Aplicando por primera vez algoritmos computacionales y un sistema especialmente creado para el estudio de redes de regulación génicas, los investigadores pudieron simular el comportamiento de estas redes en plantas inoculadas con la bacteria benéfica Paraburkholderia phytofirmans PsJN.
Los modelos matemáticos son herramientas utilizadas en múltiples disciplinas científicas con el fin de estimar y proyectar la evolución de fenómenos tan variados como el crecimiento de la bolsa de valores o la capacidad reproductiva de una población de bacterias, o humanos.
Hoy mismo, miles de epidemiólogos alrededor del mundo los emplean para simular potenciales escenarios de contagio asociados a la pandemia de COVID-19, en un esfuerzo por predecir el desarrollo de la enfermedad y elaborar planes de contención que contengan eficazmente la transmisión del virus.
El éxito de estos modelos motivó a tres investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Universidad Adolfo Ibáñez, pertenecientes a la Línea 2 de CAPES, a estudiar otro proceso de la naturaleza del que poco se conoce a través de estas herramientas: el intrincado sistema de defensa de las plantas.
Para ello, los científicos Tania Timmermann, Bernardo González y Gonzalo Ruz, se centraron en entender las complejas interacciones que a nivel molecular inciden en un mecanismo específico de defensa vegetal: la resistencia sistémica inducida por microorganismos benéficos (o ISR, por sus siglas en inglés).
Específicamente, Timmermann, González y Ruz buscaron simular distintos escenarios de defensa de plantas de la especie Arabidopsis thaliana –previamente inoculadas por la bacteria benéfica Paraburkholderia phytofirmans PsJN– ante la amenaza del patógeno Pseudomonas syringae DC3000. Los resultados de este estudio fueron publicados recientemente en la revista BMC Bioinformatics.
Para recrear estos escenarios, los investigadores emplearon como modelo matemático un sistema conocido como Redes Booleanas, creado especialmente para el estudio de redes de regulación génica (esto es, el conjunto de interacciones que se produce entre la planta, su microorganismo benéfico y el patógeno atacante, y que derivan en la activación del sistema inmune de la primera), y un algoritmo de computación evolutiva.
El objetivo del estudio era inferir, a partir de estos modelos, el comportamiento de estas redes de regulación al interior de dichas plantas, tanto con respecto a su topología como su dinámica temporal.
Asimismo, los investigadores pudieron confirmar la robustez de las redes génicas detrás de este tipo de mecanismos defensivos, confirmando lo observado en vivo y validando el modelo matemático utilizado.
“La importancia de este trabajo recae en que entrega nuevo conocimiento en el estudio de las defensas vegetales mediadas por la respuesta ISR, tema que, a nivel molecular, ha sido menos estudiado, y ni siquiera abordado a través de modelos matemáticos” explica el Dr. González, uno de los autores del estudio.
“Este trabajo también permite conocer con mayor detalle la red de regulación génica que coordina estas defensas, mediadas por una bacteria benéfica utilizada hoy en programas agrícolas”, agrega la Dra. Timmermann, “modelar y predecir la respuesta de las plantas a cambios exógenos y endógenos que involucran genes de esta red permitirán un diseño más eficiente y efectivo de programas de aplicación de microorganismos beneficiosos que mejoren el rendimiento de cultivos de importancia comercial”.
Esto último, coinciden los autores, cobra especial valor cuando se proyecta hacer de la agricultura una actividad más sustentable y con menor impacto medio ambiental, puesto que bacterias y hongos benéficos están siendo cada vez más utilizados en reemplazo –todavía parcial– de agroquímicos y fertilizantes sintéticos.