Desde 1988, los científicos de plantas han dependido de la “pistola génica” estándar para transformar genéticamente cultivos, con el objetivo de mejorar el rendimiento, nutrición, resistencia a plagas y otras características clave. Sin embargo, esta técnica, que dispara partículas diminutas cargadas de material genético a células vegetales bajo alta presión, enfrenta desafíos como baja eficiencia, resultados inconsistentes y daño tisular causado por partículas de alta velocidad.

El equipo liderado por el profesor asociado de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Estatal de Iowa, Shan Jiang, se propuso mejorar esta herramienta básica de investigación vegetal. Sus resultados, publicados en Nature Communications, no solo documentan el proceso de búsqueda de soluciones, sino que también introducen la fundación de una startup basada en esta invención.

El profesor Jiang tiene un rico fondo en investigación, habiendo sido investigador postdoctoral en el Laboratorio Langer del MIT, dirigido por Robert Langer, pionero en el desarrollo de fármacos de ARNm. A pesar de oportunidades limitadas en investigación médica, Jiang dirigió su atención a la agricultura, particularmente a cómo entregar ADN efectivamente a células vegetales para introducir o mejorar características de cultivos.

A través de una llamada telefónica casual, el profesor Jiang conectó con el profesor de agronomía de la Universidad Estatal de Iowa, Kan Wang, y juntos discutieron desafíos en la investigación vegetal, especialmente la dificultad de entregar material genético a través de las duras paredes celulares de plantas. Jiang señaló que este es un área largamente descuidada, con pocos científicos de materiales involucrados en la entrega a células vegetales.

La tecnología tradicional de pistola génica implica recubrir partículas microscópicas de oro o tungsteno con material genético y dispararlas a células vegetales. Sin embargo, este proceso es de baja eficiencia y a menudo causa fragmentación en el genoma y múltiples inserciones transgénicas, haciendo impredecible la expresión génica. El profesor Jiang y su equipo decidieron buscar nuevas soluciones.

Después de cuatro años de esfuerzo, el equipo utilizó un modelo de dinámica de fluidos computacional de flujos de partículas en pistolas génicas para descubrir un cuello de botella en el cañón interno de la pistola génica. Este cuello de botella causa pérdida de partículas, interrupciones de flujo, reducción de presión y velocidad, afectando la eficiencia de transformación. Basados en este descubrimiento, el equipo diseñó un nuevo cañón interno —el “cañón de guía de flujo”— y fabricó prototipos de prueba mediante impresión 3D.

Los resultados de pruebas mostraron que la pistola génica modificada con cañón de guía de flujo mejoró significativamente el rendimiento: la eficiencia de guía de partículas cargadas aumentó del ~21% de la pistola génica tradicional a casi 100%. En pruebas con cebolla, la eficiencia de transfección transitoria aumentó 22 veces; en plántulas de maíz, la eficiencia de infección viral aumentó 17 veces; y en trigo utilizando herramientas de edición genómica CRISPR, la eficiencia experimental se duplicó.

El profesor Kan Wang, científico de plantas de la Universidad Estatal de Iowa, indicó que la calidad del trabajo en laboratorio mejoró 10 a 20 veces, con una eficiencia de trabajo drásticamente elevada. El profesor Yiqi Qi de la Universidad de Maryland en Ciencias de Plantas y Arquitectura de Paisajes también señaló que el cañón de guía de flujo hará que la transformación vegetal y edición genómica sean más fáciles y eficientes, mostrando enorme potencial en la edición genómica heredable en cultivos como el trigo.

El profesor Jiang dijo que el cañón de guía de flujo mejora la eficiencia 10 a 20 veces, ahorrando a científicos de plantas y compañías agrícolas millones de dólares en tiempo y recursos, acelerando el ciclo de plantas o productos. Enfatizó que, aunque el dispositivo parece simple, sus beneficios son invaluables, ayudando a desarrollar estrategias de mejora de cultivos más seguras y efectivas, mejorando la adaptabilidad ambiental y el contenido nutricional de cultivos, y promoviendo la producción de energía sostenible.