El Dr. Feng Zhang, pionero en la edición del genoma vegetal, está desarrollando plantas modificadas con CRISPR como una posible solución al desafío de alimentar a nuestra población en rápido crecimiento. A continuación, el experto en tecnología CRISPR, Mollie Schubert, analiza su trabajo.
New Food Magazine / 13 de agosto de 2020.- Con las Naciones Unidas (ONU) proyectando que la población mundial alcanzará los 8.500 millones para el año 2030 y los 9.700 millones para el 2050, una pregunta cada vez más urgente es ¿Cómo proporcionaremos suficientes alimentos para esta cantidad de personas sin ejercer más presión sobre nuestros ya escasos recursos y el planeta? Una posible solución que se está investigando es la de las plantas agrícolas, que ahora se pueden mejorar con precisión utilizando tecnologías avanzadas como la ingeniería genética con CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), para que sean más resistentes a las plagas y los desafíos climáticos, además de producir mayores rendimientos.
[Recomendado: CRISPR: Alimentos nutritivos, eliminar enfermedades y super-bacterias, entre otras aplicaciones]El trabajo del Dr. Feng Zhang
Ya en 2007, el Dr. Feng Zhang, PhD, profesor asistente en el Centro de Genómica de Plantas de Precisión y el Departamento de Biología Vegetal y Microbiana de la Universidad de Minnesota, estaba buscando formas de mejorar las tecnologías de edición del genoma para la ingeniería genética de plantas. Hacia fines de 2009, co-desarrolló una importante tecnología de ingeniería genética basada en nucleasas efectoras de tipo activador de la transcripción (TALEN), que son enzimas que pueden adaptarse para cortar secuencias específicas de ADN. Los TALEN mejoraron enormemente la eficiencia y precisión de la ingeniería genética en las plantas. Desde entonces, las tecnologías de edición del genoma han evolucionado rápidamente y CRISPR se ha convertido en una tecnología mucho más eficiente, precisa y sencilla de usar. Ahora, el Dr. Zhang y su equipo utilizan CRISPR exclusivamente para su investigación sobre la mejora de los cultivos alimentarios. Continúa liderando proyectos dirigidos no solo a desarrollar mejores cultivos sino también a refinar tecnologías CRISPR para su aplicación en plantas.
[Recomendado: Start-Up desarrolla frutas y verduras más sabrosas utilizando edición genética con CRISPR]Los desafíos de crear células vegetales
La ingeniería genética de células vegetales ha planteado algunos desafíos novedosos en comparación con el trabajo con células animales y humanas. Por un lado, los genomas vegetales tienden a contener más bases de adenina (A) y timina (T) que los genomas animales o humanos. Esto significa que Cas9, la enzima CRISPR descubierta por primera vez y utilizada principalmente en experimentos CRISPR, no puede apuntar a grandes porciones de genomas vegetales típicamente ricos en AT. Además, las plantas se cultivan habitualmente a temperaturas más bajas que las células de mamíferos y Cas9 es menos activo a estas temperaturas más bajas. Para ampliar el conjunto de herramientas CRISPR para científicos como el Dr. Zhang, los expertos han estado trabajando para desarrollar y optimizar enzimas Cas alternativas. Cas12a (anteriormente conocido como Cpf1) es uno de esos ejemplos.
Cas12a es una enzima CRISPR que se dirige a regiones de ADN ricas en AT. Sin embargo, la forma original o versión de «tipo salvaje» de esta enzima ha demostrado ser ineficaz, ya que su actividad nucleasa es sustancialmente menor que la de Cas9. Para abordar esta característica, se crearon muchas versiones mutantes de Cas12a, que luego se analizaron para detectar variantes de alta actividad, utilizando una pantalla bacteriana imparcial. El resultado fue Alt-R A.s. Cas12 Ultra, una enzima que es tan activa como Cas9, que también es capaz de soportar una amplia gama de temperaturas, lo que la hace ideal tanto para células animales como vegetales.
[Recomendado: Plantas editadas genéticamente contra el cambio climático: 5 enfoques con CRISPR]Otro desafío de la biología de células vegetales para la ingeniería genética es la presencia de la pared celular, una capa de celulosa resistente fuera de la célula. Si bien es crucial proteger la célula y proporcionar soporte estructural, la pared celular impone una barrera a los reactivos utilizados en ingeniería genética, evitando que ingresen a la célula. Una forma en que el Dr. Zhang y su equipo han superado esto es eliminar enzimáticamente la pared celular, dejando la célula rodeada solo por su membrana celular. Esta célula sin pared celular, conocida como «protoplasto» es, por tanto, mucho más permeable a los reactivos y, como tal, se parece más a una célula de mamífero. Al trabajar con protoplastos, la ingeniería genética con CRISPR se puede realizar con un rendimiento mucho mayor, lo que será necesario para aplicaciones como la mejora de cultivos genómica funcional y acelerada.
Se ha superado un último obstáculo en la entrega de reactivos con ingeniería genética de manera eficiente para apuntar con precisión al ADN mediante la entrega directa de ribonucleoproteínas (RNP). Estos simplifican enormemente la ingeniería genética y son utilizados por el Dr. Zhang y su equipo como un componente clave de sus experimentos. Además, al estar disponibles comercialmente, los RNP brindan una precisión de edición confiable y mejoran la reproducibilidad de los experimentos con CRISPR. Una ventaja adicional de las RNP es que facilitan la edición del genoma de tal manera que da como resultado un producto libre de transgenes. Esto significa que las agencias reguladoras probablemente no designarán el producto como organismo modificado genéticamente (OGM o transgénico).
Todos estos avances y refinamientos son aplicados por el Dr. Zhang al desarrollo de plantas de cultivo nuevas y mejoradas. Él y su equipo están utilizando CRISPR para diseñar cultivos con características importantes, como un mayor rendimiento. Los cultivos con mayor productividad son el objetivo número uno de los fitomejoradores, ya que esto es, y siempre ha sido y será cada vez más, esencial para todos los cultivos. Más allá de la productividad, también se están desarrollando variantes con otros rasgos deseables, como la tolerancia a herbicidas y la resistencia a insectos. También se está abordando una preocupación creciente mediante el desarrollo de cultivos que sean más capaces de hacer frente a las tensiones climáticas, como las variantes con tolerancia a la sequía o las inundaciones.
[Recomendado: Edición genética con CRISPR: Una nueva caja de herramientas para mejorar los cultivos agrícolas]Aceptación pública de cultivos mejorados con biotecnología
A pesar de toda la investigación y el desarrollo que se llevan a cabo en la mejora de las plantas de cultivo, hay otra consideración fundamental. La aceptación pública de los alimentos producidos con cultivos mejorados con CRISPR es absolutamente vital si esta vía de investigación ha de ayudar a resolver la crisis alimentaria mundial. Para lograr esto, los científicos, incluido el Dr. Zhang, van más allá de la ingeniería de rasgos como la resistencia a los insectos en los cultivos. Está enfocado en desarrollar cultivos que sean mejores para la salud humana, por ejemplo, con soya que no contiene grasas trans pero sí más grasas saludables que son cruciales para proteger las células del corazón y el cerebro. Al poner a los consumidores en primer lugar y centrarse en el desarrollo de características que ofrecen beneficios para la salud de los consumidores, la esperanza es que el umbral para la aceptación pública sea menor. Por supuesto, esto deberá ir acompañado de información y educación para que los consumidores estén facultados para tomar decisiones informadas.
De hecho, el primer alimento editado genéticamente ya está en el mercado. Se vende a empresas de la industria de servicios alimentarios un aceite elaborado a partir de semillas de soya que se han modificado con TALEN para que no contengan grasas trans. Este aceite no transgénico ha sido desarrollado y fabricado por Calyxt, una empresa con sede en Minnesota que el Dr. Zhang cofundó hace muchos años. Aunque desde entonces ha pasado a realizar investigaciones en el sector público, continúa observando con interés los lanzamientos anticipados de los productos en proceso de Calyxt, como el trigo con alto contenido de fibra y las papas de oxidación retardada. Nosotros también esperamos ver lo que el Dr. Zhang y su equipo propondrán a continuación, tanto en términos de avances en las tecnologías CRISPR para la ingeniería de plantas, como en cultivos alimentarios más resistentes y productivos que podrían ayudar a alimentar al mundo.