En electrónica, incluso el ordenador más avanzado es una compleja disposición de piezas simples y modulares que controlan funciones específicas; el mismo circuito integrado puede encontrarse en un iPhone o en un avión. Los científicos de la Universidad Estatal de Colorado están creando esta misma modularidad en las plantas, diseñando «circuitos» de genes que controlan características específicas de las plantas: color, tamaño, resistencia a la sequía, etc.
Este campo interdisciplinar relativamente nuevo es la biología sintética, que consiste en diseñar circuitos genéticos, como los de la electrónica, que controlan diferentes funciones y pueden colocarse fácilmente en un organismo o en otro. La mayoría de los biólogos sintéticos actuales trabajan con microorganismos simples, como E. coli o la levadura.
Abordar la complejidad de las plantas
Un equipo de la CSU dirigido por June Medford, profesora de biología, y Ashok Prasad, profesor asociado de ingeniería química y biológica, está haciendo lo mismo, pero en el mundo biológico mucho más complejo de las plantas.
La ingeniería genética vegetal tradicional consiste en insertar o modificar genes que controlan determinadas características. Los biólogos sintéticos de plantas actuales adoptan un enfoque diferente.
«Estamos analizando cuantitativamente las partes del gen para poder hacer funciones predecibles», dijo Medford. Utilizando la analogía del teléfono móvil, «Apple no fue a reinventar un circuito para construir el nuevo iPhone; tomaron un circuito existente y lo ajustaron», dijo. «Una vez que tienes la cuantificación, y la física del dispositivo de las partes caracterizadas, puedes usar un ordenador para decirte cómo juntarlas».
Las plantas, en particular, plantean un problema especial, añadió Prasad. «No sólo su biología es mucho más complicada que la de los microorganismos unicelulares, sino que además crecen y se desarrollan lentamente. En consecuencia, el mero hecho de probar diferentes circuitos genéticos se convierte en una gran empresa».
Cientos de circuitos a la vez
Para hacer frente a este problema, han inventado un método para caracterizar no uno o dos, sino cientos de circuitos genéticos a la vez que controlan las funciones de las plantas. Primero tuvieron que crear un plano para la construcción de las piezas: las partes de la célula que componen los eventuales circuitos. Para las pruebas, utilizaron protoplastos, que son células vegetales a las que se les han quitado las paredes, por lo que son pequeñas manchas de citoplasma.
El nuevo método de los investigadores, publicado en Nature Methods el 16 de noviembre, allanará el camino para desarrollar y examinar cientos de circuitos genéticos, abriendo la puerta a nuevos desarrollos rápidos en la biología sintética de las plantas.
Sin embargo, los protoplastos son delicados, por lo que los ingenieros emplearon un modelo matemático que tenía en cuenta todas las propiedades especiales de cada protoplasto. La realización de intensos análisis de datos y simulaciones les llevó a aislar las propiedades de los protoplastos individuales, un logro importante.
Demostraron su método con la planta Arabidopsis, con posterior validación en la especie de grano alimenticio Sorghum bicolor – demostrando su técnica con una especie comercialmente relevante.
Los científicos recibieron una subvención del Departamento de Energía para trabajar en un circuito específico que, una vez completado, actuará como un interruptor duro que enciende y apaga una función genética específica.
Esfuerzo de colaboración
La coautora Katherine Schaumberg y el coautor Wenlong Xu, ambos estudiantes de postgrado en ingeniería biomédica, se encargaron de todo el análisis de datos del proyecto y ayudaron a desarrollar el modelo matemático.
El coprimer autor y profesor asistente de investigación Mauricio Antunes ayudó a desarrollar la plataforma experimental para los experimentos con protoplastos, mientras que los asociados postdoctorales Tessema Kassaw y Christopher Zalewski también desempeñaron un papel crucial en los experimentos y el análisis.
«Esta fue una verdadera colaboración en la que ambas partes participaron plenamente en todo el esfuerzo, y debería ser un modelo para las colaboraciones entre modeladores computacionales y biólogos experimentales», dijo Prasad.