Antecedentes

La simbiosis entre los microorganismos del suelo y los cultivos es un pilar fundamental de la productividad agrícola, influyendo en la fijación de nitrógeno, la absorción de nutrientes y la defensa contra plagas. Para satisfacer la demanda agrícola de reducir el uso de fertilizantes químicos y pesticidas, se han realizado intentos constantes de suministrar agentes microbianos con rasgos beneficiosos al suelo.

Sin embargo, controlar selectivamente microorganismos genéticamente modificados introducidos en campos abiertos ha sido casi imposible. El método de rociar sustancias químicas específicas en todo el suelo no solo conlleva costos masivos, sino que también impone una carga inesperada al ecosistema del suelo. Se ha señalado que el riesgo de fallo en la biocontención, donde las bacterias manipuladas se propagan más allá de los cultivos objetivo hacia malezas o plantas no objetivo, o se dispersan a los ríos a través de los canales de drenaje, es un problema crónico.

Los investigadores buscaron una solución en la construcción de una red de comunicación molecular donde las plantas regulen por sí mismas la actividad fisiológica de las bacterias beneficiosas. La idea consiste en utilizar aminoácidos artificiales, inexistentes en la naturaleza, como un código de señalización para que los microorganismos sintetizen proteínas específicas únicamente alrededor de las raíces de las plantas objetivo.

Hallazgos clave

El equipo de investigación dirigido por la profesora Jennifer A. N. Brophy de la Universidad de Stanford (EE. UU.) anunció que ha establecido un sistema de señalización artificial mediante el cual las plantas controlan la expresión de proteínas de bacterias del suelo, aplicando la tecnología de expansión del código genético (GCE) basada en aminoácidos no canónicos (ncAA). Los resultados de la investigación se publicaron en el último número de la revista académica internacional Nature Biotechnology.

La señal química seleccionada por el equipo es la O-metil-L-tirosina (OMe-Tyr), un análogo de la tirosina. Para producir esta molécula ortogonal que no interviene en el metabolismo vegetal, el equipo insertó la vía de biosíntesis enzimática de OMe-Tyr en la planta modelo Arabidopsis thaliana, en el cultivo hortícola representativo tomate y en la planta leñosa álamo. Los tejidos radiculares de cada planta sintetizaron OMe-Tir y lo secretaron al exterior, suministrándolo de manera estable a la rizosfera.

Se seleccionó a la bacteria Bacillus subtilis, de utilidad agrícola, como el receptor de la señal. El equipo introdujo en el genoma de B. subtilis un par ortogonal de aminoacil-tRNA sintetasa y tRNA que solo reacciona con OMe-Tyr e insertó el codón de terminación UAG (codón ámbar) entre las secuencias de genes de proteínas objetivo para inducir su expresión.

En este sistema, B. subtilis incorpora OMe-Tyr en lugar del codón UAG y produce proteínas completas únicamente en entornos donde existe OMe-Tyr secretado por las raíces de las plantas. En entornos de suelo comunes sin la señal de OMe-Tyr, la síntesis de proteínas se detiene inmediatamente porque el ribosoma finaliza la traducción en la posición del codón UAG.

En experimentos realizados bajo condiciones de simbiosis real con la proteína verde fluorescente (GFP) como objetivo, solo las bacterias que se establecieron en las raíces de plantas que secretan OMe-Tyr mostraron una fluorescencia intensa. Se explicó que la proporción de bacterias con inducción de la expresión proteica aumentó más de 10 veces en comparación con el grupo control de plantas no secretoras o con las condiciones del suelo normal.

Significado y perspectivas

Este estudio se considera el primer caso de mediación directa de la comunicación entre diferentes reinos (plantas y microorganismos) utilizando un lenguaje molecular sintético.

Los fertilizantes microbianos actuales a menudo pierden concentración debido al viento, la lluvia o la erosión del suelo tras su aplicación, o se dispersan hacia las raíces de malezas circundantes, no logrando la eficacia necesaria en los cultivos. Con esta tecnología, se puede inducir a las bacterias manipuladas a producir enzimas de fijación de nitrógeno o sustancias inhibidoras de patógenos solo cuando alcanzan con precisión la zona radicular del cultivo objetivo. Es como si la planta tuviera el control directo sobre el interruptor de producción de los microorganismos.

También se ha abierto una vía para resolver las preocupaciones de seguridad relacionadas con la liberación de organismos genéticamente modificados al medio ambiente. Si se inserta el codón UAG en los genes de las enzimas esenciales para la supervivencia bacteriana, las bacterias que se encuentren fuera de la rizosfera del cultivo designado que secreta OMe-Tyr no podrán sintetizar proteínas y morirán por sí mismas. Esto permite que un dispositivo estricto de biocontención funcione sin necesidad de aplicaciones químicas artificiales.

No obstante, existen obstáculos claros antes de la comercialización en el campo. Es necesario realizar cultivos de demostración a largo plazo para verificar si el proceso de síntesis y secreción de OMe-Tyr por parte de la planta genera una carga metabólica, como retraso en el crecimiento o reducción del rendimiento. También queda pendiente verificar el riesgo de que los microorganismos autóctonos del suelo degraden o transformen el OMe-Tyr, lo que reduciría la intensidad de la señal en entornos de suelo complejos y diversos.