Los científicos han descrito estos cambios e identificado algunos de los genes que los controlan, pero no está claro cómo funcionan juntos todos los procesos. Al carecer de esta visión global, los fitomejoradores han luchado para diseñar cultivos tolerantes al frío.

Un estudio reciente de la Universidad de Illinois y la Universidad Técnica Gebze en Turquía proporciona una nueva forma de pensar sobre el estrés por frío en las plantas que va más allá del enfoque tradicional de examinar un solo gen, proteína o vía bioquímica a la vez. En su lugar, examina simultáneamente toda la colección de genes, metabolitos, vías y reacciones involucradas en la respuesta al estrés por frío .

“Hay pocas posibilidades de que los fitomejoradores puedan modificar con éxito un solo gen y lograr una mayor tolerancia al frío. Necesitamos entender todo el sistema: no solo el gen de interés sino todos los genes relacionados que afectan vías particulares y otras actividades biológicas involucradas en la planta. respuesta al estrés “, dice Gustavo Caetano-Anollés, profesor del Departamento de Ciencias de los Cultivos en la U of I y autor del estudio Fronteras en Bioingeniería y Biotecnología . “Nuestro estudio identifica metabolitos significativos asociados con rasgos importantes y es un paso adelante en las técnicas de perfilado metabólico”.

La secuenciación de genes de próxima generación hizo posible generar listas de todos los genes y proteínas que se expresan en un momento dado dentro de un organismo, lo que constituye millones de puntos de datos, pero todavía no había manera de entender qué eran todos o cómo interactuaban. .

Avanzando, el equipo de investigación examinó los puntos de datos recopilados de Arabidopsis thaliana, una pequeña planta comúnmente estudiada para comprender los procesos genéticos y fisiológicos, en cuatro puntos de tiempo durante la respuesta al estrés por frío. Usando una base de datos que anota genes y productos genéticos, el equipo pudo construir una red de genes, metabolitos y vías, identificando todos los procesos involucrados en la respuesta al estrés por frío de la planta.

“Nuestro análisis reveló los metabolitos asociados con el estrés en numerosas vías que no necesariamente pensamos que responderían al estrés por frío, incluidos los aminoácidos, los carbohidratos, los lípidos, las hormonas, la energía, la fotosíntesis y las vías de señalización. Esto demuestra lo importante que es verlo. La respuesta al estrés a nivel de sistemas “, dice Caetano-Anollés. “Encontramos que el estrés por frío provocó primero un estallido de energía, seguido de un desvío de carbonos hacia el metabolismo de los aminoácidos y los lípidos”.

Ibrahim Koç, investigador de la Universidad Técnica de Gebze y coautor del estudio, agrega: “En particular, el etanol fue un metabolito importante involucrado en el manejo de la energía celular”.

El descubrimiento indica una posible ruta para los fitomejoradores e ingenieros biológicos, aunque se requiere más investigación para determinar si las vías involucradas pueden modificarse simultáneamente. Específicamente, la metodología permitirá a los científicos usar herramientas de biología de sistemas para estudiar las reacciones metabólicas que pueblan vías importantes, y diseñar enzimas colectivamente para mejorar la forma en que las plantas responden a las agresiones ambientales.

Es importante destacar que la investigación proporciona un método para observar los procesos metabólicos en prácticamente cualquier organismo. Caetano-Anollés sugiere que el método podría usarse, por ejemplo, para observar la resistencia a los herbicidas en las malezas o la resistencia a los antibióticos en los mamíferos.

“Las estrategias que usan redes complejas que vinculan sistemáticamente las actividades de los genes con funciones biológicas relevantes ahora abren oportunidades notables para la ingeniería genética y la biología sintética”, concluye Caetano-Anollés.