La biotecnología forestal abre nuevas perspectivas para el desarrollo de fibras biológicas

Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han logrado un avance significativo al utilizar la edición genética CRISPR para criar álamos con niveles reducidos de lignina, allanando el camino hacia una producción de fibras más ecológica, económica y eficiente.

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La biotecnología forestal abre nuevas perspectivas para el desarrollo de fibras biológicas

La biotecnología está abriendo un prometedor camino hacia la producción de fibras sostenibles, donde los álamos modificados genéticamente se perfilan como protagonistas destacados en esta revolución.

Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (EE.UU.) han logrado un avance significativo al utilizar la edición genética CRISPR para criar álamos con niveles reducidos de lignina, allanando el camino hacia una producción de fibras más ecológica, económica y eficiente. Estos álamos modificados representan una esperanza tangible para hacer que la producción de fibras, desde papel hasta pañales, sea más respetuosa con el medio ambiente.

Los hallazgos fueron publicados en la revista Science.

El equipo de investigación, liderado por Rodolphe Barrangou -experto en CRISPR y Jack Wang, genetista de árboles, ambos de de NC State, ha aplicado técnicas de modelización predictiva para establecer objetivos precisos en la modificación genética de los álamos. Estos objetivos incluyen la reducción de los niveles de lignina, el aumento de la relación carbohidratos-lignina (C/L) y el aumento de la relación de dos componentes importantes de la lignina: siringil y guaiacil (S/G). La combinación óptima de estas características químicas en los álamos representa un avance significativo hacia la producción de fibras sostenibles.

El modelo de aprendizaje automático predijo y luego clasificó casi 70.000 estrategias diferentes de edición de genes dirigidas a 21 genes importantes asociados con la producción de lignina, algunos cambiando múltiples genes a la vez, para llegar a 347 estrategias; más del 99% de esas estrategias se dirigieron a al menos tres genes.

A partir de ahí, los investigadores seleccionaron las siete mejores estrategias que sugirieron los modelos que conducirían a árboles que alcanzarían el punto óptimo químico: 35 % menos de lignina que los árboles silvestres o no modificados; proporciones C/L que fueron más de un 200 % más altas que las de los árboles silvestres; proporciones S/G que también fueron más de un 200 % más altas que las de los árboles silvestres; y tasas de crecimiento de los árboles que eran similares a las de los árboles silvestres.

A partir de estas siete estrategias, los investigadores utilizaron la edición de genes CRISPR para producir 174 líneas de álamos. Después de seis meses en un invernadero de NC State, un examen de esos árboles mostró una reducción del contenido de lignina de hasta un 50 % en algunas variedades, así como un aumento del 228 % en la proporción de CL en otras.

Curiosamente, dicen los investigadores, se mostraron reducciones de lignina más significativas en árboles con cuatro a seis ediciones de genes, aunque los árboles con tres ediciones de genes mostraron una reducción de lignina de hasta un 32%. Las ediciones de un solo gen no lograron reducir mucho el contenido de lignina, lo que demuestra que el uso de CRISPR para realizar cambios multigénicos podría conferir ventajas en la producción de fibra.

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.

Finalmente, las eficiencias encontradas en la producción de fibra 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.

Los árboles forestales representan el sumidero de carbono biogénico más grande de la tierra y son fundamentales en los esfuerzos para frenar el cambio climático. Son pilares de nuestros ecosistemas y de la bioeconomía. En Carolina del Norte, la silvicultura contribuye con más de U$S35 mil millones a la economía local y respalda aproximadamente 140.000 puestos de trabajo.

“La edición múltiple del genoma ofrece una oportunidad extraordinaria para mejorar la resiliencia, la productividad y la utilización de los bosques en un momento en que nuestros recursos naturales se ven cada vez más amenazados por el cambio climático y la necesidad de producir biomateriales más sostenibles usando menos tierra”, dijo Wang, profesor asistente y director del Grupo de Biotecnología Forestal de NC State y coautor del artículo.

Los próximos pasos incluyen pruebas continuas de invernadero para ver cómo se comportan los árboles editados genéticamente en comparación con los árboles silvestres. Más tarde, el equipo espera usar pruebas de campo para evaluar si los árboles editados genéticamente pueden manejar el estrés que genera la vida al aire libre, fuera del ambiente controlado del invernadero.

Los investigadores destacaron la importancia de la colaboración multidisciplinaria que permitió este estudio, que abarca tres universidades de NC State, múltiples departamentos, la Iniciativa de Ciencias de Plantas de NC, el Centro de Innovación en Investigación, Tecnología y Educación Molecular (METRIC) de NC State y universidades asociadas.

“Un enfoque interdisciplinario para el mejoramiento de árboles que combina la genética, la biología computacional, las herramientas CRISPR y la bioeconomía ha ampliado profundamente nuestro conocimiento sobre el crecimiento y el desarrollo de los árboles y las aplicaciones forestales”, dijo Daniel Sulis, becario postdoctoral en NC State y el primer autor del artículo. “Este poderoso enfoque ha transformado nuestra capacidad para desentrañar la complejidad de la genética de los árboles y deducir soluciones integradas que podrían mejorar los rasgos de la madera importantes desde el punto de vista ecológico y económico al tiempo que reducen la huella de carbono de la producción de fibra”.

Basándose en el legado de larga data de innovaciones en los campos de las ciencias de las plantas y la silvicultura en NC State, Barrangou y Wang crearon una nueva empresa llamada TreeCo para avanzar en el uso de tecnologías CRISPR en árboles forestales. Este esfuerzo de colaboración dirigido por miembros de la facultad de NC State tiene como objetivo combinar conocimientos genéticos de árboles con el poder de la edición del genoma para generar un futuro más saludable y sostenible.

Mayor información: doi https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4514

Fuente: PortalBioeconomía