Nuevas tecnologías permiten mejores detalles que nunca sobre plantas modificadas genéticamente

Nuevas tecnologías permiten mejores detalles que nunca sobre plantas modificadas genéticamente

Los investigadores de Salk utilizaron las últimas tecnologías de secuenciación de ADN para estudiar exactamente lo que sucede a nivel molecular cuando insertan nuevos genes en las plantas.

LA JOLLA—Los investigadores de Salk han mapeado los genomas y epigenomas de líneas de plantas genéticamente modificadas con la resolución más alta jamás vista para revelar exactamente lo que sucede a nivel molecular cuando se inserta una pieza de ADN extraño. Sus hallazgos, publicados en la revista PLoS Genetics el 18 de enero de 2019, aclara los métodos de rutina utilizados para modificar las plantas y ofrece nuevas formas de minimizar de manera más efectiva los posibles efectos fuera del objetivo.

"Este fue realmente un punto de partida para mostrar que es posible utilizar las últimas tecnologías de mapeo y secuenciación para observar el impacto de insertar genes en el genoma de la planta", dice el investigador del Instituto Médico Howard Hughes. José Ecker, profesor del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas de Salk y jefe del Laboratorio de Análisis Genómico.

Cuando un científico quiere poner un nuevo gen en una planta, con fines de investigación básica o para mejorar la salud o la nutrición de un cultivo alimentario, por lo general confía en Agrobacterium tumefaciens para hacer el trabajo. Agrobacterium es la bacteria que causa los tumores en las agallas de la corona, grandes protuberancias en los troncos de los árboles. Hace décadas, los científicos descubrieron que cuando la bacteria infectaba un árbol, transfería parte de su ADN al genoma del árbol. Desde entonces, los investigadores han cooptado esta capacidad de transferencia de Agrobacterium para sus propios fines, utilizando su ADN de transferencia (T-DNA) para mover un gen deseado a una planta.

Recientemente, las tecnologías de secuenciación del ADN habían comenzado a insinuar que cuando el Agrobacterium El T-DNA se usa para insertar nuevos genes en una planta, puede causar cambios adicionales en las propiedades estructurales y químicas del ADN nativo.

“Las empresas de biotecnología dedican mucho tiempo y esfuerzo a caracterizar las plantas transgénicas y descartar a las candidatas con cambios no deseados sin comprender, desde una perspectiva biológica básica, por qué pueden haber ocurrido estos cambios”, dice Ecker. “Nuestro nuevo enfoque ofrece una forma de comprender mejor estos efectos y puede ayudar a acelerar el proceso”.

“La mayor incógnita era si se insertaron, y cuántas copias, del T-DNA al mismo tiempo que la pieza que querías”, dice Florian Jupe, ex investigador asociado de Salk que ahora trabaja en Bayer Crop Science. Jupe, el investigador del personal de Salk Mark Zander y la asistente de investigación Angeline Rivkin son los primeros coautores del nuevo artículo, junto con Todd Michael del Instituto J. Craig Venter.

Dado que el enfoque de T-DNA puede conducir a la integración de muchas copias de un gen deseado en una planta, puede ser difícil estudiar el resultado final con la secuenciación de ADN estándar, ya que la mayoría de las tecnologías tienen dificultades para secuenciar tramos de ADN altamente repetitivos. Pero Ecker y sus colegas recurrieron a una nueva combinación de enfoques, incluido el mapeo óptico y la secuenciación de nanoporos, para observar estos largos tramos en alta resolución. Aplicaron las tecnologías a cuatro líneas de T-DNA seleccionadas al azar. Arabidopsis thaliana, una planta modelo de uso común en biología. (Estas plantas se derivan de una gran población de mutantes de inserción de T-DNA que se crearon usando un Arabidopsis método de transformación, llamado inmersión floral, para estudiar la función de los genes).

El mapeo óptico reveló que las plantas tenían entre una y siete inserciones o reordenamientos distintos en sus genomas, con un tamaño que variaba casi diez veces. La secuenciación de nanoporos y la reconstrucción de los genomas de dos líneas confirmaron las inserciones con una resolución de una sola letra, incluidos segmentos completos de ADN que se habían intercambiado, o translocado, entre cromosomas en una de las líneas seleccionadas. Las propias inserciones de genes mostraron una variedad de patrones, con el fragmento de ADN insertado a veces codificado, invertido o incluso silenciado.

“Este estudio no fue posible ni siquiera hace un año”, dice Michael. "La secuenciación de nanoporos, a la que algunos se refieren como el 'santo grial' de la secuenciación del ADN, ha revolucionado la lectura incluso de las regiones más complejas del genoma que eran completamente inaccesibles y desconocidas hasta ahora".

Finalmente, cuando los investigadores estudiaron paquetes de material genético llamados histonas, encontraron cambios adicionales. Las proteínas histonas empaquetan el ADN en unidades estructurales, y las modificaciones de estas histonas determinan si una célula puede acceder a un gen para su uso (un nivel de regulación llamado epigenética). Dependiendo de dónde se integró el T-DNA, ciertas modificaciones de histonas cercanas aparecieron o desaparecieron, cambiando potencialmente la regulación o activación de otros genes cercanos.

"Ahora tenemos los primeros conocimientos de alta resolución sobre cómo las inserciones de T-DNA pueden dar forma al entorno del epigenoma local", dice Zander.

En un mundo ideal, dicen los investigadores, el T-DNA insertaría una sola copia funcional de un gen deseado sin efectos secundarios cercanos en el genoma de una planta. Si bien sus hallazgos muestran que este rara vez es el caso en Arabidopsis, sus métodos ofrecen un camino hacia una mejor comprensión y vigilancia de los efectos.

“Esta tecnología es emocionante porque nos da una visión mucho más clara de lo que sucede en algunos de estos transgénicos. Arabidopsis líneas”, dice Rivkin.

"Con Arabidopsis, es relativamente fácil porque tiene un genoma tan pequeño, pero debido a las mejoras continuas en la tecnología de secuenciación del ADN, esperamos que este enfoque también sea posible para las plantas de cultivo”, agrega Ecker, quien ocupa la presidencia del Consejo Internacional Salk en Genética. “Los métodos actuales requieren la detección de cientos de líneas transgénicas para encontrar las que funcionan bien, como aquellas sin inserciones adicionales, por lo que esta tecnología podría proporcionar un enfoque más eficiente”.

Otros investigadores del estudio fueron Justin Sandoval, Huaming Chen, Rosa Castanon y Joseph Nery del Instituto Salk; Timothy Motley del Instituto J. Craig Venter; y Keith Slotkin del Centro de Ciencias Vegetales Donald Danforth.

El trabajo y los investigadores involucrados fueron apoyados por subvenciones del Programa de Ciencias de la Frontera Humana, el Fondo de Dotación Postdoctoral de Salk Pioneer, Deutsche Forschungsgemeinschaft y el Instituto Médico Howard Hughes.

DOI: 10.1371/diario.pgen.1007819