Líneas de investigación

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LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

Nuestra primera área de interés busca comprender cómo las plantas perciben y responden a las señales de nutrientes nitrogenados. Nuestro objetivo es diseccionar los mecanismos moleculares implicados en la modulación de N-nutrientes del crecimiento temprano post embrionario de Arabidopsis thaliana, así como las respuestas durante la transición temprana de plántulas a etapas juveniles del desarrollo de la planta. La absorción, el uso y la asignación eficientes de los recursos N durante estas etapas de desarrollo son fundamentales para el establecimiento de la planta y el aumento concomitante de la tasa de crecimiento. Abordamos el efecto de N en el contexto de otras señales ambientales (fotoperíodo, calidad de la luz o temperatura) y analizamos la posible diafonía de estas señales con las vías hormonales endógenas. La evidencia anterior de nuestro grupo destaca el papel del control postranscripcional en las respuestas N. En consecuencia, exploramos el papel de los ARN móviles controlados por N y su importancia en los procesos regulados por N en las plantas. Estos esfuerzos deberían permitir probar el papel de los mecanismos basados en ARN en las redes reguladoras de nutrientes N a larga distancia y los mecanismos de control fisiológico.

Nuestra segunda área de interés busca identificar la luz subyacente de GRN, el tiempo (circadiano) y el control nutricional de la fisiología fúngica. Aunque continuaremos el trabajo previo de mapeo de GRN transcripcionales controlados circadianamente en Neurospora crassa, nos concentraremos en el hongo patógeno de plantas Botrytis cinerea, un importante problema agronómico en todo el mundo. Demostramos que tanto la regulación de la luz como la circadiana modulan la virulencia. Aquí planeamos diseccionar los mecanismos moleculares subyacentes a la diafonía entre la homeostasis de la luz y del hierro. También ampliaremos nuestras observaciones que vinculan los componentes circadianos y el metabolismo N, así como la regulación del reloj de factores de virulencia (aún) no identificados. Además, investigaremos el efecto de la modulación luz / tiempo de las capacidades de biocontrol de Trichoderma atroviride. Dichos estudios también implicarán analizar el alcance de los mecanismos de control circadiano en este hongo beneficioso.

Finalmente, deseamos comprender el papel de la diversidad fenotípica en la adaptación a ambientes fríos. Las levaduras son excelentes sistemas modelo para analizar las estrategias de adaptación a las fluctuaciones de temperatura. Aprovecharemos nuestras cepas de S. eubayanus recientemente aisladas (cepa parental del híbrido de levadura utilizado para producir cerveza lager) del sur de Chile. Contamos con numerosos aislamientos nativos de S. eubayanus de diversos ambientes fríos, lo que representa una gran oportunidad para diseccionar la base molecular de la criolerancia. Este esfuerzo también debería permitirnos abordar cuestiones generales que relacionan la variabilidad fenotípica con la variación de secuencia y la evolución conjunta de determinantes cis y trans. Además, el éxito en esta área permitirá estudios de procesos de hibridación relacionados con el vigor híbrido.

Aquí, consideramos un escenario más ambicioso y realista en el que los organismos enfrentan cambios ambientales en presencia de especies beneficiosas o perjudiciales que interactúan. Deseamos comprender los mecanismos moleculares integrando señales ambientales y bióticas. Un modelo experimental se centrará en Botrytis y Trichoderma, que tienen interacciones antagónicas. Examinamos cómo diferentes señales ambientales (luz, N, tiempo o temperatura) modulan su interacción (resistencia vs biocontrol), y cómo los transcriptomas se remodelan cuando ambos hongos interactúan bajo diferentes condiciones ambientales. Además, compararemos el efecto de las señales ambientales cuando Botrytis está interactuando con Arabidopsis versus el impacto de una señal dada (luz, nitrato) en Arabidopsis o Botrytis por separado. Es importante destacar que examinamos cómo estas diferentes señales ambientales (luz / N / tiempo) modifican el resultado de la interacción y, particularmente, cómo las firmas transcriptómicas de ambos organismos cambian cuando las señales abióticas y bióticas definidas ocurren simultáneamente. Se llevará a cabo un enfoque similar para comprender, a nivel fenotípico y molecular, cómo la interacción beneficiosa entre T. atroviride y raíces de Arabidopsis es modulada por el medio ambiente. Nuestro objetivo es inferir GRN para estos organismos que puedan explicar de manera realista la complejidad de las respuestas evocadas cuando coexisten señales bióticas y abióticas. Basándonos en los datos fenotípicos y moleculares obtenidos, identificaremos genes candidatos de interés que regulan el resultado de las interacciones planta-hongos y hongos-hongos. Estos candidatos se probarán en el Objetivo 3 (por ejemplo, genética inversa o GRN recableados) y compararán su desempeño en presencia de Arabidopsis. Es importante destacar que los datos publicados han demostrado la existencia de comunicación entre sRNA y Botrytis y Arabidopsis. Exploramos tales observaciones, tanto en el contexto de la variabilidad genética de Botrytis como con respecto a los mecanismos que median la movilidad del ARN. También exploraremos una comunicación de ARN bidireccional en una interacción beneficiosa utilizando nuestras raíces de Arabidopsis y el sistema de T. atroviride. Es importante destacar que analizamos el papel de los sRNA en la interacción Botrytis-Trichoderma, para comprender el efecto del sRNA social en la dinámica de hongos-hongos. Esta información puede ayudar a diseñar nuevas estrategias de control biológico al proporcionar hongos beneficiosos y antagónicos con ARNs personalizados.

La implementación de conmutadores transcripcionales ortogonales y sintonizables permite la perturbación controlada de los nodos transcripcionales de interés en plantas u hongos, lo que a su vez permite probar hipótesis y modelos derivados de los Objetivos 1 y 2. Además de los enfoques estándar de genética inversa, en este Objetivo desarrollamos nuevos conjuntos de controladores sintéticos, procesamiento de información de luz (interruptores optogenéticos) o compuestos moleculares (señal de nitrato, señales similares a la detección de quórum). Por ejemplo, para el diseño de redes transcripcionales recableadas o la adición de circuitos sintéticos tales como bucles de retroalimentación coherentes / incoherentes. En una realización, dichos conmutadores y circuitos podrían implementarse para permitir el control optogenético de propiedades biotecnológicas en hongos o plantas, y el diseño de osciladores moleculares independientes o acoplados. Tal enfoque nos permitiría probar el papel de los bucles moleculares para integrar los cambios ambientales de manera persistente (es decir, la memoria molecular), más allá de lo que ya se conoce para los ritmos circadianos. Como prueba de concepto, desarrollamos un circuito optogenético que permite que N. crassa se comporte como un “Live Canvas”. Las imágenes proyectadas sobre una capa de hongos provocan respuestas bioluminiscentes que recrean fielmente la imagen original. Sorprendentemente, al conectar este circuito optogenético con la red reguladora circadiana de N. crassa, el hongo reproduce en los días posteriores -de manera circadiana- la imagen que originalmente había “visto”, creando un efecto de memoria eidética (fotográfica). Tal fenómeno, puede producir nuevos conocimientos sobre las respuestas de fase y la comunicación celular, lo que nos permite diseccionar los mecanismos que pueden ejemplificar la memoria transcripcional a perturbaciones ambientales discretas. Utilizando una estrategia similar, planeamos explorar si otros bucles transcripcionales naturales (o modificados) son capaces de mostrar una memoria temporal comparable a los estímulos discretos o repetidos (por ejemplo, en respuesta a tratamientos transitorios con nitratos o cambios de temperatura). Comprender cómo estos bucles interactúan / se entrelazan y activan las vías de salida es fundamental para este objetivo.

iBio se compromete a tener un impacto duradero en la educación, el desarrollo de capacidades y la participación pública en las ciencias biológicas. Aunque esto pueda parecer una actividad de divulgación o capacitación, consideramos que es un Objetivo definitorio de nuestro Instituto que también contribuirá sustancialmente a impulsar nuestros Objetivos de investigación 1 a 3. Planeamos crear una plataforma de tecnologías de código abierto para sistemas de plantas / hongos y biología sintética. Esto implica la creación de recursos de software, hardware y wetware de código abierto para la construcción y pruebas genéticas eficientes, y nuevas herramientas para la obtención de imágenes de fluorescencia de plantas y hongos, entre otras actividades. La llegada de herramientas de fabricación personalizables, como impresoras 3D y máquinas de corte por láser, combinadas con software gratuito y microcontroladores fáciles de programar, permitirán la fabricación propia de dispositivos científicos a bajo costo. Planeamos aprovechar y promover este espíritu de «hágalo usted mismo» que ya ha dado lugar a una comunidad diversa que diseña, retoca y comparte una variedad de equipos de bajo costo en todo el mundo. Planeamos desarrollar herramientas para crear, por ejemplo, microscopios de código abierto para plantas y hongos combinando cámaras y ópticas en color de bajo costo, electrónica estándar, microcontroladores de código abierto y diseño paramétrico de piezas impresas en 3D. Además, generaremos herramientas para la fabricación rápida de ADN y una biblioteca abierta de componentes genéticos (por ejemplo, marcadores e inductores fluorescentes) para el estudio y la ingeniería de procesos biológicos de interés, como la señalización de N-nutrientes o la morfogénesis en la planta simple.

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