La edición genética con CRISPR ha iniciado una nueva era en el cultivo de plantas. Los cultivos se están editando para crecer bajo fuertes desafíos climáticos, secuestrar más carbono en el suelo y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. La Universidad de California en Berkeley publicó un reportaje divulgativo magistral con los avances que la posicionan a la delantera de este esfuerzo.
UC Berkeley / 28 de junio, 2022.– Procedente de una larga estirpe de agricultores de Iowa, David Savage siempre pensó que investigaría para mejorar los cultivos. Ese sueño murió en la universidad, cuando quedó claro que cualquier retoque genético de un cultivo tardaría al menos un año en probarse; en el caso de algunas plantas perennes y árboles, podría llevar de cinco a diez años. Ante esta lentitud, optó por estudiar las proteínas de las bacterias fotosintéticas.
Pero la llegada de CRISPR cambió todo eso. Savage se dedica ahora a la mejora molecular de los cultivos, con la esperanza de encontrar formas de mejorar su absorción de carbono y la cantidad de carbono que devuelven al suelo. Y espera ver estos cultivos mejorados en los campos dentro de su vida, ayudando a aumentar el rendimiento de los cultivos, pero también a extraer el exceso de carbono de la atmósfera que está calentando el planeta y almacenarlo bajo tierra.
«La llegada de CRISPR nos permitió básicamente crear nuevas herramientas moleculares para saltarnos potencialmente los aspectos lentos del cultivo de tejidos vegetales y la ingeniería genética de plantas, que son grandes barreras para hacer experimentos en plantas», dijo Savage, profesor asociado de biología molecular y celular en la Universidad de California, Berkeley, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y miembro del Instituto de Genómica Innovadora (IGI), que se centra en los innumerables usos de la edición del genoma con CRISPR-Cas9.
Uno de sus colaboradores, Krishna Niyogi, profesor de biología vegetal y microbiana de la UC Berkeley, estima que las reacciones fotosintéticas subóptimas de las plantas podrían mejorarse con la edición CRISPR para ser entre un 20% y un 50% más eficientes. Eso significa que se capturaría más carbono del aire, lo que complementaría otros esfuerzos -en particular, detener la quema de combustibles fósiles- para reducir los gases de efecto invernadero. La agricultura podría secuestrar miles de millones de toneladas de carbono cada año.
«Ahora, estoy muy ilusionado con la creación de herramientas para eliminar el lento cuello de botella», dijo Savage. «Entonces podremos empezar a hacer más experimentos moleculares de nuevo, como intentar mejorar la fotosíntesis de una forma que antes no se podía hacer. CRISPR permitió eso».
Un compromiso de 11 millones de dólares de la Iniciativa Chan Zuckerberg (CZI) anunciado este mes ayudará a Savage y a los investigadores del IGI en la UC Berkeley, la UC Davis y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) a evaluar rápidamente la edición de genes CRISPR en plantas, principalmente en el arroz y el sorgo, y se espera que las variedades mejoradas lleguen a los ensayos de campo en tres a cinco años.
«En la mejora de cultivos, un típico estudiante de posgrado para su proyecto de doctorado puede hacer mutaciones en 10 o 20 plantas, es decir, consigue 10 o 20 tiros al arco. Sabemos que eso no es suficiente», dijo Savage. «El poder de CRISPR es que ahora tenemos la capacidad de hacer todas las mutaciones posibles, determinar en el laboratorio cuáles son las más prometedoras, y luego tomar esa lista priorizada y trasladarla al campo y evaluar desde allí lo que funcionaría. Así que seguimos haciendo 10 tiros al arco, pero son 10 tiros a puerta realmente buenos».
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Aplicar toda la fuerza de CRISPR
Capturar y secuestrar el carbono de la atmósfera es fundamental para mitigar algunas de las peores consecuencias del cambio climático. Pero el planeta ya está experimentando los efectos climáticos del dióxido de carbono, el metano y los óxidos de nitrógeno que hemos introducido en la atmósfera desde que comenzó la Revolución Industrial. Estos efectos provocan un aumento de las sequías, que se alternan con inundaciones más frecuentes, que destruyen los cultivos; un aumento de las temperaturas, con una media de 2 grados Fahrenheit en todo el mundo desde el siglo XIX; la subida del nivel del mar y la invasión del agua salada en los campos; un mayor peligro de pandemias de plantas y plagas.
Los cultivos editados con CRISPR podrían prosperar en estas condiciones cambiadas y ser más sostenibles, por ejemplo, al tener una menor necesidad de fertilizantes artificiales.
«CRISPR puede desempeñar un papel en la limitación de las emisiones agrícolas, haciendo que los cultivos sean más resistentes a un clima más variable y extremo, y utilizando los cultivos y los microbios del suelo para almacenar más y estabilizar el carbono», dijo Brad Ringeisen, director ejecutivo del IGI. «El problema es que, ahora mismo, CRISPR está como en la estantería en este ámbito. No hemos puesto toda la fuerza y el peso de CRISPR hacia el clima y la agricultura, como lo hemos hecho con la salud humana».
El IGI espera cambiar esta situación.
«El fitomejoramiento tradicional se ha basado por completo en cambios aleatorios en el ADN de las plantas introducidos por mutágenos químicos, lo que permitía a los fitomejoradores seleccionar plantas que habían adquirido al azar una característica deseada o que habían perdido una característica indeseable», dijo la fundadora del IGI, Jennifer Doudna, a la revista The Economist en abril. «Lo que hace CRISPR es eliminar toda esa aleatoriedad y proporciona una tecnología que puede alterar con precisión secuencias específicas de ADN en las plantas, ya sea de una en una o en múltiples genes de plantas, en un experimento con CRISPR. Y eso acelera el ritmo de este tipo de trabajo y da a los biólogos de plantas nuevas herramientas para entender las funciones fundamentales de los genes de las plantas.»
«Para muchos de nosotros, los usos más impactantes de CRISPR van a ser en el sector agrícola, al menos a corto plazo», añadió.
Con casi un tercio de su presupuesto dedicado a la investigación sobre los cultivos y el cambio climático, el IGI está preparado para influir ampliamente en productos básicos de todo el mundo como el trigo, el arroz, la yuca y el sorgo, así como en importantes cultivos monetarios para los países en desarrollo: el cacao, que es la fuente del chocolate, y los plátanos.
«Lo que hemos construido en el IGI es una infraestructura asombrosa para la edición de genes de plantas y la transformación de cultivos y métodos de entrega de ADN», dijo el director de agricultura sostenible del IGI, Brian Staskawicz, profesor de biología vegetal y microbiana de la UC Berkeley. «Probablemente tenemos una de las instalaciones de transformación de plantas más extensas y robustas de todo el mundo académico».
Staskawicz y otros investigadores del IGI esperan hacer por la agricultura lo que la tecnología CRISPR ya ha conseguido en la investigación biomédica.
«Pienso en CRISPR como la próxima herramienta de mejora avanzada a disposición de los fitomejoradores», dijo Staskawicz.
«Creo que es justo decir que la mayoría de los cultivos serán editados genéticamente en algún grado dentro de los próximos 10 a 15 años», agregó.
Cultivos editados para un mundo cambiante
La revolución de CRISPR comenzó hace sólo una década, en abril de 2012, cuando los investigadores de la UC Berkeley descubrieron cómo rediseñar una proteína en el corazón de los sistemas inmunológicos de muchas bacterias para apuntar y cortar el ADN en cualquier organismo, planta o animal. Ese trabajo se publicó hace 10 años (28 de junio) en la revista Science.
En la actualidad, la enzima CRISPR-Cas9 es la clave de los nuevos tratamientos para la anemia de células falciformes, la ceguera hereditaria y varios tipos de cáncer, se ha utilizado para aumentar el volumen de los cerdos y los perros e impedir que los mosquitos transmitan la malaria, y ha cambiado la forma en que los científicos e ingenieros llevan a cabo sus investigaciones.
Mientras los científicos celebran el aniversario del invento -que en 2020 fue honrado con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina para Doudna y su colega francesa Emmanuelle Charpentier- y sus revolucionarios avances, exploran el potencial de CRISPR para transformar nuestros cultivos como lo han hecho nuestros tratamientos médicos, con el añadido de salvar el planeta.
Es posible que los consumidores vean pronto en el mercado productos editados con CRISPR. En 2020, Japón aprobó la comercialización de un tomate editado con CRISPR que supuestamente podría reducir la presión arterial, mientras que el mes pasado [mayo], los investigadores informaron de la edición de un tomate con CRISPR para aumentar la producción de vitamina D. A principios de este año, la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos aprobó una vaca editada con CRISPR que puede soportar temperaturas más altas.
Uno de los incentivos del uso de CRISPR es que no introduce genes de otros organismos, como las bacterias. Eso significa que Estados Unidos y otros países -quizás pronto, en Europa- no regularán las plantas CRISPR como OGMs [transgénicos], u organismos genéticamente modificados. La resistencia del público a las plantas transgénicas ha dificultado la introducción de cultivos transgénicos mejorados en muchas zonas, incluidas Europa y África. La fuerte regulación de los cultivos transgénicos en Estados Unidos también hace que sea costoso conseguir la aprobación de los mismos, aunque eso no ha impedido que la agroindustria desarrolle variedades genéticamente alteradas de los principales cultivos comerciales: en Estados Unidos y en gran parte de Sudamérica, más del 90% de todo el maíz y la soja plantados son ahora transgénicos.
Mientras que la gran agricultura se centra sobre todo en estos cultivos lucrativos, el IGI ha optado por trabajar en cultivos de importancia crítica fuera del mundo desarrollado.
Por ejemplo, el arroz. Es un alimento básico para 3.500 millones de personas en todo el mundo, es una de las principales exportaciones de muchos países asiáticos, así como de California, pero se estima que emite un 12% de todo el metano, un gas de efecto invernadero 25 veces más potente que el dióxido de carbono. La razón principal es que el arroz se cultiva habitualmente en campos inundados, con sus raíces aisladas del oxígeno. Esto crea condiciones óptimas para los microbios anaeróbicos que convierten el dióxido de carbono en metano.
Jill Banfield, del IGI, ha colaborado con Jennifer Pett-Ridge, del LLNL, para identificar los microbios clave que intervienen en este proceso, explorar cómo interactúan con las raíces de las plantas y determinar los controles genéticos de la producción de metano. Con esta información, esperan editar el arroz con CRISPR y manipular los microbios del suelo asociados a las raíces para disminuir la producción microbiana de metano y aumentar el almacenamiento de carbono a largo plazo en el suelo, quizás hasta en un 50%.
«Los microbios del suelo segregan biopolímeros que son muy pegajosos y pueden tomar las sustancias húmicas del suelo y unirlas a los minerales para crear asociaciones muy duraderas – potencialmente hasta cientos de años – que retienen el carbono», dijo Ringeisen. «Creemos que podemos diseñar ese sistema para que los microbios promuevan los mecanismos de adherencia al tiempo que reducen las emisiones». Uno de los enfoques consistirá en diseñar las plantas para que se comuniquen con los microbios de forma química y promuevan esos microbios y mecanismos que producen carbono pegajoso, en lugar de carbono que se emite a la atmósfera».
Para Pett-Ridge, un beneficio importante del proyecto es que producirá plantas de cultivo más eficientes, lo que se traduce en un mayor rendimiento por hectárea y plantas más robustas con menos necesidad de añadir fertilizantes o regar.
Esto encaja con el plan de Savage y Niyogi de modificar la fotosíntesis para aumentar la eficiencia de las llamadas reacciones oscuras en la planta, es decir, las reacciones metabólicas que tienen lugar por la noche para fijar el carbono en almidones, azúcares y otros fotosintatos. Si consiguen mejorar la captación de carbono en un 30% o más, gran parte de éste debería ir a las raíces y permanecer en el suelo después de la cosecha.
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«Cuando los agricultores hablan de la capa superior del suelo, lo que realmente quieren decir es el carbono orgánico del suelo», dijo. «Donde yo crecí, el suelo era literalmente tan negro que era casi azul cuando lo mirabas. Y eso es porque la reserva de carbono en él era muy alta. Pues bien, los agricultores de Iowa, en el último siglo de intensificación, han eliminado prácticamente la mitad de la capa superficial del suelo».
Sin embargo, puede que no baste con restaurarla capturando el carbono de forma más eficiente. En los últimos años, los biólogos se han dado cuenta de que gran parte del carbono orgánico que queda en el suelo después de la cosecha -por debajo de la capa de arado, en palabras de Pett-Ridge- sigue estando disponible para que los microbios lo coman y lo conviertan en dióxido de carbono. Ponerlo a mayor profundidad puede funcionar -Banfield está trabajando con la experta en arroz Pam Ronald, de la UC Davis, para desarrollar cepas de arroz con raíces más profundas-, pero puede ser necesario alterar las interacciones entre los microbios, las raíces de las plantas y el suelo. Ronald es conocida por haber identificado un gen en el arroz que lo hace más tolerante a la inmersión durante semanas, lo que condujo a una variedad modificada genéticamente que ahora utilizan unos 6 millones de agricultores en siete países.
«Si lo sumerges uno o dos metros, su tiempo de permanencia aumenta drásticamente», explica Savage. «Pero también son realmente importantes las interacciones microbianas con la planta y la forma que puede adoptar el carbono en sus interacciones con los microbios. Es casi como un problema geológico/mineralógico, porque hay diferentes tipos de minerales que retendrán ese carbono durante más tiempo».
La beca del CZI reúne específicamente a biólogos de plantas y microbiólogos con geólogos, como Banfield, catedrático de ciencias de la tierra y planetarias y de ciencias, políticas y gestión medioambientales, para modificar las plantas con el fin de que formen agregados en el suelo y complejos mineral-microbianos que garanticen el almacenamiento de carbono a largo plazo en el suelo.
Screening de alto rendimiento
El CRISPR por sí solo no sería suficiente para acelerar el cultivo de plantas sin una forma más rápida de examinar las células editadas: un método de alto rendimiento para determinar si la eliminación de un gen o la selección de un promotor para aumentar o disminuir su gen asociado tiene el efecto deseado.
En lugar de editar directamente las células vegetales -de una raíz o una hoja, por ejemplo-, los científicos se centran en los protoplastos: células desprovistas de sus resistentes paredes celulares. Los protoplastos son casi tan fáciles de manipular y editar en el laboratorio como las células cancerosas cultivadas empleadas desde mediados del siglo XX en la investigación biomédica.
Staskawicz ayudó al IGI a crear un laboratorio en el que Savage y Niyogi pueden llevar a cabo muchos experimentos de edición genética CRISPR en protoplastos simultáneamente.
«Queremos hacer millones de experimentos al día, aprovechando el poder de la síntesis de ADN y el screening de alto rendimiento para averiguar, básicamente, qué parte de la expresión génica de la planta puede cambiarse mediante la edición CRISPR de las regiones promotoras -el ADN que precede a los genes- para conseguir aumentos en la actividad génica», dijo Savage.
Por desgracia, los protoplastos editados no pueden convertirse en plantas florecientes. Según Peggy Lemaux, profesora de extensión cooperativa y pionera en la ingeniería genética de plantas, mientras que los experimentos en protoplastos pueden señalar más rápidamente los mejores ajustes de edición para mejorar un rasgo deseado, esas ediciones tienen que ser recreadas en células de plantas enteras, muy probablemente en células de hojas, y en última instancia en plantas.
Ha traído al IGI la mejor tecnología actual para hacerlo, lo que los fitomejoradores llaman transformación: utilizar bacterias, concretamente agrobacterias, para transportar CRISPR u otras herramientas de manipulación genética a las células.
«David Savage identificará mutaciones que en protoplastos parecen aumentar la fotosíntesis, y luego nuestro trabajo será tomar los candidatos más prometedores y probarlos en el sorgo o en una hierba modelo relacionada, Setaria viridis, directamente en un invernadero y ver si todavía observamos un aumento en la eficiencia fotosintética», dijo. «Luego llevaremos los más prometedores al campo».
El Centro de Investigación y Extensión Agrícola de Kearney, en el Valle Central de California, gestionado por la División de Agricultura y Recursos Naturales de la UC, está preparado para plantar y analizar estos cultivos experimentales.
Lemaux ya ha realizado en este lugar amplios ensayos de campo con sorgo, que le ha impresionado por sus profundas y robustas raíces. Cultivado en gran parte de África por su grano y fibra, que se utiliza como alimento para animales, es uno de los cultivos más tolerantes a la sequía. Aprender cómo lo consiguen las plantas de sorgo podría dirigir a los mejoradores hacia los genes de otras plantas -arroz, trigo y maíz, por ejemplo- que pueden editarse para reducir sus necesidades de agua. Un reciente proyecto de cinco años financiado por el DOE le ayudó a ella y a sus colegas a identificar un par de cientos de genes de sorgo asociados a la tolerancia a la sequía.
«Creo que esto nos servirá de base para lo que hagamos con el sorgo, pero también para el arroz», afirma.
Pett-Ridge señala que un tercio de la tierra de la Tierra es terreno de cultivo, por lo que mejorar la capacidad de los cultivos para capturar y almacenar carbono en el suelo durante cientos de años podría tener un gran impacto en el presupuesto de carbono del planeta. El equipo estima que si se aumenta la captura fotosintética de carbono del sorgo y se amplía el cultivo a tierras marginales, puede lograrse un aumento neto de hasta 1.400 millones de toneladas métricas de CO2 equivalente capturadas anualmente en todo el mundo, la mitad de las cuales podrían almacenarse de forma duradera si se combinan con tecnologías de conversión de la biomasa. El impacto climático sería aún mayor si los cultivos más extendidos -el trigo y el maíz, por ejemplo- pudieran ajustarse para capturar y secuestrar más carbono.
Sin embargo, mucho depende de la aceptación por parte de los agricultores y del público. Para Lemaux, una de las principales ventajas de CRISPR es su capacidad de manipular los propios genes de una planta para crear nuevas características, a diferencia de las modificaciones genéticas que hacen que las nuevas razas o variedades sean etiquetadas como OGM (transgénicas). Conoce la frustración de ver que los cultivos transgénicos -incluso los que cambian las reglas del juego, como el arroz dorado, con niveles mejorados de un precursor de la vitamina A que podría ayudar a prevenir enfermedades cegadoras en África y Asia causadas por la falta de esta vitamina- son rechazados por los agricultores y los consumidores simplemente porque están etiquetados como OGMs.
«Es muy triste», dijo. «(El profesor jubilado de biología vegetal y microbiana) Bob Buchanan y yo creamos tres mejoras modificadas genéticamente que deberían estar ahí fuera. Una era una variedad de trigo hipoalergénico. Otra era una variedad que reduce la brotación antes de la cosecha, que es un gran problema y causa muchas pérdidas económicas cada año. Y una variedad de sorgo más digerible. Y ninguna de ellas llegó a ninguna parte. Así que ahora, vale, si no puedo hacerlo así (por ingeniería genética), entonces quizá pueda hacer algo con la edición con CRISPR».
Del laboratorio al campo
Los investigadores del IGI ya han hecho progresos impresionantes. Niyogi ha estado probando cultivos modificados genéticamente en campos de la Universidad de Illinois-Urbana Champaign, demostrando que es posible conseguir que las plantas crezcan bien con un 25% menos de agua y que aumenten la captación de dióxido de carbono en las hojas, así como la productividad de las plantas, en aproximadamente un 15%. Lo ha conseguido insertando genes externos, lo que convierte a las plantas en OGMs o transgénicos, pero planea repetir su éxito en el arroz utilizando las enzimas CRISPR para sobreexpresar los mismos genes cambiando sus promotores.
Recientemente, Staskawicz y el estudiante de posgrado Nicholas Karavolias introdujeron mediante CRISPR un gen en el arroz que reducía la densidad de estomas en las hojas en un 20%, lo que disminuía la transpiración de agua sin reducir el rendimiento del arroz. Los estomas son las aberturas que dejan entrar el CO2 y salir el agua de la planta. Esto parece lo suficientemente prometedor como para probarlo en ensayos de campo con colaboradores en Colombia.
«En caso de que esta tecnología funcione en el campo, nuestros colaboradores colombianos tienen la capacidad de ampliarla y distribuirla, porque están integrados con los cultivadores locales y realizan liberaciones de variedades», dijo Karavolias. «Para nosotros es muy importante colaborar con socios que tengan la capacidad de ampliar nuestra tecnología y hacer pruebas de campo y llegar a los agricultores. Con esto, intentamos establecer un nuevo paradigma de cómo los investigadores académicos pueden participar en el trabajo aplicado mediante una colaboración inteligente.»
Conseguir que las nuevas variedades de cultivos lleguen a manos de los agricultores es crucial para los esfuerzos del IGI.
«No somos una simple caja de arena donde se juega con el juguete científico favorito. Lo nuestro es la traducción», dijo Ringeisen. «Creo que entre el 12% y el 15% de todas las patentes que han salido de Berkeley en los últimos años son de investigadores principales del IGI. Pero al mismo tiempo, queremos traducir esos descubrimientos en un impacto en el mundo real».
Para ello, Melinda Kliegman, directora de impacto público del IGI, ha ayudado a establecer una relación formal con una organización llamada Grupo Consultivo para la Investigación Agrícola Internacional (CGIAR), que se centra en la seguridad alimentaria. A través de sus 15 centros de investigación en todo el mundo, el CGIAR conserva las variedades regionales de cultivos, mejora variedades de mayor rendimiento y trabaja directamente con los agricultores locales para hacer llegar estas variedades mejoradas a la tierra.
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«Hay tantos inventos geniales que han acabado muriendo en el laboratorio y no han avanzado», dijo Kliegman. «Por eso, poder poner en contacto a nuestros investigadores con personas y organizaciones que pueden dar un paso más y realizar ensayos de campo para probar sus cultivos particulares es una pieza realmente importante de todo esto».
Los científicos del IGI también se dirigen a los cultivadores de fuera de EE.UU. para informarles sobre los cultivos editados con CRISPR y sobre cómo distinguirlos de los cultivos transgénicos. En parte, esto es para asegurar que los cultivos editados con CRISPR no se encuentren con el mismo rechazo que los cultivos transgénicos, que tienen amplia desconfianza por el público en general.
«Creo que tenemos la oportunidad de volver a hacerlo y hacerlo mejor esta vez», dijo. «Creo que parte de esto es crear confianza con las comunidades que son usuarios finales del producto, como agricultor o como consumidor, y desarrollar productos que aporten valor al consumidor y no sólo al agricultor. Esas son algunas de las formas en que podemos ayudar a reparar esa confianza«.
Construir un sistema ético, asequible, accesible y que no se centre únicamente en los intereses comerciales será fundamental para una revolución de CRISPR en la agricultura.
«Lo que tenemos ahora es una enorme oportunidad con la edición de genes para poder liberar realmente variedades que pueden tener impactos en rasgos que no son necesariamente rentables, pero que pueden influir en la resiliencia climática, que pueden influir en la seguridad alimentaria y que no están dictados por intereses lucrativos exclusivamente», dijo Staskawicz.
«El número de personas que se verán afectadas por esta tecnología en la agricultura superará en última instancia lo que va a suceder en la investigación biomédica: la edición de genes va a afectar a miles de millones de personas a través de la producción de alimentos. Pero si se observa la discrepancia entre la financiación de la investigación biomédica y la agrícola, es de 100 a uno. Es ridículo», añadió.
«Siempre digo que si no puedes comer, no tienes que preocuparte por el cáncer«.