Tesis por compendio / [EN] Synthetic Biology is an emerging interdisciplinary field that aims to apply the engineering principles of modularity, abstraction and standardization to genetic engineering. The nascent branch of Synthetic Biology devoted to plants, Plant Synthetic Biology (PSB), offers new breeding possibilities for crops, potentially leading to enhanced resistance, higher yield, or increased nutritional quality. To this end, the molecular tools in the PSB toolbox need to be adapted accordingly, to become modular, standardized and more precise. Thus, the overall objective of this Thesis was to adapt, expand and refine DNA assembly tools for PSB to enable the incorporation of functional specifications to the description of standard genetic elements (phytobricks) and to facilitate the construction of increasingly complex and precise multigenic devices, including genome editing tools. The starting point of this Thesis was the modular DNA assembly method known as GoldenBraid (GB), based on type IIS restriction enzymes. To further optimize the GB construct-making process and to better catalog the phytobricks collection, a database and a set of software-tools were developed as described in Chapter 1. The final webbased software package, released as GB2.0, was made publicly available at www.gbcloning.upv.es. A detailed description of the functioning of GB2.0, exemplified with the building of a multigene construct for anthocyanin overproduction was also provided in Chapter 1. As the number and complexity of GB constructs increased, the next step forward consisted in the refinement of the standards with the incorporation of experimental information associated to each genetic element (described in Chapter 2). To this end, the GB package was reshaped into an improved version (GB3.0), which is a self-contained, fully traceable assembly system where the experimental data describing the functionality of each DNA element is displayed in the form of a standard datasheet. The utility of the technical specifications to anticipate the behavior of composite devices was exemplified with the combination of a chemical switch with a prototype of an anthocyanin overproduction module equivalent to the one described in Chapter 1, resulting in a dexamethasone-responsive anthocyanin device. Furthermore, Chapter 3 describes the adaptation and functional characterization of CRISPR/Cas9 genome engineering tools to the GB technology. The performance of the adapted tools for gene editing, transcriptional activation and repression was successfully validated by transient expression in N. benthamiana. Finally, Chapter 4 presents a practical implementation of GB technology for precision plant breeding. An intragenic construct comprising an intragenic selectable marker and a master regulator of the flavonoid biosynthesis was stably transformed in tomato resulting in fruits enhanced in flavonol content. All together, this Thesis shows the implementation of increasingly complex and precise genetic designs in plants using standard elements and modular tools following the principles of Synthetic Biology. / [ES] La Biología Sintética es un campo emergente de carácter interdisciplinar que se fundamenta en la aplicación de los principios ingenieriles de modularidad, abstracción y estandarización a la ingeniería genética. Una nueva vertiente de la Biología Sintética aplicada a las plantas, la Biología Sintética Vegetal (BSV), ofrece nuevas posibilidades de mejora de cultivos que podrían llevar a una mejora de la resistencia, a una mayor productividad, o a un aumento de la calidad nutricional. Sin embargo, para alcanzar este fin las herramientas moleculares disponibles en estos momentos para BSV deben ser adaptadas para convertirse en modulares, estándares y más precisas. Por ello se planteó como objetivo general de esta Tesis adaptar, expandir y refinar las herramientas de ensamblaje de DNA de la BSV para permitir la incorporación de especificaciones funcionales en la descripción de elementos genéticos estándar (fitobricks) y facilitar la construcción de estructuras multigénicas cada vez más complejas y precisas, incluyendo herramientas de editado genético. El punto de partida de esta Tesis fue el método de ensamblaje modular de ADN GoldenBraid (GB) basado en enzimas de restricción tipo IIS. Para optimizar el proceso de ensamblaje y catalogar la colección de fitobricks generados se desarrollaron una base de datos y un conjunto de herramientas software, tal y como se describe en el Capítulo 1. El paquete final de software se presentó en formato web como GB2.0, haciéndolo accesible al público a través de www.gbcloning.upv.es. El Capítulo 1 también proporciona una descripción detallada del funcionamiento de GB2.0 ejemplificando su uso con el ensamblaje de una construcción multigénica para la producción de antocianinas. Con el aumento en número y complejidad de las construcciones GB, el siguiente paso necesario fue el refinamiento de los estándar con la incorporación de la información experimental asociada a cada elemento genético (se describe en el Capítulo 2). Para este fin, el paquete de software de GB se reformuló en una nueva versión (GB3.0), un sistema de ensamblaje auto-contenido y completamente trazable en el que los datos experimentales que describen la funcionalidad de cada elemento genético se muestran en forma de una hoja de datos estándar. La utilidad de las especificaciones técnicas para anticipar el comportamiento de dispositivos biológicos compuestos se ejemplificó con la combinación de un interruptor químico y un prototipo de un módulo de sobreproducción de antocianinas equivalente al descrito en el Capítulo 1, resultando en un dispositivo de producción de antocianinas con respuesta a dexametasona. Además, en el Capítulo 3 se describe la adaptación a la tecnología GB de las herramientas de ingeniería genética CRISPR/Cas9, así como su caracterización funcional. La funcionalidad de estas herramientas para editado génico y activación y represión transcripcional se validó con el sistema de expresión transitoria en N.benthamiana. Finalmente, el Capítulo 4 presenta una implementación práctica del uso de la tecnología GB para hacer mejora vegetal de manera precisa. La transformación estable en tomate de una construcción intragénica que comprendía un marcador de selección intragénico y un regulador de la biosíntesis de flavonoides resultó en frutos con un mayor contenido de flavonoles. En conjunto, esta Tesis muestra la implementación de diseños genéticos cada vez más complejos y precisos en plantas utilizando elementos estándar y herramientas modulares siguiendo los principios de la Biología Sintética. / [CA] La Biologia Sintètica és un camp emergent de caràcter interdisciplinar que es fonamenta amb l'aplicació a la enginyeria genètica dels principis de modularitat, abstracció i estandarització. Una nova vessant de la Biologia Sintètica aplicada a les plantes, la Biologia Sintètica Vegetal (BSV), ofereix noves possibilitats de millora de cultius que podrien portar a una millora de la resistència, a una major productivitat, o a un augment de la qualitat nutricional. Tanmateix, per poder arribar a este fi les eines moleculars disponibles en estos moments per a la BSV han d'adaptar-se per convertir-se en modulars, estàndards i més precises. Per això es plantejà com objectiu general d'aquesta Tesi adaptar, expandir i refinar les eines d'ensamblatge d'ADN de la BSV per permetre la incorporació d'especificacions funcionals en la descripció d'elements genètics estàndards (fitobricks) i facilitar la construcció d'estructures multigèniques cada vegada més complexes i precises, incloent eines d'edidat genètic. El punt de partida d'aquesta Tesi fou el mètode d'ensamblatge d'ADN modular GoldenBraid (GB) basat en enzims de restricció tipo IIS. Per optimitzar el proces d'ensamblatge i catalogar la col.lecció de fitobricks generats es desenvolupà una base de dades i un conjunt d'eines software, tal i com es descriu al Capítol 1. El paquet final de software es presentà en format web com GB2.0, fent-se accessible al públic mitjançant la pàgina web www.gbcloning.upv.es. El Capítol 1 també proporciona una descripció detallada del funcionament de GB2.0, exemplificant el seu ús amb l'ensamblatge d'una construcció multigènica per a la producció d'antocians. Amb l'augment en nombre i complexitat de les construccions GB, el següent pas fou el refinament dels estàndards amb la incorporació de la informació experimental associada a cada element genètic (es descriu en el Capítol 2). Per a aquest fi, el paquet de software de GB es reformulà amb una nova versió anomenada GB3.0. Aquesta versió consisteix en un sistema d'ensamblatge auto-contingut i complemtament traçable on les dades experimentals que descriuen la funcionalitat de cada element genètic es mostren en forma de fulla de dades estàndard. La utilitat de les especificacions tècniques per anticipar el comportament de dispositius biològics compostos s'exemplificà amb la combinació de un interruptor químic i un prototip d'un mòdul de sobreproducció d'antocians equivalent al descrit al Capítol 1. Aquesta combinació va tindre com a resultat un dispositiu de producció d'antocians que respón a dexametasona. A més a més, al Capítol 3 es descriu l'adaptació a la tecnologia GB de les eines d'enginyeria genètica CRISPR/Cas9, així com la seua caracterització funcional. La funcionalitat d'aquestes eines per a l'editat gènic i activació i repressió transcripcional es validà amb el sistema d'expressió transitòria en N. benthamiana. Finalment, al Capítol 4 es presenta una implementació pràctica de l'ús de la tecnologia GB per fer millora vegetal de mode precís. La transformació estable en tomaca d'una construcció intragènica que comprén un marcador de selecció intragènic i un regulador de la biosíntesi de flavonoïdes resultà en plantes de tomaca amb un major contingut de flavonols en llur fruits. En conjunt, esta Tesi mostra la implementació de dissenys genètics cada vegada més complexos i precisos en plantes utilitzant elements estàndards i eines modulars seguint els principis de la Biologia Sintètica. / Vázquez Vilar, M. (2016). DESIGN OF GENETIC ELEMENTS AND SOFTWARE TOOLS FOR PLANT SYNTHETIC BIOLOGY [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68483 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

Genetic engineering has allowed the design and production of recombinant antibodies (rmAbs) in plants. Nowadays, rmAbs are used in the treatment of a wide range of pathologies such as infectious diseases, inflammatory diseases and cancer, making rmAbs an important group of biomolecules within the pharmaceutical and biotechnology industry. By the time this study was started, the immunoglobulin G (IgG) was the antibody isotype predominantly expressed in plants. In recent years Modular DNA cloning technology has facilitated antibody engineering, with the development and expression of new rmAbs formats. However, there is hardly any study where different antibody formats are produced and compared in terms of yield and neutralizing capacity. Therefore, the starting point of the first chapter of this thesis is a comparative study where five different formats of the same commercial rmAb (Infliximab) against the human cytokine Tumor Necrosis Factor (TNF-¿) were expressed and compared. The results obtained in Chapter 1 demonstrate that both the isotype and the structure of the chosen rmAb influence the yield and the neutralizing capacity of rmAb. The expression of new antibody formats not only refers to the antibody isotype or structure; the format also refers to the combination of antibody idiotypes, leading to the production of oligo or polyclonal antibodies. Therefore, the possibility of co-expressing different monoclonal antibodies simultaneously in plants (creating oligoclonal or polyclonal formats) was raised. In the second chapter of this thesis, the expression of three rmAbs against the Ebola virus glycoprotein was studied. The three rmAbs were transiently expressed in N. benthamiana individually, by establishing separated production lines; in parallel, all three rmAbs were also co-expressed simultaneously in the same production line. The results obtained in this chapter demonstrated that the individual expression of rmAbs is feasible. However, when all three rmAbs are co-expressed, a drastic decrease in the binding of the antibody to the antigen was observed due to chain shuffling, as each heavy chain (HC) can be bound to any light chain (LC) other than its cognate chain, giving rise to an antibody cocktail with lower activity. With the objective of developing a method that allows co-expression of several rmAb in a single production line, we next proposed to exploit the viral interference phenomenon (also known as superinfection exclusion, SE). The results shown in Chapter three demonstrate that the production of an oligoclonal cocktail composed of 36 rmAbs in plants was possible using a viral expression system showing SE. The data obtained in this chapter showed that the resulting oligoclonal cocktail was active and capable of neutralizing toxic activities of the venom of the snake Bothrops asper in vitro and in vivo, wich was used as a model for studying the efficacy of the oligoclonal antibodies produced. The results of this thesis confirm and support the use of plants as platforms for the expression of alternative formats of antibodies. / La ingeniería genética ha permitido el diseño y la producción de anticuerpos recombinantes (rmAbs) en plantas. Hoy en día, los rmAbs se utilizan en el tratamiento de un amplio rango de patologías como enfermedades infecciosas, enfermedades inflamatorias y cáncer, convirtiéndose en un importante grupo de biomoléculas dentro de la industria farmacéutica y biotecnológica. Hasta la fecha de este estudio, en plantas se ha producido mayoritariamente la inmunoglobulina del tipo G (IgG). Gracias al desarrollo de la ingeniería del ADN recombinante y de la ingeniería de anticuerpos, es posible diseñar y producir nuevos formatos de rmAbs. Sin embargo, apenas existen estudios comparativos donde se demuestre si el formato de anticuerpo elegido es el idóneo en términos de rendimiento y capacidad neutralizante. Por tanto, el punto de partida del primer Capítulo de esta tesis consistió en la realización de un estudio comparativo de la expresión en plantas de cinco formatos distintos de un mismo rmAb comercial (Infliximab) frente a la citoquina humana Tumor Necrosis Factor (TNF-¿). Los resultados obtenidos en el Capítulo 1 demuestran que tanto el isotipo como la estructura del rmAb elegido influye en los niveles de rendimiento y en la capacidad neutralizante del rmAb. La expresión de nuevos formatos de anticuerpos no solo afecta al isotipo o a la estructura de las regiones constantes, sino que también se puede incluir en este término la expresión conjunta de distintos idiotipos de anticuerpos recombinantes, dando lugar a anticuerpos policlonales u oligoclonales recombinantes. Por tanto en esta tesis se planteó la posibilidad de co-expresar simultáneamente distintos anticuerpos monoclonales en plantas formando un cóctel oligoclonal. En el segundo Capítulo de esta tesis se diseñaron tres rmAbs frente a la glicoproteína de la cubierta del virus del Ébola. Los tres rmAbs se expresaron transitoriamente en N. benthamiana de manera individual mediante el establecimiento de líneas paralelas de producción y también se co-expresaron los tres rmAbs simultáneamente en una misma línea de producción. Los resultados obtenidos en este Capítulo demostraron que la expresión de los rmAbs de manera individual es factible. Sin embargo, cuando se co-expresan los tres rmAbs se observa una drástica disminución en la unión del anticuerpo al antígeno debido al barajado de cadenas, fenómeno por el cual cada cadena pesada (HC) se puede unir con cualquier cadena ligera (LC) distinta de su acompañante, dando lugar a un anticuerpo con una baja actividad. Finalmente, con el objetivo de desarrollar un método que permita co-expresar en una misma línea de producción varios rmAbs de forma reproducible se propuso explotar el fenómeno de la exclusión viral, un característica propia de los virus de plantas. Los resultados mostrados en el Capítulo 3 demuestran que es posible la producción de un cóctel oligoclonal compuesto por 36 rmAbs en N. benthamiana aprovechando el fenómeno de la exclusión viral. Los datos obtenidos en este capítulo muestran que el cóctel oligoclonal producido de esta forma mantiene intactas las actividades de los anticuerpos individuales y es capaz de neutralizar las actividades tóxicas del veneno de la serpiente Bothrops asper en ensayos in vitro e in vivo. Los resultados de esta tesis confirman y avalan el uso de las plantas como plataformas de expresión de formatos alternativos de anticuerpos. / El desenvolupament de l'enginyeria genètica ha permès el disseny i la producció d'anticossos recombinants (rmAbs) en plantes. Hui en dia, els rmAbs s'utilitzen en el tractament d'un ampli rang de patologies com malalties infeccioses, malalties inflamatòries i càncer convertint-se en un important grup de biomolècules dins de les indústries farmacèutiques i biotecnològiques. Fins a la data, s'han expressat majoritàriament la immunoglobulina del tipus G. Gràcies al desenvolupament de l'enginyeria de l'ADN recombinant i l'enginyeria dels anticossos s'han desenvolupat i expressat formats alternatius de rmAbs. Tanmateix, hi ha molts pocs estudis comparatius on es demostra si el format de l'anticòs elegit influeix en el rendiment i en la capacitat neutralitzant. Per tant, el punt de partida del primer Capítol d'esta Tesi és la realització d'un estudi comparatiu on s'expressen cinc formats diferents d'un mateix anticòs comercial (Infliximab) front a la citocina humana Tumor Necrosis Factor (TNF-¿). Els resultats obtesos demostren que tant l'isotip com l'estructura del rmAb elegit influeix en el rendiment i en la capacitat neutralitzant del rmAb. L'expressió de nous formats d'anticossos no sols afecta a l'isotip o a l'estructura del rmAb sinó que també pot incloure's dins d'aquest concepte l'expressió individual i l'expressió conjunta de diferents rmAbs. Partint d'aquesta hipòtesi, es va plantejar la possibilitat de co-expressar diferents rmAbs (còctel oligoclonal) en plantes. En el segon Capítol d'esta tesi es dissenyaren tres rmAbs front a la glicoproteïna del virus de l'Ébola. Els tres rmAbs s'expressaren transitòriament en N. benthamiana de manera individual mitjançant l'establiment de línies paral·leles de producció i també es co-expressaren els tres rmAbs en la mateixa línia de producció. Els resultats obtesos en este Capítol demostraren que l'expressió dels rmAbs de manera individual és factible. Tanmateix, quan es co-expressaren els tres rmAbs s'observà una dràstica disminució en la unió de l'anticòs a l'antigen com a conseqüència del shuffling chain, pel qual la cadena pesada (HC) s'uneix amb qualsevol cadena lleugera (LC) diferent a la seua acompanyant, formant un anticòs amb una baixa capacitat d'unió a l'antigen. Amb l'objectiu de desenvolupar un mètode que permeta co-expressar, en una mateixa línia de producció, un còctel oligoclonal es proposà explotar el fenomen de l'exclusió viral. Els resultats obtesos en el Capítol 3 demostren que l'expressió d' un còctel oligoclonal format per 36 rmAbs en plantes és possible. Els resultats mostren que el nostre còctel oligoclonal es capaç de neutralitzar activitats tòxiques del verí de la serp Bothrops asper en assaigs in vitro i in vivo. Els resultat obtesos en aquesta Tesi confirmen i avalen l'ús de les plantes com plataformes d'expressió de formats alternatius d'anticossos. / Huet Trujillo, E. (2017). Nuevas metodologías para la producción de anticuerpos recombinantes en plantas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90469

Mucosal passive immunization is the transfer of active antibodies from one organism to the mucosal surfaces of another organism for preventing or treating infectious diseases. Mucosal passive immunization has a great potential for the prevention and treatment of enteric infections like Rotavirus, which causes more than 114 million episodes of diarrhoea annually with a death toll of more than 450.000 per year. However, the high cost of recombinant antibodies with the current manufacturing systems based on mammalian cells hampers the production of the high antibody quantities required for passive immunization strategies. Alternative expression platforms such as plants could provide higher scalability and reduced costs. Moreover, the use of edible plant organs, which are Generally¿Regarded¿As¿ Safe (GRAS), could reduce manufacturing costs even further by easing the requirements for antibody purification. We analyze here the feasibility of utilizing fruits as inexpensive biofactories of human antibodies that can be orally delivered as crude extracts or partially purified formulations in mucosal passive immunization strategies. In the first section of this thesis, the construction of tomato plants producing a model human Immunoglobulin A (IgA) against rotavirus in their fruits is described. As a result, an elite homozygous line was obtained whose fruits produced on average 41 ¿g of IgA per gram of fresh weigh, equivalent to 0.69 mg IgA per gram of dry tomato powder. Minimally processed products derived from IgA¿expressing tomatoes were shown to strongly inhibit virus infection in an in vitro neutralization assay. Moreover, in order to make IgA¿expressing tomatoes easily distinguishable from wild¿type tomatoes, they were sexually crossed with a transgenic tomato line expressing the genes encoding Antirrhinum majus Rosea1 and Delila transcription factors, which confer purple colour to the fruit. The resulting transgenically¿labelled purple tomatoes contained not only high levels of recombinant neutralizing human IgA but also increased amounts of anthocyanins. In the second section of the thesis the composition of IgA¿expressing tomatoes was analyzed in search of possible unintended effects that could compromise the GRAS status of the final product. To this end, transgenic IgA¿tomatoes were compared with wild type tomatoes and also commercial tomato varieties using proteomic and metabolomic approaches. 2D¿DIGE gels coupled with LC¿MSMS for protein identification showed that all the uptrend differential proteins detected corresponded only to immunoglobulin chains or antibody fragments. On the other hand, non¿targeted metabolite data obtained by UPLC¿MS / Juárez Ortega, P. (2014). Production of recombinant Immunoglobulin A in plants for passive immunotherapy [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/37015

Tesis por compendio / [ES] La mejora genética vegetal tiene como objetivo la obtención de plantas con rasgos mejorados o características novedosas que podrían ayudar a superar los objetivos de sostenibilidad. Para este fin, la biotecnología vegetal necesita incorporar nuevas herramientas de ingeniería genética que combinen una mayor precisión con una mayor capacidad de mejora. Las herramientas de edición genética recientemente descubiertas basadas en la tecnología CRISPR/Cas9 han abierto el camino para modificar los genomas de las plantas con una precisión sin precedentes. Por otro lado, los nuevos enfoques de biología sintética basados en la modularidad y la estandarización de los elementos genéticos han permitido la construcción de dispositivos genéticos cada vez más complejos y refinados aplicados a la mejora genética vegetal. Con el objetivo final de expandir la caja de herramientas biotecnológicas para la mejora vegetal, esta tesis describe el desarrollo y la adaptación de dos nuevas herramientas: una nueva endonucleasa específica de sitio (SSN) y un interruptor genético modular para la regulación de la expresión transgénica. En una primera parte, esta tesis describe la adaptación de CRISPR/Cas12a para la expresión en plantas y compara la eficiencia de las variantes de Acidaminococcus (As) y Lachnospiraceae (Lb) Cas12a con Streptococcus pyogens Cas9 (SpCas9) descritos anteriormente en ocho loci de Nicotiana benthamiana usando expresión transitoria. LbCas12a mostró la actividad de mutagénesis promedio más alta en los loci analizados. Esta actividad también se confirmó en experimentos de transformación estable realizados en tres plantas modelo diferentes, a saber, N. benthamiana, Solanum lycopersicum y Arabidopsis thaliana. Para este último, los efectos mutagénicos colaterales fueron analizados en líneas segregantes sin la endonucleasa Cas12a, mediante secuenciación del genoma descartándose efectos indiscriminados. En conjunto, los resultados muestran que LbCas12a es una alternativa viable a SpCas9 para la edición genética en plantas. En una segunda parte, este trabajo describe un interruptor genético reversible destinado a controlar la expresión génica en plantas con mayor precisión que los sistemas inducibles tradicionales. Este interruptor, basado en el sistema de recombinación del fago PhiC31, fue construido como un dispositivo modular hecho de partes de ADN estándar y diseñado para controlar el estado transcripcional (encendido o apagado) de dos genes de interés mediante la inversión alternativa de un elemento regulador central de ADN. El estado del interruptor puede ser operado externa y reversiblemente por la acción de los actuadores de recombinación y su cinética, memoria y reversibilidad fueron ampliamente caracterizados en experimentos de transformación transitoria y estable en N. benthamiana. En conjunto, esta tesis muestra el diseño y la caracterización funcional de herramientas para la ingeniería del genómica y biología sintética de plantas que ahora ha sido completada con el sistema de edición genética CRISPR/Cas12a y un interruptor genético reversible y biestable basado en el sistema de recombinación del fago PhiC31. / [CA] La millora genètica vegetal té com a objectiu l'obtenció de plantes amb trets millorats o característiques noves que podrien ajudar a superar els objectius de sostenibilitat. Amb aquesta finalitat, la biotecnologia vegetal necessita incorporar noves eines d'enginyeria genètica que combinen una major precisió amb una major capacitat de millora. Les eines d'edició genètica recentment descobertes basades en la tecnologia CRISPR/Cas9 han obert el camí per modificar els genomes de les plantes amb una precisió sense precedents. D'altra banda, els nous enfocaments de biologia sintètica basats en la modularitat i l'estandardització dels elements genètics han permès la construcció de dispositius genètics cada vegada més complexos i sofisticats aplicats a la millora genètica vegetal. Amb l'objectiu final d'expandir la caixa d'eines biotecnològiques per a la millora vegetal, aquesta tesi descriu el desenvolupament i l'adaptació de dues noves eines: una nova endonucleasa específica de lloc (SSN) i un interruptor genètic modular per a la regulació de l'expressió transgènica . En una primera part, aquesta tesi descriu l'adaptació de CRISPR/Cas12a per a l'expressió en plantes i compara l'eficiència de les variants de Acidaminococcus (As) i Lachnospiraceae (Lb) Cas12a amb la ben establida Streptococcus pyogens Cas9 (SpCas9), en vuit loci de Nicotiana benthamiana usant expressió transitòria. LbCas12a va mostrar l'activitat de mutagènesi mitjana més alta en els loci analitzats. Aquesta activitat també es va confirmar en experiments de transformació estable realitzats en tres plantes model diferents, a saber, N. benthamiana, Solanum lycopersicum i Arabidopsis thaliana. Per a aquest últim, els efectes mutagènics col·laterals van ser analitzats en línies segregants sense l'endonucleasa Cas12a, mitjançant seqüenciació completa del genoma i descartant efectes indiscriminats. En conjunt, els resultats mostren que LbCas12a és una alternativa viable a SpCas9 per a l'edició genètica en plantes. En una segona part, aquest treball descriu un interruptor genètic reversible destinat a controlar l'expressió gènica en plantes amb major precisió que els sistemes induïbles tradicionals. Aquest interruptor, basat en el sistema de recombinació del bacteriòfag PhiC31, va ser construït com un dispositiu modular fet de parts d'ADN estàndard i dissenyat per controlar l'estat transcripcional (encès o apagat) de dos gens d'interès mitjançant la inversió alternativa d'un element regulador central d'ADN. L'estat de l'interruptor pot ser operat externa i reversiblement per acció dels actuadors de recombinació i la seva cinètica, memòria i reversibilitat van ser àmpliament caracteritzats en experiments de transformació transitòria i estable en N. benthamiana. En conjunt, aquesta tesi mostra el disseny i la caracterització funcional d'eines per a l'enginyeria del genòmica i biologia sintètica de plantes que ara ha sigut completat amb el sistema d'edició genètica CRISPR/Cas12a i un interruptor genètic biestable i reversible basat en el sistema de recombinació del bacteriòfag PhiC31. / [EN] Plant breeding aims to provide plants with improved traits or novel features that could help to overcome sustainability goals. To this end, plant biotechnology needs to incorporate new genetic engineering tools that combine increased precision with higher breeding power. The recently discovered genome editing tools based on CRISPR/Cas9 technology have opened the way to modify plant¿s genomes with unprecedented precision. On the other hand, new synthetic biology approaches based on modularity and standardization of genetic elements have enabled the construction of increasingly complex and refined genetic devices applied to plant breeding. With the ultimate goal of expanding the toolbox of plant breeding techniques, this thesis describes the development and adaptation to plant systems of two new breeding tools: a site-specific nuclease (SSNs), and a modular gene switch for the regulation of transgene expression. In a first part, this thesis describes the adoption of the SSN CRISPR/Cas12a for plant expression and compares the efficiency of Acidaminococcus (As) and Lachnospiraceae (Lb) Cas12a variants with the previously described Streptococcus pyogens Cas9 (SpCas9) in eight Nicotiana benthamiana loci using transient expression experiments. LbCas12a showed highest average mutagenesis activity in the loci assayed. This activity was also confirmed in stable genome editing experiments performed in three different model plants, namely N. benthamiana, Solanum lycopersicum and Arabidopsis thaliana. For the latter, off-target effects in Cas12a-free segregating lines were discarded at genomic level by deep sequencing. Collectively, the results show that LbCas12a is a viable alternative to SpCas9 for plant genome engineering. In a second part, this work describes the engineering of a new reversible genetic switch aimed at controlling gene expression in plants with higher precision than traditional inducible systems. This switch, based on the bacteriophage PhiC31 recombination system, was built as a modular device made of standard DNA parts and designed to control the transcriptional state (on or off) of two genes of interest by alternative inversion of a central DNA regulatory element. The state of the switch can be externally and reversibly operated by the action of the recombination actuators and its kinetics, memory, and reversibility were extensively characterized in N. benthamiana using both transient expression and stable transgenics. Altogether, this thesis shows the design and functional characterization of refined tools for genome engineering and synthetic biology in plants that now has been expanded with the CRISPR/Cas12a gene editing system and the phage PhiC31-based toggle switch. / Bernabé Orts, JM. (2019). Development and characterization of two new tools for plant genetic engineering: A CRISPR/Cas12a-based mutagenesis system and a PhiC31-based gene switch [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133055 / Compendio

Plant form is a product of emergent processes of cell division, patterning and morphogenesis. These fundamental processes remain poorly characterised in plants. However, engineering approaches can provide new tools and frameworks for the study and manipulation of plant development. This dissertation describes the development of engineering frameworks for reprogramming of the early diverging land plant Marchantia polymorpha (Marchantia). I describe the generation of genomic and transcriptomic datasets for Marchantia, which has provided the basis for the compilation of a gene-centric registry of DNA parts for engineering (MarpoDB). I describe the development of Loop assembly, an efficient and standardised DNA assembly system based on Type IIS restriction enzymes for recursive fabrication of DNA circuits with high efficiency. MarpoDB was used to mine new DNA parts compatible with Loop assembly which were used to generate plant transformation vectors for labelling of cellular features to study aspects of growth and development. I performed image analysis of genetic markers for segmentation and quantification of cellular properties in germinating gemmae. I implemented high-efficiency Cas9-mediated mutagenesis in Marchantia for use in functional molecular genetics studies. Furthermore, I produced inducible systems for expression of heterologous elements by transactivation which showed negligible levels of basal activity. It was possible to use this system for induction of gene expression in single cells. Finally, these new frameworks were applied to study the gametophytic meristem in Marchantia gemmae. I mapped the expression of several putative candidate homologues for higher plant meristem regulators, performed overexpression and loss-of-function studies for homologues of WUSCHEL, CLAVATA3 and SHOOT MERISTEMLESS. A strategy for misregulation of endogenous genes was developed using inducible transactivation, and was used with cellular markers for WUSCHEL and CLAVATA3 homologues in Marchantia.