Descifran mecanismos de un proceso clave para la biología de las plantas y el rendimiento de los cultivos

En un nuevo estudio, se ha conseguido revelar detalles, que hasta ahora eran desconocidos, sobre un proceso fundamental en el desarrollo vegetal, que afecta al rendimiento de cultivos de interés agronómico. Se trata del procesamiento de los microARNs, pequeñas moléculas (presentes en plantas y animales) responsables controlar con precisión en qué cantidad se expresan los genes. El estudio aporta nuevos conocimientos sobre cómo funciona este mecanismo molecular de control de la expresión génica en plantas.

El estudio lo ha llevado a cabo un equipo encabezado por Javier Palatnik, investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) y director del Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR, centro mixto del CONICET y la Universidad Nacional de Rosario (UNR)).

“La información que tenemos, gracias a esta investigación sobre los mecanismos de generación de microARN, nos permitiría fácilmente controlar procesos biológicos complejos en plantas cultivables”, señala entusiasta Palatnik.

Respuestas moleculares a la vida: del ADN a los microARNs

A partir del descubrimiento de la doble hélice del ADN (ácido desoxirribonucleico) en 1959, surgió un nuevo mundo de posibilidades para comprender el funcionamiento de los seres vivos: el mundo de la biología molecular. Desde entonces, las preguntas y experimentos de cientos de grupos de investigación en todo el mundo se han ido entrelazando dando lugar a muchas respuestas sobre el rol de los ácidos nucleicos.

Las bases fundacionales de la biología molecular establecen que en el ADN existen fragmentos delimitados de secuencias que tienen la información específica para la síntesis de una proteína en particular, denominados genes. Como el ADN es una molécula enorme que no puede salir del núcleo de las células, existen moléculas de ARN (ácido ribonucleico), llamadas también mensajeros, que copian la secuencia de los genes llevando esta información fuera del núcleo donde se encuentra la maquinaria celular necesaria para fabricar las proteínas.

Sin embargo, solo el 1,5 por ciento del total del ADN que tiene una célula corresponde a genes y un amplio porcentaje restante son secuencias necesarias para controlar dónde, cómo y cuánto se expresa cada gen. A comienzos del nuevo milenio, un grupo de moléculas muy pequeñas de ARN captaron la atención de la comunidad científica, porque sus secuencias no codificaban para proteínas, y, sin embargo, se las encontraba en todos los modelos de estudio, desde moscas hasta humanos, pasando por gusanos y plantas.

Se demostró que cumplían diversos roles en el desarrollo e incluso algunas resultaban esenciales para la vida de estos organismos, se las denominó microARNs. “Yo vi nacer esta historia, durante mi trabajo posdoctoral logramos caracterizar la función biológica del primer microARN en plantas”, recuerda con orgullo Palatnik. El hallazgo fue publicado en su día en la revista académica Nature, siendo además destacado en la portada.

Resultó que lo que hacía tan importantes a estas pequeñas moléculas era que “son como una capa adicional sobre la regulación de la cantidad de expresión de un gen”, indica Santiago Rosatti, quien realizó su tesis doctoral en el IBR con la investigación recientemente publicada, y agrega: “Hay muchos procesos biológicos donde las cantidades de expresión de un gen deben ser reguladas de forma cuantitativa con precisión, no se trata de todo o nada y los microARNs son muy buenos para esto”.

Santiago Rosatti y Javier Palatnik. (Foto: IBR / CONICET. CC BY 2.5 AR)

A medida que se encontraban secuencias de microARN que resultaban complementarias a secuencias de ARN mensajeros, comenzó a dilucidarse un modelo de acción mediante el cual los microARNs podían unirse específicamente a sus mensajeros blanco e inducir su destrucción, disminuyendo así, la síntesis de determinadas proteínas. O sea, que a mayor cantidad de un microARN, más mensajeros son destruidos y menor es la cantidad de proteína que puede fabricarse. “Por eso es importante conocer de qué manera se regula al regulador, como se define la cantidad que se produce de microARN y de allí surge la idea principal de este trabajo”, expresa Palatnik.

Los microARNs son generados en el núcleo, en principio como una molécula precursora más grande llamada premicroARN, que por las características de su secuencia se pliega sobre misma adquiriendo una conformación de “horquilla”. Esta luego es procesada (cortada en fragmentos más pequeños) dando origen a los microARNs que son exportados al citoplasma donde finalmente cumplen su función. En plantas, el procesamiento de los premicroARNs puede ser de dos maneras distintas: el denominado de dos pasos, donde son necesarios dos cortes en el precursor para obtener un microARN maduro, y el secuencial, cuando se requieren más de dos sitios de corte.

Al analizar secuencias de premicroARN, Palatnik y su equipo observaron que muchas estaban muy conservadas evolutivamente: “Teníamos la hipótesis que modificar la estructura del precursor de alguna manera debía afectar el procesamiento y la cantidad que se produce de un microARN”, aclara Palatnik. Los primeros experimentos para poner esta idea a prueba se realizaron en 2016. Comenzaron trabajando con el precursor del microARN miR319 de Arabidopsis thaliana (la planta modelo de estudio más extendida en investigación). Según cuenta Rosatti, realizaron cambios puntuales en la secuencia del premicroARN que modificaban su estructura, pero no tuvieron el resultado esperado: no cambiaba en nada la cantidad de microARN.

“En ese momento, el proyecto parecía un fracaso. Pero luego, cuando probamos con precursores de otros microARNs, el resultado de los mismos experimentos fue totalmente distinto”, devela Palatnik. Siguiendo esta pista con un minucioso diseño experimental, pudieron descubrir que estos resultados opuestos se debían a que el tipo de procesamiento que atraviesa el precursor determina si la cantidad de microARN que se produce es regulable o no.

“Entendimos que esa complejidad tan grande que hay para procesar los microARNs en plantas tiene sentido. El primer precursor que habíamos elegido era de procesamiento secuencial, y ahí vimos que no importaban las modificaciones que hiciéramos, siempre se generaba la misma cantidad de microARN. En cambio, apenas alterábamos la estructura de los precursores de procesamiento en dos pasos, cambiaba un montón la eficiencia del procesamiento y la cantidad de micro ARN”, asegura el investigador. Basándose en estos inesperados resultados, pudieron establecer dos modelos de regulación de la producción de microARN en plantas, donde la secuencia (y la estructura) de su precursor tienen roles que hasta ahora eran desconocidos.

“Estudiar los precursores de microARN y sus modos de procesamiento, es parte de lo que podríamos denominar una investigación en ciencia básica”, indica Rosatti, mientras Palatnik remarca que habiendo dilucidado este mecanismo cuentan “con el conocimiento que permite fácilmente aplicar herramientas de edición génica para aumentar o disminuir la expresión de genes determinados, definiendo la cantidad de microARN que se produce en una planta y por ejemplo, llegar a controlar en una especie de interés comercial procesos biológicos muy complejos, como la floración”.

La investigación también es un proceso complejo, lleva mucho tiempo y puede poner a prueba la resiliencia y perseverancia de quienes dedican su vida a ella. En palabras de Palatnik: “Aun cuando los resultados no son los que uno espera, tienen un gran valor. Es importante tener la curiosidad siempre alerta, porque si el experimento está bien diseñado, en determinado momento, las piezas empiezan a encajar dando forma a una historia incluso mucho más interesante, y eso es de lo más emocionante que tienen estos descubrimientos”.

Palatnik detalla que los experimentos fueron realizados por Rosatti, junto con las entonces becarias del CONICET en el IBR, Arantxa Rojas y Belén Moro, y la investigadora del Consejo Irina Suarez. Completaron el equipo Nicolás Bologna y Uciel Chorostecki, investigadores del Centro de Investigación en Genómica Agrícola (CRAG) en Barcelona y la Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud, en la Universidad Internacional de Cataluña, respectivamente, quienes también contaron con becas del CONICET para realizar etapas de su formación científica en el laboratorio de Palatnik.

El estudio se titula “Principles of miRNA/miRNA* function in plant MIRNA processing”. Y se ha publicado en la revista Nucleic Acids Research, ilustrando además su portada como estudio destacado. (Fuente: Elizabeth Karayekov / IBR / CONICET. CC BY 2.5 AR)