La biologia sintetica può essere utilizzata per aiutare le piante a produrre una vasta gamma di preziosi prodotti naturali / Synthetic Biology Can Be Used to Help Plants Produce a Wide Range of Valuable Natural Products

 La biologia sintetica può essere utilizzata per aiutare le piante a produrre una vasta gamma di preziosi prodotti naturali / Synthetic Biology Can Be Used to Help Plants Produce a Wide Range of Valuable Natural Products

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori hanno pubblicato uno studio che ha dimostrato l'uso dell'ingegneria dei percorsi e degli elementi genetici sintetici per controllare i tempi ei livelli di produzione dei feromoni sessuali dei lepidotteri nella Nicotiana benthamiana.

Gli scienziati dell'Earlham Institute di Norwich, nel Regno Unito, affermano di essere stati in grado di trasformare le piante di tabacco in fabbriche a energia solare per i feromoni sessuali delle tarme. Inoltre, hanno dimostrato come la produzione di queste molecole possa essere gestita in modo efficiente in modo da non ostacolare la normale crescita delle piante.

Gli agricoltori possono appendere dispersori di feromoni tra i loro raccolti per imitare i segnali delle femmine di insetti, intrappolando o distraendo i maschi dal trovare un compagno. Alcune di queste molecole possono essere prodotte mediante processi chimici, ma la sintesi chimica è spesso costosa e crea sottoprodotti tossici.

Nicola Patron, PhD, che ha guidato questa nuova ricerca e dirige il gruppo di biologia sintetica a Earlham, ritiene che il lavoro del gruppo aprirà la strada all'uso sistematico delle piante per produrre un'ampia gamma di preziosi prodotti naturali.

"La biologia sintetica può permetterci di ingegnerizzare le piante per ottenere molto di più da qualcosa che hanno già prodotto, oppure possiamo fornire le istruzioni genetiche che consentono loro di costruire nuove molecole biologiche, come medicinali o questi feromoni", ha affermato Patron.

In questo ultimo studio " Controllo regolabile della biosintesi dei feromoni degli insetti nella Nicotiana benthamiana ", che appare su Plant Biotechnology , i ricercatori hanno lavorato con gli scienziati dell'Istituto di biologia cellulare e molecolare delle piante di Valencia per progettare una specie di tabacco,  Nicotiana benthamiana , per produrre la falena feromoni sessuali. La stessa pianta è stata precedentemente progettata per produrre anticorpi contro l'Ebola e persino particelle simili al coronavirus da utilizzare nei vaccini COVID.

Nuove sequenze di DNA

Il gruppo ha costruito nuove sequenze di DNA in laboratorio per imitare i geni della falena e ha introdotto alcuni interruttori molecolari per regolare con precisione la loro espressione, che attiva e disattiva efficacemente il processo di produzione.

“Il lavoro precedente ha dimostrato che le piante possono essere utilizzate come piattaforme di produzione per molecole utilizzate in salute, medicina ed agricoltura. La produzione è stata esemplificata sia in piante transgeniche stabili sia utilizzando strategie di espressione transitoria. In particolare, le specie di  Nicotiana  sono state progettate per produrre una gamma di molecole utili, compresi i feromoni sessuali degli insetti, che sono apprezzati per il controllo specifico delle specie dei parassiti agricoli", scrivono i ricercatori.

“Ad oggi, la maggior parte degli studi si è basata su una forte espressione costitutiva di tutti i geni del percorso. Tuttavia, il lavoro sui microbi ha dimostrato che i raccolti possono essere migliorati controllando e bilanciando l'espressione genica. Gli elementi normativi sintetici che forniscono il controllo sui tempi e sui livelli di espressione genica sono quindi utili per massimizzare i rendimenti da percorsi biosintetici eterologhi.

“In questo studio, dimostriamo l'uso dell'ingegneria dei percorsi e degli elementi genetici sintetici per controllare i tempi ed i livelli di produzione dei feromoni sessuali dei lepidotteri nella Nicotiana benthamiana. Dimostriamo che il rame può essere utilizzato come molecola a basso costo per un'espressione inducibile strettamente regolata. Inoltre, mostriamo come l'architettura del costrutto influenza l'espressione genica relativa e, di conseguenza, la resa del prodotto nei costrutti multigeni.

“Confrontiamo una serie di elementi normativi ortogonali sintetici e dimostriamo i massimi rendimenti da costrutti in cui l'espressione è mediata da attivatori trascrizionali sintetici basati su dCas9. Gli approcci qui dimostrati forniscono nuove informazioni sulla ricostruzione eterologa delle vie metaboliche nelle piante».

Ottimizzazione della produzione di feromoni

Una componente importante della nuova ricerca è stata la capacità di mettere a punto la produzione dei feromoni, poiché costringere le piante a costruire continuamente queste molecole ha i suoi svantaggi.

"Man mano che aumentiamo l'efficienza, troppa energia viene deviata dalla normale crescita e sviluppo", ha spiegato Patron. Le piante producono molti feromoni ma non sono in grado di crescere, il che sostanzialmente riduce la capacità della nostra linea di produzione. La nostra nuova ricerca fornisce un modo per regolare l'espressione genica con molta più sottigliezza.

“Abbiamo dimostrato di poter controllare i livelli di espressione di ciascun gene rispetto agli altri. Questo ci consente di controllare il rapporto tra i prodotti realizzati.

“Ottenere quella ricetta giusta è particolarmente importante per i feromoni delle tarme poiché sono spesso una miscela di due o tre molecole in rapporti specifici. I nostri collaboratori in Spagna stanno ora estraendo i feromoni di origine vegetale e testandoli in distributori per vedere come si confrontano con le falene femmine".

Uno dei principali vantaggi dell'utilizzo delle piante è che può essere molto più costoso costruire molecole complesse utilizzando processi chimici, ha osservato Patron. Le piante producono già una serie di molecole utili così con nuove tecniche per adattare e perfezionare i macchinari esistenti.

"In futuro, potremmo vedere serre piene di fabbriche di piante che forniscono un modo più verde, più economico e più sostenibile per produrre molecole complesse", ha sottolineato.

ENGLISH

Researchers published a study that demonstrated the use of pathway engineering and synthetic genetic elements for controlling the timing and levels of production of Lepidopteran sex pheromones in Nicotiana benthamiana.

Scientists at the Earlham Institute in Norwich, U.K., say they have been able to turn tobacco plants into solar-powered factories for moth sex pheromones. In addition, they’ve shown how the production of these molecules can be efficiently managed so as not to hamper normal plant growth.

Farmers can hang pheromone dispersers among their crops to mimic the signals of female insects, trapping or distracting males from finding a mate. Some of these molecules can be produced by chemical processes but chemical synthesis is often expensive and creates toxic byproducts.

Nicola Patron, PhD, who led this new research and heads the synthetic biology group at Earlham, believes the team’s work will pave the way to routinely using plants to produce a wide range of valuable natural products.

“Synthetic biology can allow us to engineer plants to make a lot more of something they already produced, or we can provide the genetic instructions that allow them to build new biological molecules, such as medicines or these pheromones,” said Patron.

In this latest study “Tunable control of insect pheromone biosynthesis in Nicotiana benthamiana”, which appears in Plant Biotechnology, the researchers worked with scientists at the Plant Molecular and Cell Biology Institute in Valencia to engineer a species of tobacco, Nicotiana benthamiana, to produce moth sex pheromones. The same plant has previously been engineered to produce Ebola antibodies and even coronavirus-like particles for use in COVID vaccines.

New DNA sequences

The group built new sequences of DNA in the lab to mimic the moth genes and introduced a few molecular switches to precisely regulate their expression, which effectively turns the manufacturing process on and off.

“Previous work has demonstrated that plants can be used as production platforms for molecules used in health, medicine, and agriculture. Production has been exemplified in both stable transgenic plants and using transient expression strategies. In particular, species of Nicotiana have been engineered to produce a range of useful molecules, including insect sex pheromones, which are valued for species-specific control of agricultural pests,” write the investigators.

“To date, most studies have relied on strong constitutive expression of all pathway genes. However, work in microbes has demonstrated that yields can be improved by controlling and balancing gene expression. Synthetic regulatory elements that provide control over the timing and levels of gene expression are therefore useful for maximizing yields from heterologous biosynthetic pathways.

“In this study, we demonstrate the use of pathway engineering and synthetic genetic elements for controlling the timing and levels of production of Lepidopteran sex pheromones in Nicotiana benthamiana. We demonstrate that copper can be used as a low-cost molecule for tightly regulated inducible expression. Further, we show how construct architecture influences relative gene expression and, consequently, product yields in multi-gene constructs.

“We compare a number of synthetic orthogonal regulatory elements and demonstrate maximal yields from constructs in which expression is mediated by dCas9-based synthetic transcriptional activators. The approaches demonstrated here provide new insights into the heterologous reconstruction of metabolic pathways in plants.”

Fine tuning pheromone production

An important component of the new research was the ability to fine tune the production of the pheromones, as coercing plants to continuously build these molecules has its drawbacks.

“As we increase efficiency, too much energy is diverted away from normal growth and development,” explained Patron. The plants are producing a lot of pheromone but they’re not able to grow large, which essentially reduces the capacity of our production line. Our new research provides a way to regulate gene expression with much more subtlety.

“We’ve shown we can control the levels of expression of each gene relative to the others. This allows us to control the ratio of products that are made.

“Getting that recipe right is particularly important for moth pheromones as they’re often a blend of two or three molecules in specific ratios. Our collaborators in Spain are now extracting the plant-made pheromones and testing them in dispensers to see how well they compare to female moths.”

A major advantage of using plants is that it can be far more expensive to build complex molecules using chemical processes, noted Patron. Plants produce an array of useful molecules already so novel techniques to adapt and refine the existing machinery.

“In the future, we may see greenhouses full of plant factories providing a greener, cheaper and more sustainable way to manufacture complex molecules,” she pointed out.

Da:

https://www.genengnews.com/topics/omics/synthetic-biology-can-be-used-to-help-plants-produce-a-wide-range-of-valuable-natural-products/?fbclid=IwAR2_qn_5Vk6P-0zPqr18D457mc3jMz0_BNQXI5nwVU879UiWJgKYa1rEEa0