¿Plantas programables? Ingeniería de sistemas de control del crecimiento de plantas – Whitman Wire

Hamburguesas vegetales que sangran, microbios que producen seda de araña anormalmente fuerte, mascarillas con sensor CRISPR para detectar el SARS-CoV-2 y plantas que pueden programarse como computadoras: los productos de la investigación en biología sintética a veces parecen dispositivos enviados desde el futuro. Sin embargo, están cambiando lo que comemos, cómo nos curamos, cómo vestimos y cómo cuidamos nuestro medio ambiente.

En los últimos años, el campo de la biología sintética ha crecido exponencialmente, en parte debido a avances en herramientas como la secuenciación del ADN y la edición del genoma. Sus aplicaciones abarcan las áreas de medicina, agricultura, ciencia de los alimentos, medio ambiente y materiales, atrayendo el interés no solo de investigadores de ciencias biológicas, sino también de ingenieros, grupos de expertos tecnológicos y de los sectores público y privado. inversores.

La biología sintética utiliza principios de ingeniería para diseñar sistemas vivos que resuelvan problemas humanos. Al adoptar un enfoque de diseño, construcción y prueba, se diferencia de otras subdisciplinas de la biología que siguen el método científico tradicional de desarrollar hipótesis a partir de la observación de sistemas naturales. En lugar de aprender a manipular y diseñar mediante la observación, los biólogos sintéticos construyen para aprender.

Diseñar el material genético de organismos para que tenga nuevas características es una característica fundamental de la biología sintética. Se utiliza en el campo de la medicina para producir nuevos compuestos medicinales con células diseñadas o aumentar el rendimiento de productos naturales, creando circuitos genéticos para atacar tumores e incluso reingeniería de una estructura de inyección encontrado en bacterias para entregar proteínas personalizables a las células lo que podría ayudarnos a superar el desafío de la administración de fármacos específicos de células.

Los nuevos descubrimientos derivados del crecimiento de la biología sintética como campo también se están utilizando en el ámbito de la agricultura y el medio ambiente para ingeniero Los organismos utilizan dióxido de carbono, producen biocombustibles para vehículos y transforman el metano en plásticos biodegradables.. También se está utilizando para diseñar cultivos que puedan producir mayores rendimientos en condiciones de cultivo cada vez más duras, lo que podría ser clave para nuestra capacidad de seguir cultivando alimentos en un clima cambiante.

El desafío de controlar el crecimiento de las plantas es el foco central de investigación del profesor asociado de biología, bioquímica, biofísica y biología molecular Brit Moss. Ella estudia una hormona llamada auxina, que coreografía muchas características de crecimiento de las plantas. Como un conductor, la auxina orquesta los patrones de crecimiento en diferentes partes de las plantas. ¿Has notado cómo tu planta de interior crece hacia la ventana? Esta es la auxina que controla el fototropismo (crecimiento hacia la luz). ¿Cómo sabe una planta que sus raíces deben crecer hacia abajo? La auxina dirige el gravitropismo en respuesta a la abundancia de agua o nutrientes.

La auxina es una hormona especialmente interesante porque participa en casi todos los aspectos de la biología vegetal. Es esencial para el crecimiento de las raíces, el crecimiento del tallo, el desarrollo del fruto y para determinar la ramificación del tallo y las raíces. Los métodos tradicionales de desarrollo de cultivos llevan mucho tiempo. Comprender y, eventualmente, poder controlar rápidamente cómo crecen las plantas en determinadas condiciones podría ser una parte crucial para adaptarse al cambio climático y garantizar un acceso suficiente y equitativo a los alimentos.

“[The] El objetivo final de este tipo de trabajo es realmente poder adaptar los cultivos a condiciones ambientales específicas… básicamente ser capaz de crear o manipular plantas agrícolas, por ejemplo, que sean resistentes a la sequía, que puedan ser tolerantes al calor, que puedan ser tolerantes a inundaciones”, dijo Moss. «Dado que el clima está cambiando rápidamente, debemos poder adaptar rápidamente nuestros cultivos a las diferentes formas en que el clima está afectando a las distintas partes del mundo».

Durante sus estudios de pregrado y posgrado, Moss se centró en la investigación biomédica en biología de células cancerosas, estudiando cómo la inflamación crónica y el cáncer pueden estar relacionados. Al terminar su doctorado, después de haber permanecido en un subcampo durante una década, se interesó en ir en una dirección diferente.

“Estaba asistiendo a conferencias en el campus mientras era estudiante de posgrado y vi algunas conferencias realmente interesantes impartidas por biólogos vegetales que estaban realizando tipos de investigación fascinantes que no serían posibles de realizar en humanos o animales… usando sistemas como microbios y plantas. No estaba acostumbrado a ver”, dijo Moss.

Esto despertó el interés de Moss en combinar partes de diferentes organismos y finalmente encontró un laboratorio que trabajaba específicamente con biología sintética.

«Era este grupo de biólogos vegetales y del desarrollo, ingenieros eléctricos e informáticos los que intentaban pensar cómo entendemos la biología desde una perspectiva muy diferente… ¿Se pueden aplicar principios de ingeniería para comprender la biología y, finalmente, diseñarla? » Dijo Moss.

Lo que me atrajo de la carrera de Bioquímica, Biofísica y Biología Molecular fue darme cuenta de que, a pesar de parecer abstracto en el primer año, este tipo de biología ahora me parece el estudio de las máquinas. Máquinas increíblemente complejas y difíciles de entender, pero máquinas al fin y al cabo. Cuando pienso en sistemas biológicos a nivel molecular, pienso en engranajes físicos y visualizables que hacen girar la rueda de la vida.

Estos engranajes tienen forma de proteínas y el modelo de la máquina es el ADN. Juntas, las proteínas son como equipos de pequeños trabajadores que ejecutan las instrucciones que les da el ADN. Utilizando enfoques de ingeniería, Moss crea diferentes equipos de estos trabajadores de proteínas vegetales y de levadura para investigar y controlar cómo trabajan juntos y qué cambios fisiológicos pueden realizar en la planta. Más específicamente, el laboratorio de Moss investiga el sistema que hace que la auxina sea capaz de controlar tantos tipos diferentes de rasgos de las plantas: el sistema de tres partes que incluye la auxina, su receptor y un represor genético.

Curiosamente, en lugar de estudiar el sistema de auxinas directamente en las plantas, Moss lo construye a partir de sus diferentes componentes en bacterias y levaduras. El uso de tres organismos acelera el proceso de construcción.

Sin la presencia de auxina, el represor es como las pastillas de freno de tu bicicleta, impidiendo que se lea el ADN. Sin embargo, cuando la auxina entra en escena, une el represor al receptor como si fuera pegamento, lo que hace que el represor sea incapaz de hacer su trabajo.

“Creemos que estos represores son en realidad como una perilla de sintonización para ayudar a cronometrar la respuesta. Y entonces puedes imaginar que si puedes cambiarlo, básicamente puedes ajustar este dial más rápido o más lento, impactarás la respuesta posterior que está sucediendo”. Dijo Moss.

El reciente alumno Andrew Methner ’23 trabajó en el laboratorio de Moss durante su último año, cuando Moss analizaba específicamente el sistema de auxinas en los perales. La vía de las auxinas en las peras no se ha estudiado bien; si se comprende mejor, podría usarse como modelo para comprender vías similares en cultivos similares, como las manzanas o las cerezas.

“Fue muy emocionante trabajar en un laboratorio específico donde estás haciendo algo y no conoces los resultados. Ya sea que su hipótesis sea precisa o no, ya sea que esté viendo lo que quiere ver o no viendo nada en absoluto, todo esto será el resultado de su trabajo y le enseñará algo”, dijo Methner.

El estudiante de último año, Jake Wang, trabajó con Moss el año pasado investigando una pieza diferente del sistema: el receptor. Al realizar mutaciones y cambiar la estructura de la proteína receptora, pudo aprender sobre su función. Wang enfatiza que, como una de sus primeras experiencias con la investigación, trabajar en el laboratorio de Moss fue revelador.

“Me dio una nueva perspectiva sobre lo que es la ciencia y me dio muchas otras oportunidades… [I’ve learned] cómo trabajar en un laboratorio, cómo trabajar con otras personas, cómo aprender nuevas técnicas, cómo descubrir las cosas cuando salen mal”, dijo Wang.

Los hallazgos de esta investigación podrían conducir al desarrollo de plantas programables con rasgos ajustables, como la profundidad de crecimiento de las raíces.

“Con el tiempo, incluso podría llegar a ser tal que el agricultor pueda realmente sintonízate y ajústate [development] según sea necesario durante la temporada de crecimiento dependiendo del clima. Si, por ejemplo, hubiera algún tipo de insumo químico que se pudiera rociar sobre la planta… el agricultor podría tener una especie de control en tiempo real sobre algunos de estos. [characteristics]”, dijo Moss.

Pero, como explica Moss, el éxito potencial de estas aplicaciones “fantásticas” depende de cómo entendamos el sistema que intentamos controlar, por lo que la investigación básica como la de Moss es una parte esencial del proceso.

“Todo esto realmente se basa en la investigación básica en biología. entender… cómo se controla naturalmente el desarrollo en la planta. Necesitamos entender esto en muchos casos antes de empezar a diseñarlo”.