Proyecto I+D+i 2020 «Generación de Conocimiento»: La inoculación de un vector viral que expresa una enzima biosintética en plantas de calabacín permite fortificar sus frutos en carotenoides

16 octubre 2023

Los virus que infectan plantas son responsables de aproximadamente la mitad de las enfermedades que sufren los cultivos agrícolas y se calcula que a nivel global provocan pérdidas aproximadas de 25.000 millones de euros anuales. En las últimas décadas, los virólogos de plantas han avanzado enormemente en el conocimiento de esta clase de patógenos, lo que ha permitido poner en cultivo muchas variedades de plantas resistentes a las infecciones virales. Sin embargo, estas resistencias son con frecuencia superadas por la aparición de nuevas variantes de secuencia, al tiempo que nuevas especies de virus emergen o se establecen en ámbitos geográficos distintos como consecuencia del intenso intercambio global de productos agrícolas.

Sin perder de vista su efecto dañino sobre los cultivos agrícolas, las propiedades de los virus de plantas no dejan de maravillarnos. Pequeñas moléculas de ácido nucleico (DNA o RNA) de unos pocos miles de nucleótidos, protegidas habitualmente por una sencilla cubierta proteica, son capaces de penetrar en una célula vegetal, secuestrar la maquinaria celular y reprogramarla para que replique el genoma viral. A continuación, la progenie viral es capaz de moverse por la planta de célula a célula y a larga distancia para invadir la mayoría de los tejidos. Estas propiedades, control del metabolismo celular y capacidad de mover mensajes genéticos por la planta, son también en esencia objetivos fundamentales de los biotecnólogos de plantas, por lo que la pregunta surge: ¿Podríamos manipular los virus de plantas para convertirlos en herramientas útiles para la biotecnología vegetal?

A esta pregunta está tratando de responder el proyecto de investigación PLANTVIRTOOLS financiado por la AEI. Para ello, están desarrollando vectores derivados de virus que faciliten la edición genética CRISPR en plantas, prestando particular atención a las reacciones de intercambio de genes y a especies hortícolas de interés agronómico.

Figura 1
Figura 1. Edición genética CRISPR-Cas sin DNA en plantas mediante el uso de dos virus de RNA vectores que expresan la nucleasa Cas y el RNA guía.

También desarrollan vectores virales que induzcan la producción de metabolitos de interés para la industria agroalimentaria o farmacéutica, tales como carotenoides, antocianinas, polifenoles o las crocinas del azafrán. Asimismo, están desarrollando vectores para la producción en plantas de proteínas recombinantes de interés para la industria agroalimentaria, cosmética o farmacéutica, tales como una xilanasa termostable, la glucosa oxidasa o el interferón, y también nanopartículas decoradas con nanoanticuerpos contra SARS-CoV-2 con potencial aplicación terapéutica y diagnóstica.

Figura 2
Figura 2. Producción en plantas biofactoría de nanopartículas derivadas de virus decoradas con nanoanticuerpos con potencial terapéutico y diagnóstico.

No solo virus, los viroides son una clase muy particular de agentes infecciosos de las plantas que están constituidos por una pequeña molécula de RNA circular que no codifica ninguna proteína. Al igual que los virus, los viroides se las arreglan para que las células vegetales repliquen sus genomas, al tiempo que la progenie viroidal es capaz de moverse por la planta. Los investigadores han desarrollado un sistema de producción de RNA recombinante en la bacteria Escherichia coli que combina elementos de la biología de los viroides con intrones autocatalíticos.

Figura 3
Figura 3. El RNA bicatenario recombinante producido en la bacteria Escherichia coli puede ser una alternativa más específica, sostenible y respetuosa con el medio ambiente a los plaguicidas convencionales de síntesis química.

Con este sistema producen RNAs bicatenarios para inducir el silenciamiento de genes de importantes plagas de los cultivos agrícolas, como la mosca del Mediterráneo Ceratitis capitata o la polilla del tomate Tuta absoluta. Este tipo de RNAs bicatenarios podría convertirse en una alternativa más específica, sostenible y respetuosa con el medio ambiente a los plaguicidas de síntesis química convencionales.

No debemos olvidar que virus y viroides provocan importantes enfermedades en las plantas, por lo que también es su objetivo desarrollar estrategias biotecnológicas de protección de cultivos. Pretenden seleccionar y expresar en plantas pequeños RNAs con actividad antiviral contra dos importantes patógenos recientemente aparecidos en los cultivos hortícolas de la cuenca del Mediterráneo, el virus de la hoja rizada del tomate de Nueva Delhi que, a pesar de su nombre, infecta cucurbitáceas, y el virus del fruto pardo y rugoso del tomate. Los desarrollos biotecnológicos siempre derivan de las investigaciones en ciencia básica que les precedieron. Para no descuidar este importante aspecto, en este proyecto también tratan de contribuir al conocimiento de la intrincada red de interacciones que se establece entre las proteínas virales y los sistemas defensivos de la planta que, en ocasiones, conducen al desarrollo de la enfermedad, pero que en otras conlleva la neutralización de la infección.

Investigadores/as Principales del proyecto
José Antonio Darós Arnau

José Antonio Darós Arnau dirige el grupo Biotecnología de Virus de Plantas en el Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (IBMCP), centro mixto del CSIC y la Universitat Politècnica de València. J.A. Darós obtuvo su doctorado en Ciencias Biológicas en 1994, tras lo cual realizó una estancia de formación postdoctoral en los EE. UU. A su regreso a España (1998), se reincorporó al IBMCP, centro en el que consiguió una posición permanente de Científico Titular del CSIC en 2004. Sus investigaciones han estado siempre ligadas al estudio de patógenos de plantas, como virus y viroides.

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Biotecnología de virus y plantas: vectores virales y estrategias de resistencia
El proyecto PlantVirTools tiene varios objetivos:

Mejorar la comprensión de la interacción planta-virus a nivel molecular.
Desarrollar estrategias biotecnológicas para proteger cultivos de plagas y patógenos.
Crear vectores virales para edición genómica en plantas.
Producir metabolitos de interés en plantas biofactoria.
Generar proteínas recombinantes y nanopartículas terapéuticas en plantas.
Utilizar estrategias de RNA de interferencia para combatir plagas agrícolas.
Estudiar las interacciones proteína-proteína durante la infección viral en plantas modelo.

Este proyecto busca contribuir a convertir las plantas en una fuente sostenible de alimentos, forraje, materiales, compuestos químicos y productos farmacéuticos, promoviendo así la bioeconomía.

Referencia: PID2020-114691RB-I00
Programa: Programa Estatal de Generación de Conocimiento y Fortalecimiento Científico y Tecnológico del Sistema de I+D+i – Agencia Estatal de Investigación (AEI).
Título: Proyecto I+D+i 2020 «Generación de Conocimiento»: La inoculación de un vector viral que expresa una enzima biosintética en plantas de calabacín permite fortificar sus frutos en carotenoides.
Investigador: José Antonio Darós Arnau.
Entidad beneficiaria: Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).
Área temática: Biociencias y biotecnología (BIO).
Duración: 3 años.