Se presenta una herramienta de edición del genoma de plantas de próxima generación

La edición del genoma es uno de los avances científicos más transformadores de nuestro tiempo. Nos permite sumergirnos en el código de la vida y realizar ajustes precisos. Imagine poder reescribir las instrucciones genéticas que determinan un organismo: cómo se ve, se comporta, interactúa con su entorno y todo lo relacionado con sus características únicas. Este es el poder de la edición del genoma.

Utilizamos herramientas de edición del genoma para manipular las secuencias genéticas de microbios, animales y plantas. ¿Nuestra meta? Desarrollar las características deseadas y eliminar las no deseadas. El impacto de esta tecnología traerá rápidos avances y soluciones en biotecnología, terapéutica humana y agricultura.

Las proteínas más utilizadas en la edición del genoma son Cas9 y Cas12a. Estas proteínas son como las tijeras del mundo genético y nos permiten cortar y editar el ADN. Sin embargo, son bastante voluminosos y contienen entre 1.000 y 1.350 aminoácidos. Las tecnologías de edición avanzadas, como la edición base y la edición principal, requieren la fusión de proteínas adicionales con Cas9 y Cas12a, haciéndolas aún más grandes. Esta cantidad plantea un desafío para entregar eficientemente estas proteínas a las células donde reside el material genético.

Pero ahora tenemos un desarrollo interesante: una alternativa en miniatura que promete superar esta limitación. En nuestro último artículo Revista de biotecnología vegetalHemos presentado TnpB, una herramienta de próxima generación más pequeña pero más eficiente para la edición del genoma en plantas.

Los TnpB son progenitores menores de la nucleasa Cas12.

Las proteínas TnpB son nucleasas asociadas a transposones guiadas por ARN. Se consideran los ancestros evolutivos de las nucleasas Cas12. Aunque TnpB es funcionalmente similar a Cas12a, es más compacto, con un recuento total de aminoácidos de 350 a 500. Para ponerlo en perspectiva, TnpB tiene aproximadamente un tercio del tamaño de Cas9 y Cas12a. Si Cas9 y Cas12a son como balones de fútbol, ​​los TnpB son como pelotas de béisbol.

Desarrollamos un editor de genoma hipercompacto utilizando la nucleasa TnpB de Deinococcus radioduran. Esta bacteria es conocida por su capacidad para sobrevivir en ambientes extremos y su notable resistencia a la radiación. Nuestro TnpB, derivado de D. radiodurans, tiene sólo 408 aminoácidos de longitud.

Un pequeño ARN actúa como guía para el TNPB, dirigiéndolo hacia la secuencia de ADN objetivo. Especificado por este ARN, el TNPB se une al objetivo y escinde ambas hebras del ADN. Cuando la célula vuelve a sellar los extremos rotos, pueden ocurrir inserciones o eliminaciones de caracteres de ADN sin darse cuenta. Estas inserciones o eliminaciones conducen a la modificación de secuencias genéticas.

Existe un nivel adicional de especificidad: la secuencia diana debe ser adyacente a una secuencia de motivo asociado a transposones (TAM). Este TAM es idéntico a la secuencia PAM de Cas9 y Cas12. Para TnpB de D. radiodurans, el TAM específico es TTGAT, que debe estar aguas arriba de la secuencia objetivo. En ese sentido, TnpB puede acceder a loci genómicos a los que Cas9 no puede llegar.

Reutilización de TnpB para la edición del genoma de plantas

Primero optimizamos codones la proteína TnpB para desarrollar un editor de genoma para sistemas vegetales. También optimizamos la combinación de elementos reguladores para generar suficiente ARN guía para la edición del genoma vegetal de alta eficiencia. Al probar cuatro versiones diferentes de sistemas de vectores de edición del genoma en protoplastos de arroz, identificamos la versión más eficiente.

El arroz es una monocotiledónea y los sistemas que funcionan bien en monocotiledóneas pueden no funcionar bien en dicotiledóneas. Por lo tanto, generamos vectores TnpB específicos de dicotiledóneas y demostramos una edición exitosa en Arabidopsis. Curiosamente, observamos que las eliminaciones en el locus objetivo ocurrieron con mayor frecuencia tanto en arroz como en Arabidopsis. Esto hace que TnpB sea adecuado para alterar eficazmente las funciones genéticas. TnpB ahora se puede utilizar para introducir mutaciones genéticas para eliminar elementos antinutrientes, aumentar el contenido de nutrientes, alterar genes no deseados para la resistencia al estrés biótico y abiótico, y más.

TnpB muerto para activación genética e intercambio de letras de ADN únicas

TnpB en su forma nativa actúa como una tijera programable, que también puede adaptarse para reclutar factores que activan genes. Al inactivar su capacidad de corte, desarrollamos TnpB inactivado (dTnpB). dTnpB conserva la capacidad de unirse al ADN objetivo especificado por el ARN guía. Luego fusionamos dTnpB con proteínas de carga adicionales para canalizarlas hacia genes diana, haciendo que estos genes sean más activos. Este activador estimula la función genética, allanando el camino para crear mejores cultivos en el futuro.

En consecuencia, fusionamos otra proteína de carga con DTNPB para desarrollar una herramienta capaz de cambiar una letra de ADN por otra. Esta herramienta de precisión permite la innovación de cultivos al alterar el código genético con una resolución de un solo carácter.

Estamos utilizando este editor de genoma en miniatura para crear plantas de arroz con mayor rendimiento y mayor resiliencia climática. Nuestra investigación destaca a TnpB como una herramienta versátil y prometedora para la ingeniería del genoma vegetal. Anticipamos que los biólogos vegetales, los biotecnólogos y los mejoradores adaptarán TnpB para su uso en una variedad de cultivos.

Esta historia es parte de Science X Dialogue, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre el Diálogo Ciencia X y cómo participar.

Dr. Qutubuddin Mollah es un científico especializado en biotecnología agrícola en el ICAR-Instituto Nacional de Investigación del Arroz (NRRI) en Cuttack, India. Obtuvo su doctorado. de la Universidad de Calcuta, Kolkata. Dr. Molla realizó una investigación postdoctoral en la Universidad Estatal de Pensilvania con una beca Fulbright.

Dr. Los intereses de investigación de Molla incluyen la edición genómica de precisión, CRISPR-Cas y otras técnicas avanzadas para la mejora de cultivos. Su laboratorio en NRRI se dedica a desarrollar nuevas herramientas de edición del genoma y aplicarlas para mejorar el rendimiento de los cultivos.