Una nueva era en la producción de plantas genéticamente modificadas

Las plantas genéticamente modificadas (GM) o también confundidas como plantas transgénicas, son aquellas cuyo material genético ha sido manipulado deliberadamente a través del uso de la ingeniería genética y la biotecnología con el fin de darles nuevas características beneficiosas que no pueden ser obtenidas naturalmente. Las plantas transgénicas, por su parte, son un tipo de plantas GM y son aquellas que poseen uno o más genes de otra especie completamente diferente. Desde su desarrollo —allá por los años 1980’s— han tenido un gran impacto en la agricultura; tanto así que, por ejemplo, en EEUU el 90% de los campos de cultivo de soya y el 85% de maíz son transgénicos.

La forma tradicional como se producen es a través del uso de la ingeniería genética y la biotecnología. Primero se identifica el gen de interés, por ejemplo, los genes de resistencia a plagas o herbicidas que son obtenidos de ciertas bacterias; luego se extrae ese gen y se introduce en la planta a través de un vector el cual es transmitido vía otra bacteria con la capacidad de infectar e introducir su material genético en las plantas llamado Agrobacterium thumefasciens.

Esta es la manera tradicional de como se obtienen las plantas transgénicas (Fig. A). Sin embargo, la desventaja de esta técnica es que el gen es introducido de manera aleatoria dentro del genoma de la planta. Algunas veces se introduce dentro de otro gen inactivándolo y perjudicando a la planta, otras veces se introduce en regiones del genoma muy poco expresados, reduciendo su eficiencia, y pocas veces se introduce en un lugar adecuado como para funcionar correctamente.

A. Forma tradicional de producción de plantas transgénicas. El gen de interés Herb^r (resistencia a herbicidas obtenido de bacterias) se introduce en regiones al azar del genoma. La planta también posee un gen que codifica una enzima similar al de la bacteria, pero con una secuencia genética diferente que lo vuelve sensible a los herbicidas.

Debido a este problema, los científicos pasaron muchos años buscando la forma de introducir el gen de interés en una región específica del genoma. Ese objetivo ha sido conocido como el ‘santo grial de la biotecnología vegetal’. En el año 2009, dos artículos publicados en Nature (uno de Townsend et al. y el otro de Shukla et al. [Ver artículo en BioUnalm]) reportaron que por fin se había conseguido el objetivo.

La técnica consistía en el uso de unas nucleasas —enzimas capaces de cortar las dos hebras del ADN— acopladas a unos pequeños motivos proteicos conocidos como dedos de Zinc, con la capacidad de reconocer e interactuar con secuencias específicas del ADN. Este método (Fig. B) permitía hacer un corte en una región específica del genoma, generando un huequito donde se podría introducir el gen de interés. Luego, la maquinaría de reparación del ADN innato de las células completaría el trabajo, pegando los extremos. A esta novedosa tecnología se la llamó Modificación Genética Específica (TagMo: targeted genetic modification)

B. Introducción específica de genes. El gen de interés es insertado en el lugar específico donde las nucleasas acopladas a los dedos de zinc (ZFN) hicieron el corte. El gen debe tener secuencias homólogas a los extremos del punto de corte para que se active el mecanismo de reparación del ADN y el gen sea insertado (proceso similar al crossing-over).

Sin embargo, a pesar del uso de esta novedosa tecnología, la planta sigue siendo transgénica porque posee un gen de otra especie completamente diferente, generando un rechazo en los consumidores y amenazando con contaminar los cultivos tradicionales. Por otro lado, al ser una planta transgénica sigue bajo el control de una serie de documentos regulatorios, específicos en cada país.

Pero, no sólo las bacterias tienen este gen de resistencia. Las plantas también codifican la misma enzima, pero debido a diferencias en su secuencia genética es susceptible a los herbicidas. Por suerte, se han identificado plantas que tienen la versión resistente de la enzima, muchas de ellas son silvestres y no forman parte de las variedades cultivadas. Así que se podrían aislar estos genes resistentes e introducirlos en las variedades cultivadas de la misma especie o sexualmente compatibles, generando así plantas cisgénicas.

Estas plantas podrían ser consideradas como las que fueron obtenidas por métodos de mejoramiento genético tradicional —los genes de resistencia pertenecen a variedades de la misma especie— y superar las regulaciones que les ponen a las plantas transgénicas^(*). Sin embargo, hay científicos que creen que este tipo de plantas GM aún tienen características nuevas las cuales pueden traer consigo riesgos nuevos.

* El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) tiene una definición muy vaga sobre los cultivos GM y su Agencia de Protección Ambiental (EPA) hace una excepción categórica de su reglamento regulatorio a aquellas plantas GM que tienen secuencias de plantas sexualmente compatibles.

Ahora, como para complicar un poco más la cosa sobre las regulaciones establecidas a las plantas GM, vamos a hablar de dos aplicaciones más de la TagMo. Esta tecnología nos puede ayudar a inactivar un gen indeseado de una determinada planta (Fig. C). Usando un ZFN específico para un determinado gen podríamos cortarlo y ante la ausencia de una secuencia homóloga necesaria para reparar el corte adecuadamente, se pueden generar mutaciones que terminen por inactivar el gen.

C. Inactivación de genes indeseados. Los ZFN pueden cortar dentro de la secuencia de un gen específico. La maquinaria de reparación del ADN hará su trabajo pero ante a falta de una secuencia homóloga que sirva de molde, se generará una mutación (rojo) la cual terminará por inactivar el gen (knockout).

En este caso, la planta perderá un gen que genera una baja productividad o rendimiento en el cultivo o, tal vez, la sensibilidad al ataque de un determinado parásito o agente patógeno. La planta sigue siendo GM, pero ya no es transgénica. ¿Cómo actuarían las normas regulatorias en este caso?

Y para terminar, otro potencial uso de la TagMo es la modificación del gen deseado (Fig. D). Volvamos al ejemplo de la resistencia al herbicida. Ya vimos que las plantas también poseen el gen de la enzima responsable de la tolerancia al herbicida; sin embargo, su secuencia no es la misma, y por esta razón es susceptible. Muchas veces la diferencia se encuentra en una pequeña porción del gen, otras veces un sólo nucleótido es el responsable de la susceptibilidad o la tolerancia. Usando los ZFN y secuencias homólogas con la versión correcta del gen, se puede volver resistente a la planta cambiando tan sólo un nucleótido, o sea una pequeña mutación correctiva o beneficiosa.

D. Reemplazo de gen. La diferencia entre la resistencia y la susceptibilidad a un determinado factor está en la secuencia de una o varias regiones del gen. Muchas veces la diferencia se debe a un sólo nucleótido. Usando los ZFN podemos cambiar esos nucleótidos (mutar) de manera específica, para que el gen se vuelva resistente.

Este último caso es similar a los métodos tradicionales de inducción de mutaciones para generar genes con funciones mejoradas. Los métodos tradicionales usan agentes alquilantes o radiactividad para modificar el ADN. La diferencia se encuentra en que los métodos tradicionales inducen mutaciones de manera aleatoria mientras que la TaqMo lo hace de manera específica. En otras palabras, esta forma de generar plantas GM sería similar al de los métodos de mejoramiento genético clásicos basados en la mutagénesis, así que no estarían reguladas y su cultivo sería permitido.

Sin embargo, el mismo desarrollo de los dedos de Zinc específicos requieren del uso de la ingeniería genética ya que la forma como reconocen secuencias específicas del ADN se da gracias a que su estructura está formada tanto por secuencias de aminoácidos (motivos proteicos) como por secuencias de ADN ribosomal. Este ADNr no es natural de las plantas así que debe ser introducido de alguna manera.

Esta categoría de plantas GM no están estipuladas aún en las normas regulatorias y de bioseguridad actuales. En los dos últimos casos se hace una mutagénesis, similar a la que se hace en los métodos tradicionales. Las plantas derivadas de la mutagénesis tradicional no se encuentran regulados ni restringidos porque no son transgénicas. Sin embargo, en este caso estamos viendo solo el producto final mas no el proceso.

Si nos enfocamos en el proceso vemos que es similar a la mutagénesis mediada por oligonucleótidos (OMM) descrito por Breyer et al. Esta tecnología no está bien estipulada en los reglamentos ya que es considerada como una forma de mutagénesis pero las plantas generadas bajo esta modalidad caen dentro de las plantas GM, provocando una incongruencia. Qué confusión ¿cierto?.

Ahora queda una pregunta por hacer, sobre todo va dirigida a aquellas personas que rechazan el cultivo de plantas transgénicas. ¿También rechazarían o estarían en contra del cultivo de las plantas generadas bajo esta tecnología?. Recuerden que estas plantas no tienen genes de otras especies, simplemente fueron mejoradas a través de mutaciones específicas.

Por otro lado, qué opinan de las plantas cisgénicas; plantas a las cuales se les inserta genes de especies sexualmente compatibles, o sea, es similar a un proceso de mejoramiento genético tradicional —el cual se basa en cruce de diferentes variedades y formación de híbridos hasta obtener una planta con todas las características deseadas— pero más acelerado y eficiente. OJO: No son preguntas retóricas, así que espero algunas respuestas.

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Referencia:

Kuzma, J., & Kokotovich, A. (2011). Renegotiating GM crop regulation EMBO reports DOI: 10.1038/embor.2011.160

Esta entrada participa en el I Carnaval de la Tecnología celebrado en La vaca esférica y en el Carnaval de Biología de Verano (2° Parte) albergado en ¡Jindetrés, sal!