Notas de investigación | El camino hacia el desarrollo de plantas luminiscentes
El siguiente artículo proviene de Mol Plant Plant Science , autores Ge Jieyu y Du Hao
En el planeta Pandora y el impresionante paisaje marino mostrados en la película de ciencia ficción Avatar, podemos admirar la deslumbrante belleza de plantas bioluminiscentes como el helecho War Feather, la hierba medusa y la espadaña de hojas peludas, revelando maravillas nocturnas y secretos submarinos. Los científicos se esfuerzan por convertir la ciencia ficción en realidad, logrando una fusión perfecta entre la ciencia natural y el arte, creando un entorno de vida más armonioso y hermoso para la humanidad.
En la naturaleza existen medusas, bacterias, hongos y luciérnagas luminiscentes. Lamentablemente, las plantas que proporcionan a los humanos alimento, vestido, vivienda, transporte y consuelo espiritual no pueden iluminar la oscuridad de la noche para nosotros. Cuando cae la noche, la gente suele vestir a las plantas con "abrigos de luz" LED o iluminarlas con luces largas para crear un efecto estético, pero esto consume una gran cantidad de electricidad. Según las estadísticas, la iluminación representa aproximadamente el 25% del consumo total de electricidad. En la situación actual de extrema escasez de energía y contaminación ambiental cada vez más grave, reducir el consumo eléctrico de la iluminación es una vía importante para promover el ahorro de energía y la reducción de emisiones. Con el rápido desarrollo de la biotecnología, crear plantas luminosas se está volviendo gradualmente posible, lo que no solo puede brindar disfrute estético a los humanos, sino también ahorrar energía e impulsar el desarrollo verde y bajo en carbono.
Para ello, los científicos emprendieron una exploración de cuarenta años. En 1986, investigadores de la Universidad de California en San Diego publicaron en science, demostrando que al expresar el gen codificante de la luciferasa de luciérnaga en plantas de tabaco y añadir un sustrato exógeno, las plantas de tabaco podían emitir una luz extremadamente tenue (Figura 1). Debido a la luz muy débil y a la necesidad de añadir sustratos costosos para producir luminiscencia, este sistema de iluminación se utiliza actualmente principalmente en la investigación básica.
Figura 1
En 2017, científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) de Estados Unidos publicaron un artículo de investigación en Nano Letters, donde introdujeron la tecnología de nano-carga para transportar los componentes del sistema de luciferasa de luciérnaga a las plantas. Las plantas inyectadas con luciferasa podían emitir un brillo tenue durante hasta 4 horas, llegando incluso a iluminar el texto de un libro (Figura 2) . Sin embargo, este sistema de luminiscencia también requiere sustratos exógenos y nanopartículas, y la emisión de luz no es sostenible, lo que limita la aplicación de este método.
Figura 2
En el bosque también existen algunos hongos bioluminiscentes, distribuidos principalmente en zonas tropicales y subtropicales con luz relativamente tenue. El más conocido es Mycena chlorophosMycena chlorophos (Figura 3), también llamado hongo fluorescente o hongo nocturno. Según la leyenda, los antiguos griegos utilizaban estos hongos como luces nocturnas, pero su vida útil suele ser de solo tres días. Si se trasladan a un lugar oscuro durante el día, no emiten luz; solo al atardecer emiten una tenue luz verde, lo que indica que su bioluminiscencia es periódica.
Figura 3
En 2018, científicos de Rusia, junto con investigadores del Reino Unido, España, Brasil, Japón y Austria, describieron exhaustivamente el mecanismo de la bioluminiscencia fúngica en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias. Descubrieron que los hongos utilizan solo cuatro enzimas clave para convertir el ácido cafeico en luciferina, logrando así la luminiscencia, y que la transferencia de estas enzimas a otros organismos también permite la emisión de luz. En 2020, el equipo publicó un artículo en Nature Biotechnology, donde introdujeron los genes codificantes correspondientes a estas cuatro enzimas en el genoma del tabaco, creando con éxito tabaco brillante. Dado que el sustrato luminiscente de este sistema es el ácido cafeico, un metabolito endógeno de la planta, puede emitir continuamente luz visible al ojo humano (Figura 4) , con las flores más brillantes produciendo 6.47×1010 fotones/min/cm2. En marzo del mismo año, la Universidad de Minnesota en Estados Unidos publicó un artículo titulado "Building customizable auto-luminescent luciferase-based reporters in plants" en eLife. Este estudio demostró la expresión transitoria del sistema de luminiscencia fúngica en diferentes especies, validando la hipótesis de luminiscencia espontánea dentro de un cierto rango e indicando amplias perspectivas de aplicación para este sistema en las plantas. Sin embargo, la intensidad luminosa de estos estudios sigue siendo relativamente baja, lo que limita severamente la aplicación de este sistema de luminiscencia.
Figura 4
El 8 de mayo de 2023, el equipo de investigación dirigido por el investigador Du Hao de la Facultad de Agricultura y Biotecnología de la Universidad de Zhejiang publicó un artículo de investigación titulado "Metabolic engineering and mechanical investigation of enhanced plant autoluminescence" en línea en la prestigiosa revista internacional Plant Biotechnology Journal. El estudio mostró los últimos avances en el campo de las plantas luminiscentes, creando con éxito plantas autoluminiscentes con un brillo significativamente mejorado (Figura 5). La intensidad luminosa alcanzó 3×1012 fotones/min/cm2, y el artículo ofreció una explicación detallada de las características biológicas y los mecanismos de luminiscencia de estas plantas.
Figura 5
Los investigadores descubrieron que el contenido de sustratos luminiscentes como el ácido cafeico (Caffeic acid) y la hispidina (Hispidin) es un factor limitante para la mejora de la bioluminiscencia en las plantas. El equipo de investigación seleccionó e identificó genes que promueven la síntesis de sustratos luminiscentes endógenos en las plantas. Introdujeron el gen BnC3’H1 de Brassica napus y el gen AnNPGA de Aspergillus nidulans en el sistema de luminiscencia fúngica, creando con éxito plantas con una luminiscencia significativamente mejorada. Los datos de LC-MS/MS indicaron que la introducción de estos dos genes fue clave para aumentar los sustratos luminiscentes y, por lo tanto, mejorar la luminiscencia.
Dado que las plantas luminiscentes tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales, desde la investigación biológica básica hasta la decoración paisajística, el equipo estudió el impacto del entorno de crecimiento de las plantas en los sistemas luminiscentes. La intensidad luminosa responde de manera diferente a diversos estreses abióticos, y su patrón de respuesta refleja cambios en los niveles de expresión de genes clave en la vía biosintética de sustratos luminiscentes endógenos dentro de las plantas. Mediante una serie de experimentos de tratamiento, el equipo de investigación descubrió que la energía inicial para la luminiscencia vegetal proviene de los azúcares (Figura 6) . Además, como organismos fotoautótrofos, las plantas tienen ventajas únicas sobre los animales y los microorganismos; pueden producir todos los sustratos y cofactores necesarios para el funcionamiento del sistema luminiscente, incluida la coenzima A, el malonil-CoA, el NADPH, el ATP, los protones y el oxígeno (Figura 6) , a través de la fotosíntesis y la respiración.
Figura 6
Los autores también probaron este sistema luminiscente en otras plantas ornamentales, confirmando aún más la amplia aplicabilidad del sistema de bioluminiscencia fúngica en plantas herbáceas y leñosas perennes. Seleccionaron el álamo, un árbol de calle común en China, para la transformación genética, y lograron crear árboles de álamo luminiscentes mediante análisis fenotípicos y moleculares. Los investigadores del equipo del Dr. Du Hao presentaron que este sistema luminiscente tiene amplias aplicaciones y puede desarrollarse como una herramienta para detectar macromoléculas biológicas básicas en animales y plantas en el futuro. Permitirá la detección sin depender de instrumentos grandes y costosos, permitiendo la observación visual o el uso de cámaras de nivel consumidor para lograr los objetivos de detección. Además, el proceso de luminiscencia de este sistema no requiere la adición de sustratos exógenos, lo que lo hace adecuado para la detección in vivo de alto rendimiento con bajo costo y alta conveniencia. Adicionalmente, este sistema puede utilizarse como biosensor para la detección de cultivos, ofreciendo amplias aplicaciones en los campos de la agricultura saludable y la agricultura inteligente. Según se informa, el equipo de investigación continúa desarrollando métodos para aumentar la luminancia de las plantas luminiscentes y crear herramientas para la investigación biológica. Pronto traerán más sorpresas a todos.
En un futuro cercano, surgirán nuevos modelos de aprovechamiento de la bioenergía en nuestra vida cotidiana, es decir, un nuevo modelo de conversión y utilización de bioenergía compuesto por plantas luminiscentes: durante el día pueden convertir la energía solar en materia orgánica mediante la fotosíntesis y fijar el CO2 del aire; por la noche liberan energía lumínica mediante el catabolismo para aplicaciones de iluminación de baja luminancia. Esto ayuda a ahorrar electricidad, reducir las emisiones de carbono, ofrece nuevas estrategias para lograr los objetivos de "doble carbono" y nos permite experimentar la maravillosa diversidad y la impresionante belleza de la vida en el mundo real de "Avatar".
Zheng Peng, investigador posdoctoral en la Facultad de Agricultura y Biotecnología de la Universidad de Zhejiang y en el Centro Internacional de Innovación de Hangzhou de la Universidad de Zhejiang, y Ge Jieyu, estudiante de máster en la Facultad de Agricultura y Biotecnología de la Universidad de Zhejiang, son los primeros autores conjuntos de este artículo. El investigador Du Hao de la Facultad de Agricultura y Biotecnología de la Universidad de Zhejiang y del Centro Internacional de Innovación de Hangzhou de la Universidad de Zhejiang es el autor de correspondencia. El investigador Wu Jianping de la Universidad Westlake, el profesor Lu Mengzhu de la Universidad Agrícola y Forestal de Zhejiang, el doctor Ma Siqi del Instituto de Investigación del Tabaco de Qingdao de la Academia China de Ciencias Agrícolas, y los investigadores Fan Pengxiang y Pan Ronghui de la Facultad de Agricultura y Biotecnología de la Universidad de Zhejiang, brindaron una gran ayuda a este estudio. La profesora Jen Sheen de la Universidad de Harvard ofreció numerosas sugerencias para la redacción del artículo. Los vectores esqueleto utilizados en el estudio provienen del equipo del académico Liu Yaoguang y del investigador Zhu Qinlong de la Universidad Agrícola del Sur de China. Esta investigación recibió financiación del Plan Clave de I+D de la Provincia de Zhejiang (2020C02002), de la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Zhejiang (Y21C020015 y LQ22C020002), del Programa de Cooperación Internacional de la Universidad de Zhejiang y de los Fondos Especiales para las Operaciones Básicas de Investigación de las Universidades Centrales (K20200168).
El enlace original es el siguiente:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14068
Referencias
Ow, D.W. et al. Expresión transitoria y estable del gen de la luciferasa de luciérnaga en células vegetales y plantas transgénicas. Science, 1986. 234, 856–859
Kwak, S.Y., Giraldo, J.P., Wong, M.H., et al. Una planta emisora de luz nanobiónica. Nano Lett. 2017,17, 7951–7961.
Kotlobay AA, Sarkisyan KS, Mokrushina YA, et al. Sistema bioluminiscente codificable genéticamente procedente de hongos. Proc Natl Acad Sci USA. 11 de diciembre de 2018;115(50):12728-12732.
Mitiouchkina T, Mishin AS, Somermeyer LG, et al. Plantas con autoluminiscencia codificada genéticamente. Nat Biotechnol. 2020 ago;38(8):944-946.
Khakhar A, Starker CG, Chamness JC, et al. Construcción de reporteros personalizables autoluminiscentes basados en luciferasa en plantas. Elife. 2020 Mar 25;9:e52786.
Zheng P, Ge J, Ji J, et al. Ingeniería metabólica e investigación mecánica de la autoluminiscencia vegetal mejorada. Plant Biotechnol J. 8 de mayo de 2023.
Autores | Ge Jieyu, Du Hao
Fuente: Mol Plant Plant Science