MADRID, 13 Jul. (EUROPA PRESS) -
Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (Estados Unidos) han utilizado un sistema de edición genética CRISPR para cultivar álamos con niveles reducidos de lignina, el principal obstáculo para la producción sostenible de fibras de madera, mejorando al mismo tiempo sus propiedades. Los resultados, publicados en la revista 'Science', prometen hacer más ecológica, barata y eficiente la producción de fibras para todo tipo de productos, desde el papel hasta los pañales.
Dirigido por Rodolphe Barrangou, pionero de CRISPR en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, y Jack Wang, genetista de árboles, un equipo de investigadores utilizó modelos predictivos para establecer objetivos de reducción de los niveles de lignina, aumento de la proporción de carbohidratos en relación con la lignina (C/L) y aumento de la proporción de dos importantes componentes de la lignina --siringilo y guayacil (S/G)-- en los álamos.
Según Barrangou y Wang, estas características químicas combinadas representan un punto óptimo para la producción de fibra.
"Estamos utilizando CRISPR para construir un bosque más sostenible --asegura Barrangou, profesor distinguido Todd R. Klaenhammer de Ciencias de la Alimentación, Bioprocesamiento y Nutrición en NC State y coautor del artículo--. Los sistemas CRISPR proporcionan la flexibilidad para editar más que genes individuales o familias de genes, lo que permite una mayor mejora de las propiedades de la madera".
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 varios genes a la vez-- para llegar a 347 estrategias; más del 99% de esas estrategias se dirigían al menos a tres genes.
Los investigadores seleccionaron las siete mejores estrategias que, según los modelos, darían lugar a árboles que alcanzarían el punto químico óptimo: un 35% menos de lignina que los árboles silvestres o no modificados; relaciones C/L superiores en más de un 200% a las de los árboles silvestres; relaciones S/G también superiores en más de un 200% a las de los árboles silvestres; y tasas de crecimiento de los árboles similares a las de los árboles silvestres.
A partir de estas siete estrategias, los investigadores utilizaron la edición genética CRISPR para producir 174 líneas de álamos. Tras seis meses en un invernadero de NC State, un examen de esos árboles mostró una reducción del contenido de lignina de hasta el 50% en algunas variedades, así como un aumento del 228% en la relación C-L en otras.
Curiosamente, según los investigadores, las reducciones de lignina más significativas se observaron en árboles con entre cuatro y seis ediciones genéticas, aunque los árboles con tres ediciones genéticas mostraron una reducción de lignina de hasta el 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 incluía sofisticados modelos de producción de pasta de papel que sugieren que la reducción del contenido de lignina en los árboles podría aumentar el rendimiento de la pasta y reducir el llamado licor negro, el principal subproducto de la fabricación de pasta, lo que podría ayudar a las fábricas a producir hasta un 40% más de fibras sostenibles.
Por último, las eficiencias halladas en la producción de fibra podrían reducir hasta un 20% los gases de efecto invernadero asociados a la producción de pasta si se consiguiera reducir la lignina y aumentar las relaciones C/L y S/G en los árboles a escala industrial.
Los árboles forestales representan el mayor sumidero biogénico de carbono del planeta y son fundamentales en los esfuerzos por frenar el cambio climático. Son pilares de nuestros ecosistemas y de la bioeconomía.
"La edición multiplex del genoma ofrece una oportunidad extraordinaria para mejorar la resistencia, 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 utilizando menos tierra", afirma Wang, profesor adjunto y director del Grupo de Biotecnología Forestal de NC State y coautor del artículo.
Los próximos pasos incluyen pruebas continuas en invernaderos para comprobar el rendimiento de los árboles modificados genéticamente en comparación con los silvestres. Más adelante, el equipo espera realizar ensayos de campo para determinar si los árboles modificados genéticamente pueden soportar el estrés de la vida al aire libre, fuera del entorno controlado del invernadero.
"Un enfoque interdisciplinario para el mejoramiento de árboles que combina genética, biología computacional, herramientas CRISPR y bioeconomía ha ampliado profundamente nuestro conocimiento del crecimiento, desarrollo y aplicaciones forestales de los árboles", indica Daniel Sulis, becario postdoctoral en NC State y 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 ecológica y económicamente importantes al tiempo que reducen la huella de carbono de la producción de fibra", añade.
Basándose en el largo legado de innovaciones en los campos de las ciencias de las plantas y la silvicultura en NC State, Barrangou y Wang crearon una empresa de nueva creación llamada TreeCo para avanzar en el uso de las tecnologías CRISPR en los árboles forestales. Este esfuerzo de colaboración dirigido por miembros de la facultad de NC State tiene como objetivo combinar los conocimientos genéticos de los árboles con el poder de la edición del genoma para crear un futuro más saludable y sostenible.