La palabra transgénico causa escalofríos a algunas personas, temerosas de que la intervención del hombre en el ADN de otras especies disperse genes en la naturaleza de manera descontrolada, y altere las características originales de otros seres. Pero a decir por los resultados de una nueva técnica de manipulación del código genético de las plantas, esta preocupación puede estar con sus días contados en lo que se refiere a especies vegetales. Al actuar en una estructura celular exterior al núcleo, el cloroplasto, que inviabiliza la transmisión del gen introducido – y, consecuentemente, del rasgo artificialmente creado – para otras formas de vida, el método abre el camino para la producción de plantas transgénicas ecológicamente seguras.
“Más del 95% de las especies vegetales no tiene cloroplastos en sus granos de polen (que contienen las células sexuales masculinas)”, dice Helaine Carrer, de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) de la Universidad de São Paulo (USP), una de las pioneras en el empleo de la técnica. “Por lo tanto, la modificación genética no será transferida a otras plantas”. Dos excepciones: la alfata y el geranio (los granos de polen contienen cloroplastos).
En un artículo conjunto con investigadores alemanes de la Universidad de Freiburg, publicado en Nature Biotechnology de septiembre, Helaine presentó la primera planta fértil con fruto comestible generada por ese método: un tomate (Lycopersicon esculentum, variedad Santa Clara), cuyo cloroplasto recibió el gen aadA, que hace que la planta se vuelva resistente a algunos tipos de antibióticos, como espectomicina y estreptomicina. El trabajo muestra, en la práctica, que es posible promover alteraciones en el genoma del cloroplasto en plantas utilizadas como alimento por los seres humanos, un dato nuevo en ese campo de estudios.
Fábricas vegetales
“Con el desarrollo de esta técnica, podremos usar, de manera controlada, dentro de unos cinco o diez años, cultivos agrícolas como fábricas de proteínas, vitaminas o vacunas”, prevé la investigadora de la Esalq. Helaine se dedica ahora a estudiar el cloroplasto de la caña de azúcar, que será objeto de los primeros experimentos con la nueva técnica el próximo año. El secuenciamiento del genoma de esa estructura celular de la planta, conducido por el equipo de la Esalq en el marco del proyecto Genoma Caña de la FAPESP, está prácticamente concluido – y será el octavo genoma de cloroplasto mapeado en el mundo. Inicialmente, el grupo repetirá la experiencia del tomate con la caña, y en el futuro, usará las hojas de la planta para producir un tipo de plástico biodegradable.
El cloroplasto, una organela encargada de efectuar la fotosíntesis, es uno de los tres compartimientos de las células de especies vegetales que tienen fragmentos de ADN – los otros son el núcleo y la mitocondria, esta última, estructura responsable por la producción de energía. La biotecnología nació en la década del 80, producto de procedimientos que trabajaban con el material genético contenido en el núcleo de las plantas, que corresponde a más del 90% del genoma de esas especies. Desde entonces, las empresas están anunciando nuevas variedades de productos agrícolas genéticamente modificados en su genoma nuclear – tomate, maíz, arroz y algodón, por ejemplo. Este abordaje ya es dominante. En tanto, las investigaciones con el genoma mitocondrial están comenzando, y las que trabajan con el material genético del cloroplasto empiezan a tomar cuerpo.
Exigencias
Hasta la divulgación del trabajo de Helaine, la única especie vegetal manipulada vía cloroplasto con éxito total era una planta no comestible, el tabaco (Nicotiana tabacum). Se entiende como éxito total la obtención de una planta transgénica con tres características: que sea apta para reproducirse en la naturaleza, fuera de los medios de cultivo de laboratorio; que sea capaz de presentar, de manera clara e inequívoca, el rasgo derivado de la introducción de un gen originariamente externo a su genoma; y que no tenga posibilidades de transmitir el gen que le fue introducido a otras plantas a través del polen.
A excepción del tabaco, y ahora del tomate, ninguna de las especies vegetales alteradas mediante esta técnica presentó resultados satisfactorios. Las versiones transgénicas del arroz, la papa y la Arabidopsis thaliana, planta modelo para la biología molecular, todas producidas a partir de ese abordaje, se mostraron estériles.
Además de permitir un mejor control sobre la dispersión de genes en la naturaleza, la técnica de trabajo con el cloroplasto, según la investigadora, ofrece una ventaja adicional con relación al método tradicional que inserta genes en el núcleo: la planta alterada expresa de manera más intensa la característica adquirida tras la introducción de un fragmento de ADN en esa organela. En el tomate, por ejemplo, los investigadores constataron que más del 5% de la cantidad total de proteína soluble encontrada en las células resultaba de la alteración genética. En el tabaco, como ya fue demostrado, ese porcentaje puede llegar al 40%.
Por medio de la técnica convencional, según la investigadora, ese índice gira en torno al 1%. En algunos casos, los resultados pueden ser casi totalmente inocuos. “A veces, el gen insertado en el genoma nuclear sencillamente no es expresado por la planta y permanece silencioso (inactivo)”, explica Helaine. Es como si ese organismo no hubiera sido objeto de ninguna manipulación genética; inconveniente que, aparentemente, no sucede con las modificaciones ejecutadas en el cloroplasto. El alto nivel de expresión proporcionado por el método alternativo se debe, probablemente, al hecho de que existan alrededor 10 mil copias del genoma del cloroplasto en cada célula, lo que amplificaría los resultados de la alteración genética. En tanto, el genoma del núcleo celular es único, sin réplicas.
Pionerismo
No es una exageración decir que la investigadora paulista constituye uno de los exponentes mundiales de la nueva técnica. Durante su doctorado en Estados Unidos, Helaine integró el grupo de Pal Maliga, del Instituto Waksman de la Universidad Rutgers, que en el comienzo de los años 90, dio los pasos iniciales con la nueva técnica. De modo similar a lo que se hizo con el tomate, el equipo de Maliga logró insertar genes en cloroplastos de tabaco, demostrando la viabilidad del por entonces inédito abordaje. La contribución de la investigadora en este proyecto le rindió una participación en la patente internacional del uso comercial de la técnica. Actualmente, el nombre de la investigadora de la Esalq consta en cuatro patentes relacionadas con el método, la más reciente de ellas vinculada al empleo de la ingeniería genética en el cloroplasto del tomate.
Fue durante su temporada en el Instituto Waksman que Helaine conoció a Ralph Bock, actualmente investigador de la Universidad de Freiburg y coautor del artículo en Nature Biotechnology. En 1997, después de que ambos retornaron a sus países de origen, la brasileña y el alemán iniciaron la asociación que llevó al desarrollo del tomate genéticamente modificado vía cloroplasto. Fueron tres años de trabajo conjunto. La nueva técnica exige mucha paciencia y dedicación por parte de los investigadores para dar resultado. Primero, ellos deben desarrollar un medio de cultivo eficiente para la regeneración de la planta a partir de una sola célula en laboratorio, en un proceso que suele demandar meses. El paso siguiente es analizar las informaciones suministradas por el secuenciamiento del genoma del cloroplasto de la especie vegetal que será modificada. Cuando se pretende actuar en esa organela celular, este tipo de dato es indispensable.
Las etapas
Por ser pequeño (como máximo 180 mil pares de bases en formato circular), el genoma del cloroplasto tiene pocos genes (cerca de 130), todos muy próximos unos de otros. Hay poco espacio vacío en el interior del genoma de la organela en donde un nuevo gen puede ser insertado sin alterar la estructura y el funcionamiento de los demás genes. La salida es encajar al nuevo gen en el ínfimo espacio que separa dos genes originales. La introducción del fragmento externo de ADN en el cloroplasto se realiza mediante un método llamado biolística: microscópicas partículas de oro o tungsteno, revestidas con el gen que será insertado, son bombardeadas contra las hojas de la planta. Después de penetrar en la célula y alcanzar el cloroplasto, el gen se aloja en el local previsto del genoma. Parece simple y fácil, pero de cada 100 tentativas, como máximo cinco funcionan.
La etapa final consiste en confirmar si el gen efectivamente ha sido incorporado por el genoma del cloroplasto. Cuando esto sucede, la especie alterada pasa a presentar la característica derivada de la inserción del fragmento de ADN. En el caso del tomate elaborado por la Esalq y la Universidad de Freiburg, las hojas bombardeadas fueron cortadas en pedazos, y estos fueron colocados en un medio de selección, una solución con antibióticos. Los fragmentos de la planta que sobrevivieron en ese medio, obviamente, incorporaron el gen que les confería esa resistencia. Los que murieron, consecuentemente, no recibieron la modificación. “Los fragmentos de hojas resistentes a los antibióticos fueron regenerados y cultivados en laboratorio hasta generar una planta apta para reproducirse”, explica Helaine.
EL PROYECTO
SUCEST – Proyecto de Secuenciamiento de EST de Caña de Azúcar
MODALIDAD
Línea regular de auxilio a la investigación
COORDINADORA
Helaine Carrer – Esalq/USP
INVERSIÓN
R$ 49.954,45 y US$ 207.341,15
