus nombres bioquímicos/genéticos, donde W = empujar, D = tirar y O = proteger.
Los hallazgos clave
La sobreexpresión de cada modificación genética por sí sola no aumentó significativamente los niveles de ácidos grasos en las frondas de Lemna japonica. Pero las plantas diseñadas con las tres modificaciones acumularon hasta un 16 % de su peso seco en forma de ácidos grasos y un 8,7 % en forma de aceite cuando se promediaron los resultados de varias líneas transgénicas diferentes. Las mejores plantas acumularon hasta un 10 % de TAG, más de 100 veces el nivel de aceite que se acumula en las plantas silvestres no modificadas.
Algunas combinaciones de dos modificaciones (WD y DO) aumentaron dramáticamente el contenido de ácidos grasos y la acumulación de TAG en relación con sus efectos individuales. Estos resultados se denominan sinérgicos, donde el efecto combinado de dos genes aumentó la producción más que la suma de las dos modificaciones por separado.
Estos resultados también se revelaron en imágenes de gotas de lípidos en las frondas de las plantas, producidas con un microscopio confocal en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab. Cuando las hojas de lenteja de agua se tiñeron con un químico que se une al aceite, las imágenes mostraron que las plantas con cada combinación de dos genes (OD, OW, WD) tenían una mayor acumulación de gotas de lípidos en relación con las plantas donde estos genes se expresaban individualmente, y también en comparación con las plantas de control sin modificación genética. Las plantas de las líneas OD y OWD tenían grandes gotas de aceite, pero la línea OWD tenía más, lo que producía las señales más fuertes.
«El trabajo futuro se centrará en probar los factores de empuje, atracción y protección de una variedad de fuentes diferentes, optimizando los niveles de expresión de los tres genes inductores de aceite y refinando el momento de su expresión», dijo Shanklin. «Más allá de eso, estamos trabajando en cómo escalar la producción de laboratorio a niveles industriales».
Ese trabajo de ampliación tiene varios objetivos principales: 1) diseñar los tipos de recipientes de cultivo a gran escala para cultivar las plantas modificadas, 2) optimizar las condiciones de crecimiento a gran escala y 3) desarrollar métodos para extraer aceite de manera eficiente a niveles altos.
Más información: Yuanxue Liang et al, Ingeniería de acumulación de triacilglicerol en lenteja de agua (Lemna japonica),
Journal of Plant Biotechnology (2022). DOI: 10.1111/pbi.13943
