Un futuro brillante: plantas bioluminiscentes y la biotecnología que esconden

En esta nueva colaboración para espaciociencia.com, el Dr. Jorge Poveda Arias nos envía un interesantísimo artículo creado para nuestra revista con Iván Pérez Lorenzo, alumno de 4º curso de Grado en Biología por la Universidad de Salamanca (Asignatura: Introducción a la Biotecnología Vegetal).   ¿Te imaginas algún invento capaz de dar sombra en los días […]

En esta nueva colaboración para espaciociencia.com, el Dr. Jorge Poveda Arias nos envía un interesantísimo artículo creado para nuestra revista con Iván Pérez Lorenzo, alumno de 4º curso de Grado en Biología por la Universidad de Salamanca (Asignatura: Introducción a la Biotecnología Vegetal).

 

¿Te imaginas algún invento capaz de dar sombra en los días calurosos y luz durante la noche? ¿y si este invento, además, nos ayudase con el cambio climático, no gastase energía eléctrica y no requiriese mantenimiento? Pues no has de esperar mucho, porque esto ya existe.

Bioluminiscencia

En la última década, los investigadores han hecho un gran esfuerzo por entender cómo ocurre la bioluminiscencia (capacidad de un ser vivo para emitir luz), consiguiendo describir este mecanismo en numerosas especies de bacterias y animales. Con el desarrollo de la biotecnología, se han conseguido insertar los genes responsables de este fenómeno en cualquier ser vivo, pero el grupo que nos interesa ahora son, cómo no, las plantas. Para conseguir que una planta emita luz, lo único que debemos hacer es modificar el genoma de sus células, haciendo que fabriquen unas proteínas específicas llamadas luciferinas, y su sustrato, la luciferasa.

El sistema luciferina-luciferasa es el responsable del brillo que emiten las luciérnagas, aunque este mecanismo está presente en seres vivos tan diferentes como los hongos. Para entenderlo mejor, la luciferasa es como un motor, que en presencia de gasolina (en este caso la luciferina) produce energía; en el caso del motor la energía de la combustión se utiliza para generar movimiento, en los organismos vivos el sistema luciferina-luciferasa emite energía en forma de luz. No es de extrañar que cuando los científicos descubrieron que este sistema podía introducirse en otros organismos se pusieran a experimentar en busca de posibles soluciones que mejorasen nuestra vida.

 

Entre las aproximaciones más útiles está la transformación de árboles para que emitan luz por la noche. A largo plazo, pueden sustituir a los sistemas de alumbrado público actuales, ya que estos requieren de energías fósiles para funcionar e impiden que exista una capa arbórea sana en las principales ciudades, lo que provoca unas temperaturas elevadas en verano a causa de la falta de sombra. Para entender como pasamos de tener árboles corrientes a potenciales “bio-farolas” tenemos que comprender antes cómo funciona la bioluminiscencia en organismos más simples como las bacterias.

Cómo funciona la bioluminiscencia

En este grupo de microorganismos, la bioluminiscencia viene regulada por el operón lux, un conjunto de genes que se expresan a la vez en respuesta a un estímulo. Dicho de otro modo, la bioluminiscencia en bacterias es una forma de comunicación y defensa que se activa cuando ocurre un suceso determinado. En el caso de la bacteria Vibrio fisheri, la emisión de luz ocurre cuando existe un elevado número de células, emitiendo todas ellas luz al mismo tiempo. Estas bacterias viven en simbiosis con muchos animales marinos, que les brindan protección y alimento a cambio de la valiosa luz que tanto escasea en las profundidades marinas. Como hemos dicho, el operón lux únicamente se expresa cuando existe el estímulo adecuado; esto es crucial para poder regular la emisión de luz, ya que sólo queremos que nuestras “bio-farolas” emitan luz por la noche. Una vez que hemos conseguido entender y aislar los genes que controlan la bioluminiscencia únicamente quedaría introducirlos dentro del genoma de la planta. Para ello se utiliza un método muy ingenioso que se lleva desarrollando desde los años 70, la transgénesis. Pero ¿Qué es esto de la transgénesis? ¿serán peligrosos los árboles transgénicos plantados en nuestras calles? Intentaremos dar respuesta a estas preguntas.

Trangénesis y bioluminiscencia

La transgénesis es el proceso por el cual se insertan genes de un organismo en otro de distinta especie usando, generalmente, un vector (cualquier cosa capaz de introducir el gen de interés en la planta: generalmente son virus, bacterias…). Para conseguir nuestra planta transgénica colocamos al operón lux dentro de una bacteria, en este caso se utiliza el género Agrobacterium, que es capaz de transferir parte de su genoma a las plantas, causándoles las conocidas agallas en corona. Este proceso ocurre en la naturaleza y ha sido motor de la evolución en varias especies vegetales, pero en la actualidad se conoce tan bien este mecanismo que hemos podido modificarlo para que no cause daños a la planta, esterilizarla (para evitar que polinice a plantas silvestres) y que, únicamente, inserte lo que nosotros queremos, en este caso el operón lux. Una vez tenemos el gen dentro de la célula vegetal cabe preguntarse ¿y ahora, donde lo metemos? Ha de ser un lugar donde la luz emitida por el sistema luciferina-luciferasa se pueda ver, por lo que descartamos las raíces y los tallos, eligiendo un órgano plano, fino y con gran superficie, la hoja. Para conseguir esto, introducimos el operón justo después de algún gen que sólo se exprese en las hojas y durante la noche, así, cuando el gen se exprese también lo hará el operón. Una vez hecho esto ya tendríamos nuestra planta transgénica lista para brillar.

REFERENCIAS

  • Abeles, F. B. (1986). Plant chemiluminescence. Annual review of plant physiology37(1), 49-72.
  • Desjardin, D. E., Oliveira, A. G., & Stevani, C. V. (2008). Fungi bioluminescence revisited. Photochemical & Photobiological Sciences7(2), 170-182.
  • Engebrecht, J., Nealson, K., & Silverman, M. (1983). Bacterial bioluminescence: isolation and genetic analysis of functions from Vibrio fischeri. Cell32(3), 773-781.
  • Gandelman, O. A., Brovko, L. Y., Ugarova, N. N., Chikishev, A. Y., & Shkurimov, A. P. (1993). Oxyluciferin fluorescence is a model of native bioluminescence in the firefly luciferin—luciferase system. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology19(3), 187-191.
  • Hudkins, B. E. (2010). U.S. Patent No. 7,663,022. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
  • Kendall, J. M., & Badminton, M. N. (1998). Aequorea victoria bioluminescence moves into an exciting new era. Trends in biotechnology16(5), 216-224.
  • Saiz Balbastre, Sandra (2015) Desarrollo y aplicación de un sistema integrativo de luciferasa para la cuantificación de la expresión génica in vivo (Tesis doctoral, Universidad Politécnica de Valencia).
  • https://www.theatlantic.com/science/archive/2017/04/whatever-happened-to-the-glowing-plant-kickstarter/523551/
  • https://www.agenciasinc.es/Noticias/El-sistema-bioluminiscente-de-un-hongo-puede-dotar-de-luz-a-animales-y-plantas
Un futuro brillante: plantas bioluminiscentes y la biotecnología que esconden
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