Científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge han desarrollado el primer método para detectar ácido ribonucleico, o ARN, en células vegetales mediante una técnica que produce una señal fluorescente visible.
por Stephanie Seay, Laboratorio Nacional de Oak Ridge
Esta tecnología puede ayudar a los investigadores a detectar y rastrear cambios en el ARN y la expresión génica en tiempo real, lo que proporciona una herramienta poderosa para el desarrollo de cultivos bioenergéticos y alimentarios más resistentes, así como para la detección de modificaciones indeseadas en las plantas, patógenos y plagas.
El ARN es una molécula de señalización celular que se utiliza para leer el código desoxirribonucleico (ADN) y convertirlo en componentes funcionales, como proteínas, esenciales para el crecimiento de las plantas y la respuesta al estrés . El biosensor desarrollado por ORNL monitoriza continuamente los niveles de ARN en plantas vivas, reemplazando así el método tradicional, destructivo y laborioso, empleado por los científicos para recolectar, procesar y analizar tejido.
«Con este biosensor, los científicos obtienen información en tiempo real sobre cómo las células se reprograman a nivel molecular en condiciones ambientales cambiantes, como sequías o enfermedades», afirmó Xiaohan Yang, líder del proyecto en ORNL. Este enfoque optimiza los métodos tradicionales utilizados para verificar la expresión génica en plantas modificadas y permite detectar mejor la fisiología vegetal relacionada con enfermedades o estrés nutricional, acelerando el desarrollo de mejores cultivos.
El biosensor consiste en dividir una ribozima, una molécula de ARN que actúa como enzima para catalizar el empalme del ARN dentro de una célula, en dos fragmentos inactivos. Los científicos del ORNL unieron los fragmentos de ribozima para guiar secuencias de ARN diseñadas para unirse a un ARN diana específico dentro de la célula vegetal.
Cuando el ARN guía encuentra su objetivo, los dos fragmentos de ribozima se reúnen y se activan. Esto desencadena el ensamblaje de una proteína reportera que produce una fluorescencia visible, revelando la ubicación y abundancia del ARN en la planta. Los hallazgos del equipo se detallan en la revista Plant Biotechnology Journal .
Los científicos demostraron con éxito cómo funcionaba el biosensor para detectar un virus que infectaba una planta de tabaco. Al implementarlo en otra planta, Arabidopsis, el biosensor reveló cómo se activan y desactivan los genes dentro de las células. El sistema puede detectar la actividad genética a diferentes escalas, desde células individuales hasta el tejido de toda la planta, incluyendo hojas, raíces, flores y tallos.
«Es útil para los investigadores poder ver cuándo y dónde una planta comienza a reprogramarse en respuesta a condiciones como la sequía», dijo Paul Abraham, coautor, químico bioanalítico y gerente del Área de Enfoque en Ciencias de Diseño e Ingeniería de Ecosistemas Seguros del DOE, o SEED SFA, dirigido por ORNL.
«Podemos entonces analizar con precisión lo que sucede a nivel molecular . Con herramientas como esta, podemos lograr una comprensión más completa de lo que sucede a nivel celular y cómo se traduce en las vías metabólicas de toda la planta».
Permitiendo el monitoreo en tiempo real de nuevas variedades de cultivos
«El biosensor hace avanzar la ciencia vegetal de múltiples maneras», dijo Jerry Tuskan, coautor y director del Centro para la Innovación en Bioenergía del DOE dirigido por ORNL.
Su versatilidad abarca desde la perspectiva de la ciencia fundamental, que busca mejorar la genómica funcional, hasta su uso práctico como herramienta para evaluar el rendimiento de las plantas y detectar tempranamente patógenos u otras respuestas al estrés, incluso antes de que dichos impactos provoquen cambios externos en la planta.
Los científicos vegetales y biólogos sintéticos del ORNL han logrado múltiples avances en la transformación vegetal, incluyendo el descubrimiento de genes que confieren tolerancia a la sequía y un crecimiento vegetal significativo , el desarrollo de biosensores para detectar la edición genética CRISPR y una tecnología de apilamiento genético para acelerar el desarrollo de nuevas variedades vegetales. El trabajo se centra en innovaciones para biocombustibles, productos químicos y materiales domésticos y asequibles, y continúa la larga trayectoria de investigación biológica y genética del ORNL.
«El descubrimiento del ARN mensajero se originó con el trabajo de biólogos y químicos del ORNL en la década de 1950, utilizando técnicas desarrolladas durante nuestro trabajo en el Proyecto Manhattan», dijo Paul Langan, director asociado de laboratorio de la Dirección de Ciencias de Sistemas Biológicos y Ambientales del ORNL.
Hoy seguimos innovando en el campo de la biología molecular. Este nuevo método de biodetección, desarrollado por nuestros científicos, puede rastrear modificaciones del ARN, lo que permite obtener mejores cultivos para la producción de energía y la abundancia de alimentos.
Más información: Yang Liu et al., Un sistema de ribozima dividida para la obtención de imágenes de ARN de plantas in vivo y la ingeniería genética, Plant Biotechnology Journal (2025). DOI: 10.1111/pbi.14612
