El proyecto chileno “Plant Abiotic Stress for a Sustainable” (PASSA) ya comienza a visualizar sus primeros frutos, acercándose al objetivo de la creación de portainjertos de tomate que sean más resistentes a la sequía y salinidad; que puedan crecer y ser cosechados en zonas de difíciles condiciones climáticas.

Esta iniciativa -un proyecto asociativo de investigación financiado por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo- a pesar de la pandemia, ha presentado notables avances en uno de sus principales objetivos, que se llevará a cabo mediante la herramienta de edición génica CRISPR/Cas-9, técnica cuyas creadoras ganaron el Premio Nobel de Química 2020.

¿En qué consiste el CRISPR?

Se trata de un moderno sistema que permite reparar o mutar secuencias genómicas del ADN a través de ARNs guía y una enzima llamada Cas, los que se convierten en las herramientas para “apagar” ciertos genes específicos para generar características  favorables en cualquier organismo. De este modo, para el caso del proyecto PASSA, se editarán genes responsables de que la planta de tomate se vea afectada por la sequía y salinidad, con lo que se lograría que dichos genes no se expresen y la planta, por lo tanto, pueda adaptarse a suelos salinos y de bajo riego, logrando dar frutos en estas condiciones desfavorables.

Según explica la Dra. Claudia Stange, académica de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile y directora del proyecto, “hasta la fecha hemos utilizado plataformas bioinformáticas y revisado literatura sobre la caracterización funcional de genes del tomate, lo que ha permitido estudiar y seleccionar de manera preliminar genes que afectan negativamente al tomate ante la sequía y estrés salino”.

“Al momento tenemos 6 candidatos para ser editados. Sin embargo, cada uno de estos genes tiene entre 3 a 4 copias en tomate, por lo que debemos analizar la expresión de todos ellos en la raíz de tomate, para quedarnos con los que se expresan en este órgano, ya que nuestro objetivo es hacer portainjertos y la raíz es la que primero percibe la falta de agua y la salinidad”, agrega la investigadora.

La Dra. Stange informa que, además, se han iniciado experimentos en el laboratorio con plantas del tomate poncho negro -variedad del Valle de Lluta introducida al norte de Chile hace más de 40 años. “Las plantas se hicieron crecer y luego fueron regadas con agua con sal o sometidas a sequía para luego analizar -mediante estudios moleculares- la expresión de los genes candidatos y seleccionar aquellos que presenten un mejor patrón de expresión para ser finalmente editados, etapas que esperamos ir concretando tras salir del periodo de cuarentena”, indica. 

Por último, el equipo multidisciplinario ya cuenta con el sistema CRISPR/Cas9 para generar los vectores que incluirán los ARN guías específicos de cada gen seleccionado, para editarlos en plantas de tomate poncho negro. 

Siguientes pasos

Una vez que se seleccionen los genes a editar, se utilizará la herramienta CRISPR/Cas-9, aplicando los vectores con los ARN guía a trozos de hojas de tomate en condiciones estériles in vitro. Luego, se deberá cultivar para regenerar nuevas plantas a partir de las células editadas.

Dado que este proyecto también considera la creación de portainjertos de kiwis que resistan a sequía y salinidad, este proceso será replicado para dichas plantas. La meta final es que ambos portainjertos sean puestos a disposición de agricultores locales que se han visto afectados por las condiciones ambientales actuales, beneficiando de este modo la economía nacional.

Por otro lado, PASSA cuenta con otros dos objetivos: crear biomoduladores -producto aplicable directamente sobre la planta del tomate- desarrollado en base a moléculas vegetales y bacterias endémicas obtenidas desde suelos nortinos, que otorgará resistencia a estas mismas condiciones de falta de agua; junto con una campaña comunicacional que logre dar a conocer los efectos del cambio climático en el mundo y los beneficios de la biotecnología para paliarlos.

Una historia puede ser contada desde diferentes aristas. En el caso de la agricultura, una de las más antiguas, y al mismo tiempo vigentes, es cómo hemos ido modificando y adaptando las especies y variedades de plantas que hoy identificamos como componentes habituales de nuestra dieta. Sorprende el hecho de que las hortalizas, frutas y cereales que hoy componen nuestra canasta básica de alimentos, hace menos de 500 años no existían con las características nutricionales y organolépticas que hoy conocemos.

Para conseguir esto pasamos de la domesticación de las especies hacia la obtención de individuos con características específicas, mediante herramientas de cruza sexual dirigida, que constituyeron la base de los programas de mejoramiento modernos.

Además, comenzamos a introducir cambios en la información genética (inducción de mutaciones) contenida en las diversas especies cultivadas y, de esta manera, aceleramos procesos que de forma natural hubiesen tomado siglos o quizás milenios.

En las últimas décadas desarrollamos una serie de herramientas que nos han permitido manipular la información contenida en las diversas especies. Incluso aprendimos a transferir esta información de una especie a otra a través de la transgenia, sobrellevando una de las barreras más difíciles impuestas por los mecanismos normales de cruza sexual.

Con estas herramientas, conocidas de manera más general como ingeniería genética, hemos generado una serie de nuevas variedades que responden a las necesidades de una industria agrícola basada en el uso de agroquímicos. Por esta razón existe a nivel de los consumidores, y en un importante porcentaje de la opinión pública, la percepción de que este tipo de técnicas sólo benefician a la industria y no reportan ningún beneficio al consumidor final.

Sistemas de edición génica  

Durante siglos hemos escrito una historia genética de selección continua de individuos mejor adaptados a las características requeridas de manejo, rendimiento y calidad. Para responder a los desafíos futuros de aumento significativo de rendimientos y ajuste a las condiciones ambientales cada vez más adversas en términos de disponibilidad de agua y temperaturas promedio en aumento, esta historia necesitaría ser modificada.

Hoy en día gracias a los sistemas de edición génica es posible plantear la modificación de regiones específicas dentro de un individuo y transferir esta modificación a su progenie.

Una de las herramientas de edición de genes que parece la más versátil para su uso en plantas es CRISPR-Cas9. Originalmente fue descrita por el grupo de Jennifer Doudna (Universidad de California, Berkeley, en Estados Unidos) como un sistema de defensa en bacterias que actúa en contra de los virus que naturalmente las infectan (fagos). Este mecanismo de defensa le permite a la bacteria almacenar parte de la información genética del virus en una librería llamada CRISPR. De esta manera, cuando el mismo virus re-infecta a dicha bacteria, ésta es capaz de movilizar y dirigir una endonucleasa llamada Cas9 que cortará el ADN viral.

En el año 2012, Doudna y sus colegas comenzaron a trabajar en la utilización de este sistema en otras especies y visualizaron el amplio espectro de esta herramienta, que puede ser utilizada prácticamente en cualquier especie. Estas diversas aplicaciones son posibles gracias a los muchos tipos de edición que permite CRISPR, como hacer mutaciones precisas mediante la sustitución de las secuencias de ADN existentes con los deseados (recombinación homóloga). Puede desactivar genes enteros cortándolos o realizando reparaciones imprecisas que eliminan la función génica debido a la alteración en el marco de lectura del gen, proceso conocido como reparación no homóloga (constituye el principal mecanismo de acción en plantas). La enzima

Cas9 en sí puede ser manipulada para aumentar o suprimir la expresión génica, una forma poderosa de controlar los genes sin ningún tipo de edición per se.

En tan sólo tres años esta técnica ha sido ampliamente utilizada con numerosos ejemplos de mutagénesis dirigida y regulación dirigida de la expresión de genes, tanto en plantas modelo (Arabidopsis thaliana) como en cultivos, lo que demuestra claramente los aspectos revolucionarios de este nuevo sistema.

Los avances recientes en el uso de técnicas de biología molecular en estudios celulares y de biología del desarrollo en plantas han generado una larga lista de posibles genes susceptibles de ser modificados, cuya inactivación o supresión por tecnologías de edición de genes podría generar rasgos agrícolas altamente deseables. Por ejemplo, recientemente se ha editado un gen perteneciente a una familia de seis polifenol oxidasas para lograr disminuir el pardeamiento de un hongo comestible (Agaricus bisporus) y de esta manera prolongar la vida útil del producto, además de mejorar su valor y atractivo para los consumidores.

Genética Dirigida

Para el control de plagas ha sido propuesto el uso de CRISPR a través de un sistema conocido como genética dirigida. Este concepto fue teorizado en los años ‘40s, pero ahora fue posible su implementación.

Básicamente, esta técnica busca estimular una herencia sesgada de genes particulares para alterar la población entera. El principal requisito para su utilización es que la especie modificada se reproduzca sexualmente.

En el mencionado caso de control de plagas, los sistemas de transmisión génica que permiten la herencia súper mendeliana (una segregación en la población superior a un 50%) de un transgén tienen el potencial de modificar las poblaciones de insectos durante unos pocos años.

Hace más de una década fue propuesto que los sistemas de genética dirigida pueden utilizar endonucleasas sitio específicas para introducir nuevos rasgos en una población. La especificidad y la flexibilidad del sistema CRISPR-Cas9 ofrece oportunidades sin precedentes para acelerar el desarrollo de este sistema para el control de insectos vectores de enfermedades.

De hecho, esta técnica ha sido propuesta como estrategia para el control de Anopheles gambiae, el mosquito vector de la malaria.

Para los programas de mejoramiento, CRISPR constituye una herramienta que aumenta la probabilidad de éxito en la obtención de individuos con fenotipos mejorados, sin que ocurran pérdidas de las características originales de los individuos utilizados.

Usando técnicas genómicas, los fitomejoradores pueden identificar el gen exacto de resistencia, por ejemplo, a oídio y luego encontrar la versión correspondiente menos eficaz en la variedad comercial, que puede ser editado para que coincida perfectamente con el gen más efectivo. Así, la nueva variedad comercial modificada será idéntica en todos los aspectos relevantes y equivalente a una variedad generada a partir de una cruza convencional. De hecho, investigadores chinos han informado de la utilización de la edición de genes para crear una variedad de trigo que resiste al oídio.

Regulaciones

Dado que no hay diferencia entre las variedades genéticamente modificadas con sistemas de edición y las convencionales, tampoco debería existir en cómo se regulan. Sin embargo, este es un tema que causa contro y ha sido abordado con miradas distintas según el sistema de regulación del que estemos hablando.

Por ejemplo, el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) determinó en abril de este año que el mencionado hongo genéticamente modificado (no transgénico), no requiere de su aprobación para ser liberado. De esta forma, se convierte en el primer organismo editado mediante el uso de CRISPR en recibir luz verde por el sistema de regulación estadounidense.

En cambio, la comunidad europea lleva varios años analizando el estatus que tendrán estas nuevas tecnologías. A pesar de que las indicaciones técnicas han sido claras en señalar que los sistemas de edición de genes, incluido CRISPR-Cas9, producen un cambio genético en el producto que no puede ser detectado por los métodos analíticos actuales ni puede distinguirse de aquellos producidos por las técnicas de mejoramiento convencionales o por la variación genética natural, aún no existe una directiva clara respecto a estas tecnologías.

Algunas conclusiones relevantes del consejo asesor de academias científicas europeas (Easac) acerca de las nuevas técnicas de mejoramiento, incluidas las de edición de genes son:

• Como resultado del rápido ritmo de avance en la secuenciación y caracterización de las funciones de los genes de las plantas, las nuevas técnicas de mejoramiento permiten cambios específicos, más precisos y fiables en los genomas en la adición, extracción o reemplazo de ADN en lugares específicos.

• Los riesgos y beneficios de la nueva variante de la planta están determinados por los cambios introducidos, no por el método empleado para conseguirlos.

• A diferencia de la mutagénesis química o inducida por radiación, que se utiliza tradicionalmente como base para el mejoramiento de cultivos, las nuevas técnicas son menos propensas a crear mutaciones múltiples, desconocidas e involuntarias en todo el genoma. Además, estas nuevas técnicas no darán como resultado ADN foráneo en el producto.

El mismo consejo advierte que la complejidad y los costos derivados de la normativa sobre organismos genéticamente modificados son tan altos que pueden ser asumidos únicamente por grandes empresas, y sólo para cultivos extendidos, como maíz, soya y arroz. Si estos reglamentos también se aplican a las nuevas técnicas de mejoramiento, el sector comercial actual (en su mayoría pequeñas y medianas empresas) no podrá utilizarlas e innovadoras variedades de cultivos no extensivos no verían la luz.

En conclusión, las técnicas de edición de genes, particularmente CRISPR-Cas9, pueden jugar un rol protagónico en el desarrollo de nuevas variedades con características orientadas al beneficio directo de los consumidores, como disminución de compuestos alérgenos o trigos con menor contenido de gluten. Sin embargo, los altos costos relacionados con la aplicación de pruebas de inocuidad, como las que actualmente son aplicadas a los cultivos transgénicos, podría limitar la práctica de estas tecnologías.

¿Qué tan lejos estamos de esta tecnología? Como UC Davis Chile tenemos contacto directo con investigadores del campus de Davis de la U. de California, como también a sus otro nueve campus, incluido Berkeley, uno de los creadores de CRISPR-Cas9. En general, UC Davis Chile constituye un puente tecnológico para acercar estas nuevas herramientas de edición genética al desarrollo de iniciativas que busquen crear cultivos que responden a las exigencias de rendimiento, inocuidad y calidad exigidas por mercados internacionales.

Alianza UCDavis Chile + Mundoagro

UCDavis ha reconocido la necesidad de poner al servicio del agro no tan sólo conocimiento y capacidades, sino también generar un enfoque aplicado al uso de microbiomas, con el objetivo de desarrollar herramientas biotecnológicas que potencien la productividad y la competitividad de la agroindustria nacional de manera eficiente e innovadora.