La mejora genética de las plantas es esencial para garantizar la seguridad alimentaria global, incrementando los rendimientos de los cultivos, mejorando su calidad nutricional y desarrollando variedades que puedan adaptarse al cambio climático. Sin embargo, los métodos actuales de transformación de plantas presentan importantes obstáculos: son laboriosos, costosos y no funcionan para muchas especies vegetales de gran relevancia.
Un estudio innovador liderado por la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) ha superado estas limitaciones, presentando un método optimizado para la edición del genoma en plantas, que no solo es hereditable, sino que además no introduce genes extraños en las plantas editadas. Este avance ha sido publicado en la revista Nature Plants.
El equipo de investigación, que cuenta con la colaboración de Jennifer Doudna, co-inventora del sistema CRISPR-Cas9, y Jill Banfield de la Universidad de California en Berkeley, ha diseñado un virus de rizo del tabaco que transporta una enzima compacta similar a CRISPR, llamada ISYmu1, para dirigirse a secuencias de ADN específicas en la planta modelo Arabidopsis thaliana. Lo más relevante es que los cambios genéticos pueden transmitirse a futuras generaciones sin dejar rastro del virus ni de ADN foráneo en la planta editada.
Desarrollo de un nuevo sistema de edición genética
El equipo de investigación ha logrado desarrollar un sistema CRISPR miniaturizado que utiliza el virus de rizo del tabaco para entregar herramientas de edición genética directamente a las células reproductivas de la planta Arabidopsis thaliana, generando cambios genéticos que se heredan en las generaciones posteriores.
La mejora en la edición genética de las plantas ha enfrentado un cuello de botella crítico por la dificultad de entregar eficientemente las herramientas de edición a las células correctas. Los métodos tradicionales requieren técnicas complejas de laboratorio donde se cultivan tejidos vegetales en condiciones específicas, modificando una célula a la vez y luego regenerando plantas completas, un proceso que puede llevar años y que no resulta viable para muchos cultivos valiosos, como el frijol común.
Los virus vegetales son un mecanismo de entrega eficaz, pero los sistemas CRISPR convencionales son demasiado grandes para ser empaquetados dentro de estos virus. Este nuevo estudio ha superado esta limitación de tamaño utilizando una enzima de corte de ADN similar a CRISPR que es suficientemente pequeña para caber dentro del virus de rizo del tabaco.
Después de realizar una selección de varios sistemas CRISPR miniaturizados en células vegetales, el equipo identificó la enzima compacta ISYmu1 como la herramienta de edición genética más efectiva. Posteriormente, modificaron el virus de rizo del tabaco para que transportara este editor diminuto y utilizaron una bacteria del suelo para introducir el virus en las plantas de Arabidopsis thaliana. Una vez dentro, el virus se propagó por toda la planta, entregando el sistema CRISPR en todos los lugares que alcanzaba.
La edición exitosa generó un marcador visual claro: las áreas afectadas se tornaron blancas, incluyendo las plántulas, confirmando que las modificaciones alcanzaron a las células reproductivas. Dado que las plantas bloquean naturalmente el ingreso de virus a las semillas, solo la modificación del ADN se transmite a las semillas y se hereda por la siguiente generación.
Este sistema permite, en un solo paso y en solo una generación, la creación de plantas totalmente normales, excepto por el único cambio de ADN previsto. Este enfoque representa el inicio de una nueva generación de herramientas de edición del genoma que podría revolucionar la mejora de cultivos. Si la edición se hace más eficiente en plantas donde las modificaciones actuales son viables y se logra en plantas previamente inmodificables, se podría acelerar el desarrollo de cultivos con mayores rendimientos, perfiles nutricionales mejorados y mejor adaptación al cambio climático.
El virus de rizo del tabaco tiene la capacidad de infectar más de 400 especies de plantas, lo que sugiere que este sistema podría ser aplicable a tomates y potencialmente a muchos otros cultivos importantes. Con un trasfondo en la agricultura, el investigador principal del estudio, Steven Jacobsen, ha expresado su interés en aplicar esta tecnología a cultivos menos favorecidos en países en desarrollo, donde las técnicas tradicionales de edición del genoma no están accesibles.
El equipo de investigación ya está en el proceso de probar esta tecnología en otras plantas, incluidos cultivos de gran importancia. Actualmente, el sistema solo permite realizar un cambio en el ADN de la planta a la vez. Uno de los próximos pasos es desarrollar la capacidad de multiplexión, que permitiría realizar múltiples ediciones del genoma simultáneamente, así como mejorar la eficiencia del sistema CRISPR y aumentar la frecuencia de infección para aumentar drásticamente las tasas de éxito en la edición genética.
