Limpieza del medio ambiente por medio de plantas transgénicas

Cuando se habla sobre plantas genéticamente modificadas (GM) mediante técnicas de ingeniería genética, se suele mencionar solamente a las plantas GM utilizadas en el ámbito agrícola. Esto se debe a que desde 1996 se cultivan comercialmente plantas GM con dos tipos de rasgos dominantes: resistencia a insectos y/o tolerancia a herbicidas, permitiendo reducir las pérdidas por plagas y un mejor controlar de malezas – aunque nuevos rasgos como la tolerancia a sequía o mayor cantidad de nutrientes muy pronto comenzarán a tener mayor presencia a nivel comercial.

Sin embargo, hay otras aplicaciones que son prácticamente desconocidas, y una de ellas es la fitorremediación, que consiste en el uso de plantas para eliminar o degradar la contaminación de suelos y aguas superficiales [1]. Esta técnica se ha propuesto como una alternativa barata, sustentable, y eficaz frente a tecnologías de remediación convencional.

Las plantas usan la energía del sol (mediante la fotosíntesis) para extraer sustancias químicas del suelo y  depositarlas en sus raíces o parte aérea (tallos y hojas), para convertirlas en sustancias menos tóxicas al interior de la planta, o en gases no tóxicos que se liberan al ambiente. De esta forma, las plantas pueden ser entonces cosechadas y tratadas, eliminando finalmente los contaminantes del suelo. Las sustancias pueden ser inorgánicas como los metales pesados (cadmio, mercurio, plomo…), arsénico y residuos nucleares radiactivos, así como orgánicas (petróleo, solventes, compuestos fenólicos, explosivos, fertilizantes, herbicidas y pesticidas).

Por esto, una planta útil para fitorremediación debe tener una alta tolerancia al contaminante, la habilidad de degradarlo y/o acumularlo en su biomasa, la capacidad de absorber grandes cantidades de agua del suelo, gran biomasa y crecimiento rápido.

Se conocen unas 400 especies que pueden acumular alguna sustancia contaminante [2]. La mayoría son muy conocidas, tales como el girasol (para el uranio y arsénico), el álamo (para el níquel, cadmio y zinc), la mostaza (para el plomo), entre otras, como la alfalfa, el tabaco, el tomate, el zapallo, el sauce, etc. Sin embargo, generalmente las especies que pueden tolerar y crecer en sitios contaminados crecen muy lentamente, o tienen poca biomasa, o están adaptadas a condiciones ambientales muy específicas. En el caso de los árboles, que tienen grandes sistemas de raíces, mucha biomasa y bajos requisitos de insumos agrícolas, toleran muy mal los contaminantes y no los acumulan. Por lo tanto, hasta el momento las plantas convencionales no cumplen adecuadamente con los requisitos para ser fitorremediadores exitosos.

Mayor eficiencia con ingeniería genética

La capacidad remediadora de las plantas convencionales puede mejorarse significativamente mediante técnicas modernas de modificación genética de plantas. El mejoramiento o introducción de nuevos rasgos para la captación y acumulación de contaminantes en plantas de gran biomasa (y/o rápido crecimiento) están demostrando ser una estrategia exitosa para el desarrollo de mejores fitoremediadores [3]. Para esto normalmente se insertan genes provenientes de microorganismos remediadores, o pueden ser transferidos de una planta a otra variedad mejor adaptada a las condiciones ambientales del sitio contaminado.

A continuación se describen algunos ejemplos de contaminantes que han sido remediados exitosamente en ensayos experimentales con plantas transgénicas:

• Plomo, Cadmio, Zinc…: Los metales tóxicos afectan los rendimientos de los cultivos, la biomasa del suelo, la fertilidad, y se acumulan en la cadena alimentaria. Debido a esto se han modificado plantas como el tabaco y árboles como el álamo logrando niveles altos de acumulación de zinc, plomo, cadmio, níquel y boro, y además con mucha biomasa [4][5]. También se ha modificado Arabidopsis, mostaza y tabaco para mejorar la tolerancia a metales a través de la sobre-expresión de enzimas que inducen la formación de fitoquelatinas (agentes quelantes que destoxifican metales pesados) [6] [7] [8].
• Mercurio: Este elemento altamente tóxico que se encuentra a través de compuestos organomercuriales de forma natural e introducida al ambiente, presenta un grave problema ambiental y sanitario (en forma de metilmercurio daña gravemente el sistema inmunológico, nervioso y el desarrollo embrionario). La eliminación de compuestos organomercuriales se ha logrado con plantas transgénicas mediante la transformación de Arabidopsis, tabaco, álamo y mostaza con dos genes bacterianos principales: merA y Merb. [7][8][9][10]. Las acciones combinadas de ambos genes transforman el metilmercurio a su forma volátil, que es 100 veces menos tóxica, y la planta lo libera a la atmósfera a concentraciones no tóxicas a través de la transpiración. Otras combinaciones de genes pueden permitir concentrar el mercurio en la planta [11].
• Arsénico: Se encuentra en rocas, suelos y se libera en el agua subterránea. Su consumo en el agua potable causa graves problemas de salud, y en agricultura reduce los rendimientos y contamina el suministro alimentario [12]. Para retirarlo del ambiente se han modificado plantas de Arabidopsis con tolerancia al arsénico mediante la introducción de 2 genes bacterianos: arsC y Y-ECS. Las plantas con ambos genes no sólo son altamente tolerante al arsénico, también tienen seis veces más biomasa que la planta convencional [8]. También se ha logrado aumentar la absorción de arsénico hasta 7,5 veces más en Arabidopsis, y hasta 10 veces más en arroz utilizando también genes bacterianos [13][14].
• Compuestos explosivos: Millones de toneladas de explosivos se han liberado al medio ambiente, contaminando grandes superficies de tierra y recursos hídricos. Debido a esto, se han modificado plantas de tabaco con un gen bacteriano que expresa una enzima nitrorreductasa que les permite tolerar y degradar altos niveles de TNT [15], y plantas de Arabidopsis con el gen xplA (de bacterias Rhodococcus) que son altamente resistentes a RDX [16][17].
• Minas terrestres: Estos artefactos afectan a millones de personas, tanto combatientes como civiles alrededor del mundo. Se están realizando esfuerzos para desarrollar plantas transgénicas que se puedan advertir la presencia de minas en un campo [18]. Ya se han modificado Arabidopsis cuyas raíces cambian de color cuando entran en contacto con productos de degradación de minas terrestres. También se trabaja para permitir que la planta transmita la señal a sus hojas y así mostrar un cambio visible para un sistema práctico de detección de explosivos.

A pesar de los éxitos logrados, aún quedan desafíos como una mejor comprensión de las vías metabólicas y genes implicados en la biodegradación; lograr apilar genes para descontaminar más de una sustancia a la vez; desarrollar estrategias que prevengan el flujo génico a plantas silvestres; así como mayor voluntad política y financiamiento para avanzar en la investigación y nuevos enfoques.

Como explicamos en nuestro artículo anterior titulado “Sustentabilidad y beneficios ambientales de los cultivos transgénicos”, las plantas GM comercializadas durante 2 décadas han permitido una serie de beneficios ambientales como reducción del uso de pesticidas, adopción de herbicidas menos tóxicos, facilitación de la adopción de la siembra directa, ahorro de agua y superficie cultivable, entre otros. Estos beneficios para el medio ambiente pueden incrementarse si se desarrollan plantas transgénicas con un potencial de fitorremediación más eficiente, ya que serían una herramienta prometedora para limpiar ecosistemas que lamentablemente hayan sufrido fuerte contaminación por la industrialización, desechos, guerras o procesos naturales.

Referencias:

1. Salt DE, Smith RD, Raskin I. (1998). «Phytoremediation». Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 49:643-668
2. Lone, M. I., He, Z., Stoffella, P. J., & Yang, X. (2008). Phytoremediation of heavy metal polluted soils and water: Progresses and perspectives. Journal of Zhejiang University. Science. B, 9(3), 210–220
3. Kotrba, P., Najmanova, J., Macek, T., Ruml, T., & Mackova, M. (2009). Genetically modified plants in phytoremediation of heavy metal and metalloid soil and sediment pollution. Biotechnology Advances, 27(6), 799–810
4. Shim, S. Kim, Y.-I. Choi, W.-Y. Song, J. Park, E.S. Youk, S.-C. Jeong, E. Martinoia, E.-W. Noh, Y. Lee. (2013). Transgenic poplar trees expressing yeast cadmium factor 1 exhibit the characteristics necessary for the phytoremediation of mine tailing soil. Chemosphere, 90 (4): pp 1478–1486
5. Martínez, M., Bernal, P., Almela, C., Vélez, D., García-Agustín, P., Serrano, R., & Navarro-Aviñó, J. (2006). An engineered plant that accumulates higher levels of heavy metals than Thlaspi caerulescens, with yields of 100 times more biomass in mine soils. Chemosphere, 64(3): 478–485.
6. Krämer U. (2005). Phytoremediation: novel approaches to cleaning up polluted soils. Current Opinion in Biotechnology, 16(2):133-41
7. Gratão, Priscila Lupino, Prasad, Majeti Narasimha Vara, Cardoso, Patrícia Felippe, Lea, Peter John, & Azevedo, Ricardo Antunes. (2005). Phytoremediation: green technology for the clean up of toxic metals in the environment. Brazilian Journal of Plant Physiology, 17(1): 53-64
8. Cherian S, Oliveira MM. (2005). Transgenic plants in phytoremediation: recent advances and new possibilities. Environmental Science & Technology, 39(24):9377-9390
9. Bizily, S. P., Rugh, C. L., and Meagher, R. B. (2000). Phytodetoxification of hazardous organomercurials by genetically engineered plants. Nature Biotechnology. 18, 213–217.
10. Haque S, Zeyaullah M, Nabi G, Srivastava PS, Ali A. (2010). Transgenic tobacco plant expressing environmental E. coli merA gene for enhanced volatilization of ionic mercury. Journal of Microbiology and Biotechnology, 20(5):917-24
11. Chang S, Wei F, Yang Y, Wang A, Jin Z, Li J, He Y, Shu H. (2015). Engineering Tobacco to Remove Mercury from Polluted Soil. Applied Biochemistry and Biotechnology, 175(8):3813-27
12. American Cancer Society, 2014. Arsenic. Disponible en: http://www.cancer.org/cancer/cancercauses/othercarcinogens/intheworkplace/arsenic
13. Meng, X.-Y., Qin, J., Wang, L.-H., Duan, G.-L., Sun, G.-X., Wu, H.-L., Zhu, Y.-G. (2011). Arsenic biotransformation and volatilization in transgenic rice. The New Phytologist, 191(1), 49–56
14. Chen Y, Xu W, Shen H, Yan H, Xu W, He Z, Ma M. (2013). Engineering arsenic tolerance and hyperaccumulation in plants for phytoremediation by a PvACR3 transgenic approach. Environmental Science & Technology, 47(16):9355-62
15. Hannink, N.; Rosser, S. J.; French, C. E.; Basran, A.; Murray, J. A.; Nicklin, S.; Bruce, N. C. (2001), «Phytodetoxification of TNT by transgenic plants expressing a bacterial nitroreductase», Nature Biotechnology, 19 (12): 1168–72
16. Rylott EL, Jackson RG, Edwards J, Womack GL, Seth-Smith HM, Rathbone DA, Strand SE, Bruce NC. (2006). An explosive-degrading cytochrome P450 activity and its targeted application for the phytoremediation of RDX. Nat Biotechnology, 24 (2):216–219.
17. K. Panz, K. Miksch. (2012). Phytoremediation of explosives (TNT, RDX, HMX) by wild-type and transgenic plants. Journal of Environmental Management, 113: 85–92
18. Michael Deyholos; Anthony A. Faust; Minmin Miao; Rebecca Montoya; D. Aaron Donahue. (2006). Feasibility of landmine detection using transgenic plants, Proceedings of SPIE, 6217.