A medida que la población mundial crece, la demanda de alimentos y energía aumenta, a pesar de que los fenómenos meteorológicos extremos hacen que los cultivos sean más vulnerables al estrés.
por Julie Wurth, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Si bien el mejoramiento tradicional requiere años para desarrollar cultivos más resilientes, la bioingeniería vegetal ofrece una forma más rápida y precisa de mejorar las características para obtener mayores rendimientos y una mejor tolerancia al estrés.
Pero diseñar plantas para mejorar sus características útiles es un proceso complejo que exige mucho tiempo y trabajo.
En un gran avance, un equipo del Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI) encontró la manera de acelerar este proceso mediante robots. Los investigadores implementaron una biofundición —un laboratorio que integra robótica, diseño asistido por computadora e informática— para crear plantas genéticamente modificadas y la utilizaron para aumentar la producción de aceite en células vegetales e incluso en plantas enteras.
Este proceso rápido, automatizado, escalable y de alto rendimiento para la bioingeniería vegetal, o FAST-PB, puede ampliarse para mejorar la velocidad y la productividad de la biología vegetal sintética, la edición genómica y la ingeniería metabólica. Este avance ayudará a los científicos a mejorar rápidamente características valiosas de las plantas, como el aumento de la producción de aceite y la optimización de la fotosíntesis.
«Si podemos usar robots para la bioingeniería vegetal, eso marcará una gran diferencia. Automatizar la transformación de las plantas nos permitirá desarrollar mejores cultivos bioenergéticos y hacerlo con mayor rapidez», afirmó Matthew Hudson, coinvestigador principal de CABBI y profesor del Departamento de Ciencias de los Cultivos y del Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica (IGB) de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Este estudio, publicado en The Plant Cell, fue dirigido por un equipo de científicos del CABBI en Illinois, en colaboración con investigadores de la Universidad de Nebraska-Lincoln (UNL) y el Laboratorio Nacional de Brookhaven, quienes también forman parte del CABBI, un Centro de Investigación de Bioenergía del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). En Illinois, Hudson colaboró con el autor principal y científico investigador Jia Dong, de Ciencias Agrícolas e IGB; el coinvestigador principal Jonathan Sweedler, profesor del Departamento de Química e IGB; el doctorando Seth Croslow, de Química; y el coinvestigador principal Huimin Zhao, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular e IGB; entre otros investigadores.
El equipo de CABBI se centró en la ingeniería vegetal para mejorar la producción de lípidos vegetativos, una vía prometedora para mejorar la producción global de aceite vegetal sin necesidad de aumentar el uso de fertilizantes ni el uso del suelo . Lograr una producción estable de lípidos en los tejidos de la biomasa vegetal requiere la ingeniería y la expresión de múltiples genes, y la creación de prototipos de estas construcciones multigénicas es un paso clave en el desarrollo de cultivos bioenergéticos de próxima generación.
Para superar este obstáculo, el equipo utilizó la Fundición Biológica de Illinois para Biofabricación Avanzada (iBioFAB) del IGB. Las biofundidoras mejoran la eficiencia y reducen el tiempo y la mano de obra necesarios para estos experimentos. La iBioFAB se ha utilizado con éxito para automatizar otros procesos de biología sintética, como el ensamblaje de plásmidos, la edición genómica de levaduras y el descubrimiento de antimicrobianos, lo que allana el camino para su aplicación en tecnologías de edición genómica vegetal.
El equipo de CABBI combinó iBioFAB con la metabolómica unicelular para diseñar genomas vegetales y caracterizar los efectos celulares, algo nunca antes logrado. La metabolómica es el estudio de los procesos químicos que involucran metabolitos, los productos moleculares del metabolismo celular, a veces denominados huellas químicas.
Los investigadores crearon tres procesos automatizados utilizando los múltiples robots de la biofundición para acelerar el diseño y la prueba de cambios genéticos en plantas. El primero implicó automatizar el aislamiento de protoplastos y la edición genética, lo que permitió a los científicos estudiar rápidamente las funciones genéticas en células vegetales sin pared celular. Los investigadores también automatizaron el cultivo de tejidos vegetales, lo que impulsó la producción de lípidos y les permitió crear plantas modificadas genéticamente. Los resultados mostraron un aumento significativo en la cantidad y el tamaño de las gotas de aceite en las plantas modificadas.
El tercer proceso combinó la biofundición automatizada con un método llamado espectrometría de masas de células individuales (MALDI-MS), que permite a los científicos medir todas las sustancias químicas presentes en las células. Utiliza el análisis de datos asistido por IA para distinguir eficazmente entre células con edición genética y células sin editar.
«El análisis de las diferencias químicas entre células vegetales individuales nos permite medir características deseadas de la planta, como la producción de lípidos, sin el efecto de confusión que supone utilizar poblaciones de células», afirmó Sweedler.
FAST-PB revoluciona la bioingeniería vegetal al integrar la automatización, la biología sintética y la lipidómica de células individuales, acelerando drásticamente la edición del genoma y la ingeniería metabólica, marcando el comienzo de una nueva era de transformación de plantas de alto rendimiento e impulsada por la precisión.
«Nuestro trabajo representa un avance fundamental en la bioingeniería vegetal, ya que reduce la mano de obra, el tiempo y los costos, a la vez que acelera los descubrimientos en genómica vegetal y biología sintética», afirmó Dong. «Esto significa que podemos crear rápidamente plantas que produzcan más alimentos y bioenergía, contribuyendo así a la seguridad alimentaria y energética, a reducir la dependencia de combustibles importados y a construir un sistema agrícola más rentable».
La producción a gran escala de biocombustibles depende de la mejora de las fuentes de energía de origen vegetal. Al automatizar pasos clave, esta investigación acelera el desarrollo de cultivos bioenergéticos con mayor producción de aceite, resiliencia y eficiencia, allanando el camino para una producción de biocombustibles más resiliente y escalable.
Los avances respaldan el objetivo de CABBI de mejorar los biocombustibles de origen vegetal al permitir modificaciones más rápidas y eficientes en las vías metabólicas clave. La capacidad de aumentar la producción de aceite vegetal mediante la transformación automatizada y la edición y cribado genómico de alto rendimiento se alinea con el objetivo de CABBI de producir biocombustibles y bioproductos resilientes de forma más eficiente.
En términos más generales, el trabajo contribuye al desarrollo de estrategias escalables, rentables y automatizadas para optimizar los cultivos bioenergéticos. Al reducir el tiempo, la mano de obra y los costos asociados con la transformación de plantas y la ingeniería metabólica, esta investigación acelera el desarrollo de cultivos bioingenierizados con mejor almacenamiento de energía, resiliencia y rendimiento, lo que, en última instancia, impulsa la transición hacia una economía más basada en la biotecnología.
Otros coautores de este estudio incluyen al co-investigador principal de CABBI, Edgar Cahoon, y al investigador asociado sénior Kiyoul Park en la UNL; al co-investigador principal de CABBI, John Shanklin, y a Jantana Blanford en Brookhaven; y a Stephan Lane, Daniel C. Castro, Shuaizhen Zhou, Steven Burgess y Mike Root en Illinois.
Más información: Jia Dong et al., Mejora de la producción de lípidos en células vegetales mediante ingeniería genómica y fenotipado automatizados de alto rendimiento, The Plant Cell (2025). DOI: 10.1093/plcell/koaf026 . academic.oup.com/plcell/articl…irectedFrom=fulltext . En bioRxiv : www.biorxiv.org/content/10.110….05.29.596527v1.full
