Deconstruyendo la microbiología mordisco a mordisco
El Lenguaje Secreto de la Naturaleza
Aunque no podamos oírlas, las plantas se comunican secretamente con los demás habitantes del suelo donde viven. Las plantas pueden liberar cientos de moléculas químicas diferentes al suelo para comunicarse con miles de bacterias y hongos distintos – y las bacterias y los hongos pueden responder con sus propias señales químicas únicas. Esta comunicación es esencial para establecer las relaciones entre las plantas y los microbios.
El lenguaje secreto entre plantas y microbios es casi tan antiguo como las plantas, y ambos organismos han llegado a depender unos de otros por diferentes razones, desde la nutrición hasta la defensa contra patógenos. Desde siempre, los científicos han estado interesados en manipular esta línea de comunicación para el beneficio de la humanidad. Algunos investigadores han conseguido manipular las rutas químicas de señalización entre plantas de tabaco y la bacteria E. coli para el control de enfermedades. Los canales sintéticos de comunicación planta-microbio dependen de lo que se conoce como un dispositivo emisor y un dispositivo receptor. Piénsalo como si se tratase de un juego de béisbol, en el que la pelota podría ser el emisor y el guante podría ser el receptor. No obstante, tanto el desarrollo de la molécula como del dispositivo emisor no es tarea fácil.
Muchos de estos sistemas emisor-receptor utilizan una molécula llamada acil-homoserina lactona. Las bacterias emplean esta molécula en algo conocido como quorum sensing, que les permite responder a la densidad poblacional. Con el tiempo, las plantas han aprendido a espiar a las bacterias detectando las acil-homoserina lactonas, lo que convierte a este sistema en uno prometedor para su explotación.
Pero la comunicación química natural entre las plantas y los microbios es biológicamente muy compleja, así que manipular estos sistemas para conseguir un efecto particular no siempre resulta en el resultado correcto. Además, utilizar las acil-homoserina lactonas puede, a menudo, causar comunicación no específica. De hecho, muchas plantas han desarrollado moléculas que imitan la acil-homoserina, lo que puede interferir por completo la comunicación.
Sin embargo, un nuevo estudio empleando una señal de quorum de la bacteria Rhodopseudomonas palustris ofrece una alternativa prometedora para aprovechar el poder de la comunicación planta-microbio. Los investigadores han introducido esta señal de quorum llamada p-coumaroil-homoserina lactona en dos tipos diferentes de bacterias inocuas para plantas, es decir, que no les provocan enfermedades. Cuando las bacterias liberan la molécula en respuesta a varios estímulos, estas pueden activar la expresión genética en las plantas.
El diseño del sistema
Los investigadores comenzaron del lado de las plantas y diseñaron un receptor capaz de detectar la señal producida por la bacteria. En este caso, el receptor es algo llamado “promotor”. Un promotor es una secuencia de ADN que está ubicada justo antes de la región codificante de un gen; cuando el promotor se activa, este causa la expresión del gen, conduciendo subsecuentemente a la producción de una proteína. Sin la activación del promotor no podrías ver cosas como las flores, pues ninguna proteína podría ser producida nunca.
Los investigadores emplearon un sistema de promotores ya existente, pero le hicieron algunos cambios para hacer que funcionara mejor para lograr su objetivo. Así, después del promotor introdujeron un regulador, que ayudará a “encender” o “apagar” su gen de interés en respuesta a la señal bacteriana. Los investigadores escogieron un regulador bacteriano, pero después de algunas modificaciones, consiguieron que pudiera ser utilizado por la planta.
Prueba del sistema
Para probar que su sistema funcionaba, utilizaron una proteína verde fluorescente como gen de interés. Si su sistema respondía a la molécula -homoserina lactona- entonces podrían ver un color verde brillante al mirar las plantas bajo luz ultravioleta (UV). La molécula homoserina lactona podía ser suministrada externamente o ser producida por las bacterias residentes en las raíces de la planta.
Luego de introducir su sistema en la planta de su preferencia, Arabidopsis thaliana, los investigadores aplicaron el dispositivo emisor homoserina lactona. Aunque sí vieron una luz de color verde brillante bajo la luz UV, esta provenía principalmente de las raíces de las plantas. Sin embargo, el sistema emisor-receptor fue específico, ya que no se observó ninguna fluorescencia verde cuando se utilizó cualquier otra molécula. ¡Esto significa que el sistema estaba funcionando!
Luego, llegó el momento de hacer que las bacterias produjeran y liberaran homoserina lactona. Modificaron una bacteria para convertir el aminoácido tirosina, un componente esencial para las proteínas, en homoserina lactona.
Los investigadores querían probar si la bacteria que desarrollaron para producir homoserina lactona podía también provocar la activación de la proteína verde fluorescente. Cuando mezclaron sus plantas y estas bacterias modificadas, observaron fluorescencia verde en las raíces. El sistema emisor-receptor funcionó incluso cuando las plantas y las bacterias estuvieron juntas en un suelo no estéril, con otros microbios, lo que significa que el sistema podría aplicarse algún día a cultivos en el campo para activar determinados genes.
Con el fin de incrementar la sensibilidad del sistema, los investigadores utilizaron diferentes moléculas para activar la producción de homoserina lactona. Algunos genes pueden activarse por diferentes estímulos, como moléculas, por ejemplo. En este caso, los investigadores querían encender el gen en la bacteria productora de homoserina lactona. Cuando al medio de cultivo con las bacterias modificadas se añadieron moléculas pequeñas como antibióticos, estas activaron la producción de homoserina lactona.
Finalmente, para poner a prueba las aplicaciones de este sistema en el mundo real, obtuvieron una bacteria capaz de producir homoserina lactona en respuesta a la presencia de arsénico. El arsénico es un metal pesado que puede atrofiar el crecimiento vegetal, pero es un contaminante común en tierras de cultivo. Cuando las plantas modificadas de Arabidopsis y las bacterias se pusieron en contacto en presencia de arsénico, las plantas emitieron un color verde brillante en respuesta a la expresión de la proteína verde fluorescente. Algún día, esto podría utilizarse para monitorear las condiciones agrarias o, incluso, provocar en las plantas la puesta de un sistema de defensa en respuesta a la presencia de arsénico.
Esta investigación sienta las bases de un nuevo enfoque en la ingeniería de las interacciones entre plantas y microbios y, en el futuro, podríamos ser capaces de utilizar el lenguaje secreto de las plantas y microbios para desarrollar cultivos que crezcan mejor y sean resistentes a patógenos.
Link to the original post: Boo, A., Toth, T., Yu, Q. et al. Synthetic microbe-to-plant communication channels. Nat Commun 15, 1817 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45897-6
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Traducido por: Raquel Parada Puig
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