Representación artística del efecto de editar seis copias del gen TT8 en Camelina sativa. Las semillas con genes TT8 inactivados (derecha) muestran una coloración amarilla, un grosor reducido de la cubierta de la semilla y casi un 22 % más de acumulación de aceite que las semillas de tipo salvaje (izquierda). Crédito: Valérie Lentz/Laboratorio Nacional de Brookhaven
Los científicos aumentaron la producción de aceite de Camelina sativa en un 21,4% editando el gen TT8, allanando el camino para cultivos de biocombustibles más eficientes.
A medida que cobran impulso las iniciativas para lograr emisiones netas de carbono cero procedentes de los combustibles para el transporte, aumenta la necesidad de petróleo procedente de cultivos no alimentarios. Estos cultivos aprovechan la luz solar para transformar el dióxido de carbono atmosférico en aceite, que se almacena en sus semillas. Los mejoradores de cultivos que buscan maximizar la producción de aceite a menudo prefieren las plantas de semillas amarillas porque generalmente producen más aceite que las variedades de semillas marrones en cultivos de semillas oleaginosas como la canola. Esto se debe a una proteína que colorea las semillas de color marrón, ausente en las plantas de semillas amarillas, y que también desempeña un papel clave en la producción de aceite.
Avance en el desarrollo de cultivos para biocombustibles
Ahora, los bioquímicos vegetales del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), que desean aumentar la síntesis de aceites vegetales para la producción sostenible de biocombustibles y otros bioproductos, han aprovechado este conocimiento para crear una nueva variedad de semillas oleaginosas de alto rendimiento. En un artículo que acaba de aparecer en La revista de biotecnología vegetalLa camelina sativa, un pariente cercano de la canola, acumula un 21,4% más de aceite que la camelina normal.
“Si los mejoradores pueden obtener un pequeño porcentaje de aumento en la producción de aceite, lo consideran significativo, porque incluso pequeños aumentos en el rendimiento pueden conducir a grandes aumentos en la producción de aceite cuando se plantan millones de acres”, dijo el bioquímico de Brookhaven Lab, John Shanklin. director del departamento de biología del Laboratorio y jefe de su programa de investigación sobre aceites vegetales. “Nuestro aumento de casi el 22% fue inesperado y podría conducir potencialmente a un aumento dramático en la producción”, dijo.
El equipo de investigación del Brookhaven Lab (de izquierda a derecha): Jin Chai, Jodie Cui, Shreyas Prakash, Xiao-Hong Yu, John Shanklin, Jorg Schwender, Hai Shi y Sanket Anokar. Todos son miembros del departamento de biología del Brookhaven Lab; Prakash y Cui son estudiantes de pregrado en la Universidad de Cornell y la Universidad de Stony Brook, respectivamente, y participan en el Programa de pasantías en laboratorios de ciencias de pregrado patrocinado por el Departamento de Energía de EE. UU. Crédito: Jessica Rotkiewicz/Laboratorio Nacional de Brookhaven
Idea simple, planta inusual.
La idea detrás del desarrollo de esta variedad de camelina de alto rendimiento era simple: imitar lo que sucede en las variedades locales de canola de alto rendimiento y semillas amarillas.
“Los criadores habían identificado plantas con más aceite, algunas de las cuales tenían semillas amarillas, y realmente no les importaba el mecanismo”, dijo Shanklin. Pero una vez que los científicos descubrieron el gen responsable tanto del color amarillo de las semillas como del mayor contenido de aceite, encontraron una manera de aumentar potencialmente la producción de aceite en otros especies.
Edición de genes para mejorar la producción de petróleo.
El gen contiene las instrucciones necesarias para producir una proteína llamada Prueba transparente 8 (TT8), que controla la producción de compuestos que dan, entre otras cosas, a las semillas su color marrón. Es importante destacar que TT8 también inhibe algunos de los genes implicados en la síntesis de aceite.
Xiao-Hong Yu, quien dirigió este proyecto, planteó la hipótesis de que la eliminación de TT8 en la camelina debería liberar la inhibición de la síntesis de petróleo y liberar carbono que podría canalizarse hacia la producción de petróleo.
Deshacerse de un solo gen en la camelina es muy difícil porque esta planta es inusual entre los seres vivos. En lugar de tener dos juegos de cromosomas, es decir, dos copias de cada gen, tiene seis.
“Este genoma ‘hexaploide’ explica por qué no existen variedades naturales de camelina de semillas amarillas”, explicó Yu. “Sería muy poco probable que surgieran mutaciones simultáneamente en las seis copias de TT8 y alteraran completamente su función. »
La edición genética llega al petróleo
Utilizando herramientas genéticas modernas, el equipo de Brookhaven logró eliminar las seis copias de TT8. Utilizaron tecnología de edición de genes conocida como CRISPR/Cas9 para apuntar a secuencias específicas de ADN dentro de los genes TT8. Usaron esta tecnología para dividir el ADN en estos lugares y luego crear mutaciones que desactivaron los genes. Luego, Yu y el equipo realizaron una serie de análisis bioquímicos y genéticos para monitorear los efectos de su edición genética específica.
“El fenotipo de la semilla amarilla que estábamos buscando fue una excelente guía visual para nuestra búsqueda”, dijo Yu. “Nos ayudó a encontrar las semillas que buscábamos al seleccionar menos de 100 plantas, entre las cuales identificamos tres linajes independientes en los que estaban todas ellas”. seis genes fueron alterados. »
Los resultados: el color de la cubierta de la semilla cambió de marrón a amarillo sólo en plantas en las que las seis copias del gen TT8 estaban alteradas. Las semillas amarillas tenían niveles más bajos de compuestos “flavonoides” y “mucílago” (ambos normalmente producidos por vías bioquímicas controladas por TT8) que las semillas marrones de cepas de camelina con genomas no editados.
Además, muchos genes implicados en la síntesis de aceite y la producción de ácidos grasos, los componentes básicos del aceite, se expresaron en niveles elevados en las semillas de las plantas editadas con CRISPR/Cas9. Esto condujo a un aumento dramático en la acumulación de petróleo. Las semillas modificadas contenían otra sorpresa positiva: los niveles de proteína y almidón se mantuvieron sin cambios.
Las mutaciones específicas en TT8 se heredaron en generaciones posteriores de plantas de camelina, lo que sugiere que las mejoras serían estables y duraderas.
“Nuestros resultados demuestran el potencial para crear nuevas líneas de camelina mediante modificación genética, en este caso manipulando TT8 para mejorar la biosíntesis del aceite. Comprender más detalles sobre cómo TT8 y otros factores controlan las vías bioquímicas podría proporcionar objetivos genéticos adicionales para aumentar la producción de petróleo”, dijo Shanklin.
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE, en parte a través de un proyecto titulado “Mejora de la producción de semillas oleaginosas de camelina con fertilización mínima con nitrógeno en sistemas de cultivo sostenibles” dirigido por la Universidad Estatal de Montana; el Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI), un centro de investigación de bioenergía financiado por el DOE y dirigido por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign; y el Programa de Biociencias Físicas de Brookhaven Lab. Los estudiantes apoyados por la Oficina de Ciencias también contribuyeron a esta investigación. Además, los científicos utilizaron un microscopio confocal en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), que opera como una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab.
