Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) han modificado genéticamente con éxito una proteína vegetal que es responsable de la acumulación de aceite en semillas de plantas y nueces comestibles.
por la Universidad Tecnológica de Nanyang
Demostrando su método pendiente de patente, la planta modelo Arabidopsis acumuló entre un 15 y un 18 % más de aceite en sus semillas cuando se cultivó con la proteína modificada en condiciones de laboratorio.
Encontrar formas de hacer que los cultivos produzcan más aceite en sus semillas es un santo grial para la industria agrícola. Sin embargo, la mayoría de los cultivos productores de aceite, como la palma aceitera, la soja, el girasol, la colza y el maní, ya tienen un alto porcentaje de aceite en sus frutos o semillas, y es difícil aumentar su contenido de aceite a través de métodos tradicionales de cruzamiento de cultivos.
Los aceites vegetales se utilizan comúnmente en el procesamiento de alimentos , biocombustibles, jabones y perfumes, y se estima que el mercado mundial para ellos tendrá un valor de 241 400 millones de dólares estadounidenses en 2021 y se espera que aumente a 324 100 millones de dólares estadounidenses para 2027. Las plantas también podrían ayudar al mundo en su búsqueda de la sostenibilidad, ayudando a reducir la cantidad de tierra cultivable necesaria para los cultivos que producen aceite.
El secreto para ayudar a las plantas a almacenar más aceite en sus semillas es una de sus proteínas llamada WRINKLED1 (WRI1). Los científicos saben desde hace más de dos décadas que WRI1 juega un papel importante en el control de la producción de aceite de semillas de plantas.
Ahora, por primera vez, el equipo de la NTU, dirigido conjuntamente por el profesor asociado Gao Yonggui y el profesor asistente Ma Wei de la Facultad de Ciencias Biológicas, ha obtenido imágenes e informado de una estructura de alta resolución de WRI1.
Publicado en la revista Science Advances , el equipo detalló la estructura molecular de WRI1 y cómo se une al ADN de la planta, lo que le indica a la planta cuánto aceite debe acumular en sus semillas.
Sobre la base de la comprensión que reveló la estructura atómica del complejo WRI1-DNA, el equipo modificó WRI1 para mejorar su afinidad por el ADN en un intento por mejorar la producción de aceite. En este enfoque, se seleccionaron algunas porciones de WRI1 para modificarlas a fin de mejorar su unión al ADN y se produjeron varias formas de WRI1.
Estos candidatos a WRI1 se probaron más a fondo para evaluar su capacidad para activar la producción de aceite en las células vegetales. Como esperaba el equipo, demostraron que sus versiones modificadas de WRI1 aumentaron diez veces la unión al ADN en comparación con el WRI1 original, lo que finalmente llevó a un mayor contenido de aceite en sus semillas.
Asoc. El profesor Gao, biólogo estructural, dijo: «Poder ver exactamente cómo se ve WRI1 y cómo se une al ADN responsable de la producción de aceite en la planta fue la clave para comprender todo el proceso. WRI1 es un regulador esencial que informa a la planta cuánto aceite almacenar en sus semillas. Una vez que pudimos visualizar el ‘bloqueo’, diseñamos la ‘llave’ que puede desbloquear el potencial de WRI1».
Cómo funciona la modificación de WRI1
Al analizar a nivel atómico, la estructura cristalina de la proteína WRI1 y las hebras de ADN de doble hélice a las que se une, el equipo notó que este dominio de unión al ADN estaba ampliamente conservado. Esto significa que hubo pocas o ninguna variación, lo que sugiere que podría ser un mecanismo de unión común para muchas especies de plantas.
Usando esta estructura cristalina de WRI1 como el «objetivo», el equipo luego buscó modificar WRI1 para mejorar la afinidad de unión de la proteína por su ADN objetivo. Las instrucciones para codificar esta proteína WRI1 modificada se introducen luego en las células de la planta objetivo, después de lo cual la planta utilizará este nuevo «conjunto de instrucciones» cada vez que produzca WRI1.
En experimentos de laboratorio para observar cómo el WRI1 modificado afecta la acumulación de aceite, tanto la proteína modificada como la forma no modificada se inyectaron en hojas de Nicotiana benthamiana, y se llevó a cabo un análisis de los niveles de triacilglicerol (una forma importante de lípidos en la dieta en grasas y aceites). La proteína WRI1 modificada generó picos más significativos en la producción de triacilglicerol en comparación con la planta de control introducida con la forma no modificada de WRI1.
Experimentos posteriores mostraron que el contenido de aceite en las semillas de la Arabidopsis thaliana modificada contenía más aceite que la forma no modificada. La descendencia de esta planta genéticamente modificada también tendrá la misma proteína WRI1 modificada y producirá más aceite en sus semillas.
Asistente El profesor Ma, un biólogo molecular de plantas que ha estado estudiando WRI1 desde su formación posdoctoral, dijo que modificar WRI1 para mejorar su unión al ADN era un paso lógico para el equipo.
«Sabemos que WRI1 es una proteína que se une a la secuencia de ADN de una planta y desencadena una cadena específica de instrucciones que regula la acumulación de aceites en las semillas. Cuanto más fuerte sea la unión, más aceite concentrará la planta en sus semillas. Por lo tanto, , elegimos mejorar esta porción de WRI1 que se une a su ADN objetivo, que está altamente conservado en muchas plantas con semillas. Estar altamente conservado significa que muchas especies de plantas tendrán exactamente el mismo mecanismo que puede modificarse, por lo que deberíamos estar capaz de traducir nuestra modificación de rendimiento de aceite fácilmente a muchos tipos diferentes de cultivos en el futuro», explicó el profesor adjunto Ma.
«El aceite de semilla vegetal es vital para la dieta humana y se usa en muchas aplicaciones industriales importantes. La demanda mundial de aceite vegetal está aumentando muy rápidamente y nuestra investigación contribuye a los esfuerzos para mejorar la producción de aceite de semilla de manera sostenible y reducir potencialmente el impacto ambiental. de agricultura», Asst. Agregó el profesor Ma.
En el futuro, el equipo ha presentado una patente para su método de modificación genética a través de NTUitive, la oficina de innovación y empresa de la Universidad, y está buscando socios de la industria para comercializar su invención.
Esta investigación está alineada con el plan estratégico NTU2025 y el Manifiesto de Sostenibilidad de la Universidad, donde tiene como objetivo investigar y desarrollar nuevas tecnologías hacia un futuro más verde.
En un comentario de un experto independiente, el profesor William Chen, presidente de Michael Fam, director del Programa de Ciencia y Tecnología de los Alimentos de la NTU, dijo que hay algunas maneras de abordar el hambre en el mundo , incluso aumentando la cantidad de alimentos producidos o aumentando las calorías y el valor nutricional de el alimento producido.
«En un mundo que tiene tierras cultivables limitadas para la agricultura, se requieren tecnologías avanzadas para producir más alimentos con mayor valor nutricional si esperamos combatir el hambre en el mundo. Cuando podemos aumentar el contenido de grasa en semillas y nueces comestibles, una persona puede comer una menor cantidad, pero aún se sienten llenos, debido al aumento en las calorías consumidas», dijo el profesor Chen, un experto en seguridad alimentaria que no participó en este estudio.
«Entonces, en lugar de cultivar más cultivos para alimentar a más personas, también deberíamos buscar métodos en los que los cultivos tengan más calorías y nutrición, de modo que la misma cantidad de alimentos pueda alimentar a más personas».
Más información: Zhu Qiao et al, Base molecular del regulador clave WRINKLED1 en la biosíntesis de aceite vegetal, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq1211
