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Plantas de ingeniería para un futuro sostenible


En la búsqueda de materiales sostenibles, las estructuras cotidianas de las plantas podrían ayudar a reemplazar los materiales contaminantes y los plásticos por otros que son menos perjudiciales para nuestro medio ambiente.


Staffan Persson, Universidad de Melbourne

Las plantas producen paredes a diario y estas paredes soportan muchos aspectos esenciales de la vida.

Nuestro nuevo descubrimiento, publicado en Nature Plants , muestra cómo se podrían manipular las paredes de las plantas en el futuro para cambiar la forma en que producimos biocombustibles, bioplásticos y otros biomateriales.

Los bloques de construcción de la vida.

Cada célula vegetal se rodea de estructuras de pared, también conocidas como paredes celulares. Estos son los bloques de construcción para alimentos, combustibles y materiales. Como científicos, invertimos mucho tiempo y esfuerzo en comprenderlos, con el objetivo de poder manipular sus contenidos y estructuras.

En particular, la comprensión de cómo controlar la producción de paredes primarias flexibles, que apoyan el crecimiento celular, ha sido un objetivo importante para los biólogos.

Los polímeros a base de azúcar en estas paredes podrían usarse para una variedad de aplicaciones, como convertirlos en biocombustibles, proporcionar nuevos tipos de nanomateriales verdes o desarrollar bioplásticos.

Sin embargo, gran parte del material vegetal comprende paredes secundarias, que están asociadas con la madera. Estas estructuras tienen características diferentes a las de las paredes primarias y son mucho más difíciles de separar.

Si pudiéramos sustituir una pared por otra, o incluso combinar las características de los dos tipos de pared, sería mucho más fácil extraer los azúcares.

Sin embargo, esto es más fácil decirlo que hacerlo, ya que un arsenal de actividades de proteínas contribuye a las estructuras de dos paredes. Una forma potencial de solucionar este problema es encontrar una manera de «activar» los genes que controlan el programa completo de uno u otro tipo de pared.

Plantas de ingeniería para un futuro sostenible.

Panel izquierdo: Planta típica de berro thale que contiene una pared primaria delgada y flexible y una pared secundaria gruesa y resistente en su tejido de tallo leñoso. 
Panel central: planta de berro Thale que se ha cambiado para que no produzca paredes secundarias en sus celdas de fibra leñosa; ha reducido la fuerza del vástago. 
Panel derecho: planta de berros Thale del panel central que ahora tiene un interruptor maestro para la producción de paredes primarias gruesas en sus celdas de fibra leñosa. 
Esta planta ahora produce una pared primaria gruesa en el ritmo de su pared secundaria. 
Crédito: AIST y el profesor Nobutaka Mitsuda

Interruptores maestros

En nuestro nuevo estudio, hemos identificado ‘interruptores maestros’ que pueden activar la producción de muros primarios. Sorprendentemente, estos interruptores pueden hacer que las células produzcan gruesos muros primarios que incluso pueden usarse para reemplazar muros secundarios.

La capacidad de combinar la facilidad de separar los polímeros de azúcar de la pared primaria, con la capacidad de las paredes secundarias para crecer de manera gruesa, significa que potencialmente podemos cambiar completamente el contenido de la biomasa de las plantas , de algo que es fuerte pero difícil de separar en algo. Eso es más plástico y fácil de disolver.

Identificamos estos interruptores maestros expresando una gran selección de algo llamado factores de transcripción, que son proteínas que pueden activar la actividad de otros genes, en las células de fibra leñosa de las plantas.

El punto crucial aquí fue utilizar plantas que no son capaces de producir paredes secundarias leñosas como nuestro material de partida. Para hacer esto, utilizamos plantas del laboratorio Mitsuda en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón que se modificaron para que ya no pudieran construir estas sólidas paredes secundarias (los genes de estas paredes habían sido «eliminados») .

Al impulsar la actividad de los factores de transcripción solo en las células de fibra leñosa, podríamos detectar aquellas plantas que restauraron una estructura de pared gruesa alrededor de las células. Evaluamos químicamente esas plantas y encontramos algunas que producían paredes gruesas pero con características primarias similares a las paredes.

De hecho, estas paredes eran más similares a las paredes primarias gruesas. Si bien son menos fuertes que las típicas células de fibra encapsuladas en la pared secundaria , la cantidad de azúcares que se liberan de ellas aumenta sustancialmente.

Al combinar la actividad de estos interruptores maestros genéticos con diferentes factores de transcripción de la pared secundaria , podremos adaptar y diseñar la biomasa de las plantas en el futuro, lo que llevará a plantas que pueden liberar fácilmente sus azúcares para la producción de combustible verde o para nuevos. Tipos de materiales.

Estos materiales podrían, por ejemplo, usarse en los sectores electrónico y médico, y quizás para componentes de computadora como los nanomateriales verdes. Incluso pueden tener el potencial de convertirse en una alternativa a los plásticos, en algunos entornos.

Las plantas pueden ayudarnos a fabricar un futuro más verde, y gracias a los avances en genómica estamos empezando a entenderlos mejor que nunca. Nuestros descubrimientos ayudarán a diseñar plantas para producir nuevos tipos de paredes celulares, proporcionando un futuro emocionante en materiales sostenibles .

Más información: Shingo Sakamoto et al. Sustitución completa de una pared celular secundaria con una pared celular primaria en Arabidopsis, Nature Plants (2018). DOI: 10.1038 / s41477-018-0260-4 

Referencia del diario: Plantas naturales.  

Proporcionado por: Universidad de Melbourne

Información: phys.org


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