Un nuevo estudio de la Universidad Estatal de Carolina del Norte muestra una forma reproducible de estudiar la comunicación celular entre diversos tipos de células vegetales mediante la «bioimpresión» de estas células a través de una impresora 3D. Aprender más sobre cómo las células de las plantas se comunican entre sí, y con su entorno, es clave para comprender más sobre las funciones de las células de las plantas y, en última instancia, podría conducir a la creación de mejores variedades de cultivos y entornos de cultivo óptimos.
Los investigadores bioimprimieron células de la planta modelo Arabidopsis thaliana y de soja para estudiar no solo si las células de la planta vivirían después de ser bioimpresas, y por cuánto tiempo, sino también para examinar cómo adquieren y cambian su identidad y función.
«La raíz de una planta tiene muchos tipos de células diferentes con funciones especializadas», dijo Lisa Van den Broeck, investigadora postdoctoral de NC State y la primera autora de un artículo que describe el trabajo. «También se expresan diferentes conjuntos de genes; algunos son específicos de la célula. Queríamos saber qué sucede después de bioimprimir células vivas y colocarlas en un entorno que usted diseñe: ¿Están vivas y haciendo lo que deberían estar haciendo?»
El proceso de bioimpresión de células vegetales en 3D es mecánicamente similar a la impresión de tinta o plásticos, con algunos ajustes necesarios.
«En lugar de tinta de impresión 3D o plástico, usamos ‘biotinta’ o células vegetales vivas», dijo Van den Broeck. «La mecánica es la misma en ambos procesos con algunas diferencias notables para las células vegetales: un filtro ultravioleta utilizado para mantener el ambiente estéril y múltiples cabezales de impresión, en lugar de uno solo, para imprimir diferentes biotintas simultáneamente».
Se bioimprimieron células vegetales vivas sin paredes celulares, o protoplastos, junto con nutrientes, hormonas de crecimiento y un agente espesante llamado agarosa, un compuesto a base de algas marinas. La agarosa ayuda a proporcionar resistencia y andamiaje a las células, similar al mortero que sostiene los ladrillos en la pared de un edificio.
«Descubrimos que es fundamental utilizar un andamiaje adecuado», dijo Ross Sozzani, profesor de biología vegetal y microbiana en NC State y coautor correspondiente del artículo. «Cuando imprime la biotinta, necesita que sea líquida, pero cuando sale, debe ser sólida. Imitar el entorno natural ayuda a que las señales y las señales celulares sigan ocurriendo como lo harían en el suelo».
La investigación mostró que más de la mitad de las células bioimpresas en 3D eran viables y se dividieron con el tiempo para formar microcallos o pequeñas colonias de células.
«Esperábamos una buena viabilidad el día en que se bioimprimieron las células, pero nunca habíamos mantenido las células más allá de unas pocas horas después de la bioimpresión, por lo que no teníamos idea de lo que sucedería días después», dijo Van den Broeck. «Se muestran rangos de viabilidad similares después de pipetear manualmente las células, por lo que el proceso de impresión 3D no parece hacer nada dañino para las células».
«Este es un proceso manual difícil, y la bioimpresión 3D controla la presión de las gotas y la velocidad a la que se imprimen las gotas», dijo Sozzani. «La bioimpresión brinda una mejor oportunidad para el procesamiento de alto rendimiento y el control de la arquitectura de las células después de la bioimpresión, como capas o formas de panal».
Los investigadores también bioimprimieron células individuales para probar si podían regenerarse o dividirse y multiplicarse. Los hallazgos mostraron que las células de raíces y brotes de Arabidopsis necesitaban diferentes combinaciones de nutrientes y andamios para una viabilidad óptima.
Mientras tanto, más del 40 % de las células embrionarias de soja individuales permanecieron viables dos semanas después de la bioimpresión y también se dividieron con el tiempo para formar microcallos.
«Esto demuestra que la bioimpresión 3D puede ser útil para estudiar la regeneración celular en plantas de cultivo», dijo Sozzani.
Finalmente, los investigadores estudiaron la identidad celular de las células bioimpresas. Las células de raíz de Arabidopsis y las células de soja embrionarias son conocidas por sus altas tasas de proliferación y la falta de identidades fijas. En otras palabras, al igual que las células madre animales o humanas, estas células pueden convertirse en diferentes tipos de células.
«Descubrimos que las células bioimpresas pueden asumir la identidad de las células madre; se dividen, crecen y expresan genes específicos», dijo Van den Broeck. «Cuando bioimprimes, imprimes una población completa de tipos de células. Pudimos examinar los genes expresados por células individuales después de la bioimpresión 3D para comprender cualquier cambio en la identidad celular».
Los investigadores planean continuar su trabajo estudiando la comunicación celular después de la bioimpresión 3D, incluso a nivel de una sola célula.
«En total, este estudio muestra el poderoso potencial del uso de la bioimpresión 3D para identificar los compuestos óptimos necesarios para respaldar la viabilidad y la comunicación de las células vegetales en un entorno controlado», dijo Sozzani.
La investigación aparece en Avances de la ciencia y fue apoyado por la subvención EAGER de la Fundación Nacional de Ciencias MCB #203928 y por BASF Plant Sciences. Tim Horn, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en NC State, es coautor del artículo.
