Científicos logran avances significativos con la edición genética de árboles de álamo

Los científicos Rodolphe Barrangou, PhD, y Jack P. Wang, PhD, de TreeCo y la Universidad Estatal de Carolina del Norte, en Estados Unidos, publicaron un desarrollo con edición genética múltiple en álamos para la producción sostenible de fibra con avances en las eficiencias operativas, creación de valor bioeconómico y beneficios ambientales tangibles.

El desarrollo combinó décadas de trabajo de los genetistas de árboles con la inteligencia artificial (AI, por sus siglas en inglés) y CRISPR multiplex para superar una barrera importante para la producción sostenible de fibras de madera mientras se mejoran las propiedades de la madera. Según indican, sus resultados ofrecen la promesa de hacer que la fabricación de fibra para una amplia gama de productos, desde cartón y papel hasta pañales y ropa, sea más ecológica, económica y eficiente.

Explican que varios años de trabajo, les generó grandes cantidades de datos genéticos y ómicos que se procesaron con IA para predecir y luego clasifique a través de más de 69,000 estrategias de edición de genes multigénicas diferentes dirigidas a 21 genes importantes asociados con la producción de lignina.

“Los árboles son organismos muy complejos que pueden prosperar durante cientos de años, por lo que su genética es difícil de entender. Es por eso que necesitábamos ese modelo de aprendizaje automático para descifrar y comprender realmente la regulación genética de la información y luego modificarla usando CRISPR de manera que pueda producir materiales leñosos que sean compatibles con los procesos industriales o la conversión en productos útiles”, detalló Jack P. Wang, uno de los científicos desarrolladores.

Además explicó que  el equipo de investigación utilizó modelos predictivos para establecer objetivos de reducción de los niveles de lignina, aumento de la proporción de carbohidratos a lignina (C/L) y aumento de la proporción de dos componentes importantes de la lignina: siringilo y guayacilo (S/G), en los álamos.

Detallaron que estas características químicas combinadas representan un punto ideal para la producción de fibra, ya que las eficiencias encontradas en la producción de fibra también podrían reducir los gases de efecto invernadero asociados con la producción de pulpa hasta en un 20% si se logra reducir la lignina y aumentar las relaciones C/L y S/G en los árboles a escala industrial.

RESULTADOS

A partir de estos avances, los investigadores dedujeron siete estrategias diferentes de edición del genoma dirigidas a la alteración simultánea de hasta seis genes. A partir de ahí, seleccionaron las siete mejores estrategias que el modelado sugirió que conducirían a árboles que alcanzarían las características deseadas. Estos incluyeron un 35 % menos de lignina que los árboles silvestres o no-modificados, relaciones C/L que fueron más del 200% más altas que los árboles silvestres, relaciones S/G que también fueron más del 200% más altas que los árboles silvestres y tasas de crecimiento de los árboles que eran similares a los árboles silvestres. La relación C/L es un indicador del rendimiento celulósico máximo potencial para la fibra de madera. Las siete estrategias abarcaron varios números de genes objetivo (de tres a seis) y se seleccionaron sobre la base del alcance y la solidez de la mejora prevista en los rasgos de la fibra (lignina reducida, proporciones S/GandC/L aumentadas y buen crecimiento).

Con la tecnología multiplex CRISPR, produjeron 174 variantes de álamos editados, que plantaron, crecieron durante meses hasta varios metros de altura, los cuales cosecharon para el análisis y la generación de papel con características que se requieren en procesamiento industrial. Las líneas editadas exhibieron diversos grados de mutaciones de pérdida de función de los genes objetivo.

El estudio también incluyó modelos sofisticados de plantas de producción de pulpa que sugieren que la reducción del contenido de lignina en los árboles podría aumentar el rendimiento de la pulpa y reducir el llamado licor negro, el principal subproducto de la fabricación de pulpa, lo que podría ayudar a las plantas a producir hasta un 40 % más de fibras sostenibles. La madera con bajo contenido de lignina podría reducir el contenido de sólidos del licor negro, eliminando así los cuellos de botella de la caldera de recuperación, posiblemente el componente energético más crucial y limitante de la velocidad de las plantas de celulosa.

Los investigadores explicaron que la capacidad de aislar eficazmente las fibras celulósicas deseadas de la madera está determinada en gran medida por el contenido y la composición de la lignina en la madera. La domesticación de árboles forestales para una bioeconomía de fibra más sostenible se ha visto obstaculizada durante mucho tiempo por la complejidad y plasticidad de la lignina, un biopolímero en la madera que es recalcitrante a la degradación química y enzimática.

Fuente: ChileBio