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Los arquitectos de la nueva caña

El conocimiento acumulado por los investigadores del Genoma Caña complementa las técnicas de mejora genética tradicional y muestra cómo se pueden desarrollar variedades más productivas y resistentes a las plagas

La caña de azúcar ideal puede llegar a existir. Esa caña, más productiva, resistente a plagas y enfermedades, tolerante a la sequía y a los herbicidas, y eficiente en la absorción de nutrientes a punto tal de sobrevivir más fácilmente en suelos ácidos o poco fértiles, podrá tomar cuerpo a partir de los descubrimientos del Genoma Caña, que está arribando a su conclusión, un año y medio después de haber sido anunciado públicamente. Los 240 investigadores que están trabajando en este proyecto –el primer secuenciamiento de un vegetal realizado en Brasil– identificaron cerca de 80 mil genes que brindan un mapa completo acerca de cómo vive la planta, cómo se reproduce y cómo muere– y, debidamente manipulados, pueden hacer posibles esas características tan anheladas por los productores y los fabricantes de azúcar y alcohol.

La caña rediseñada ya tiene fecha de nacimiento. “En dos años estarían listas, por lo menos en laboratorio, las primeras variedades de caña resistentes a dos plagas, la bacteria Leifsonia xyli y el hongo del carbón”, anuncia Paulo Arruda, coordinador de ADN, que está al frente de una red de 60 laboratorios, 22 de ellos atentos al secuenciamiento y otros 48 dedicados al procesamiento o prospección de datos, el llamado data mining. “Podemos volar aún más alto”, dice Éder Giglioti, investigador de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar). Aún no es la prioridad, pero según Giglioti, ya se puede pensar en utilizar la caña de azúcar como biorreactor, capaz de producir no solo azúcar y alcohol, sino también compuestos químicos de interés para la industria farmacéutica, como ya está comenzando a hacerse en otros países.

En breve, el Genoma Caña o Sucest, del inglés Sugarcane EST, se desdoblará en dos vertientes. Por un lado, se fortalecerá la investigación aplicada, en busca de nuevas variedades de caña. Por otro, prosiguen los estudios básicos, tendientes a una comprensión más profunda de los mecanismos biológicos de la caña. Arruda imagina que esas dos líneas van cruzarse y se beneficiarán continuamente. “Vamos a unir la frontera del conocimiento científico a la búsqueda de resultados”, dice. La novedad es la participación de los productores de azúcar y alcohol, con quienes Arruda ha conversado intensamente en los últimos meses. Sus objetivos: identificar los problemas específicos que deben ser trabajados con las informaciones recogidas por el Genoma Caña y encontrar nuevos socios que puedan financiar una parte de las investigaciones en esta nueva fase. “Queremos que este trabajo ayude a resolver problemas concretos”, dice.

Con ese enfoque, deben ser aún más valorizadas las investigaciones de tres laboratorios de mejora genética que ya participaban en el Genoma y mantienen contactos frecuentes con los plantadores de caña. Son ellos el Centro de Tecnología de la Cooperativa de Productores de Caña, Azúcar y Alcohol del Estado de São Paulo (Copersucar), que en esta etapa inicial contribuyó con alrededor de 400 mil dólares en el proyecto, el Instituto Agronómico de Campinas (IAC) y el Centro de Ciencias Agrarias de la UFSCar, en Araras, construido a partir de las instalaciones del Plan Nacional de Mejora de la Caña de azúcar (Planalsucar), desmantelado en el inicio de los años 90.

Hechas las cuentas, el Genoma Caña estaría concluido casi un año antes del plazo previsto y habría insumido la mitad de los 8 millones de dólares aprobados por la FAPESP. La economía obedece en parte a la existencia de la infraestructura ya instalada y a la experiencia del equipo: de los 32 laboratorios iniciales, 15 del grupo de secuenciamiento y ocho del data mining habían participado del Genoma Xylella, proyecto pionero de secuenciamiento de la bacteria Xylella fastidiosa, concluido al comienzos de este año, que puso a la comunidad científica nacional en la línea de avanzada de la genómica mundial.

Réplicas de los clones de la caña, de la Xylella y, futuramente, de otras dos bacterias, la Xanthomonas citri y la Leifsonia, cuyos mapeamientos se encuentran en curso, van a permanecer en el Laboratorio de Almacenamiento y Distribución de Clones, que comenzará a funcionar el próximo mes en el campus de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) en Jaboticabal, y que convierte a Brasil en proveedor de material genético para el mundo (lea el recuadro).

Los investigadores superaron la meta inicial de 50 mil genes activos o expresados, directamente asociados al metabolismo de la planta. Ya se conoce la función de dos tercios de ese total, a causa de la semejanza que tienen con los genes de otros organismos, descritos en bancos de datos internacionales. La otra parte es aún más importante: un tercio de los genes encontrados es inédito, sin equivalente en otros organismos. Puede residir allí el origen de las características más peculiares de la caña. Es una montaña de informaciones que los investigadores pretenden organizar hasta diciembre, en la forma de un índice, una lista de los genes de la caña agrupados por función. Existen 40 categorías estructuradas y 15 mil genes ya clasificados, entre ellos los de entre ocho y diez asociados a la producción de sacarosa, cuya acción puede en principio verse facilitada en la búsqueda de uña caña más dulce.

Comparaciones
El trabajo de análisis de los datos o data mining implica pasar horas frente a la computadora en procura de semejanzas genéticas entre la caña y otras plantas o incluso otras especies, incluyendo a los microorganismos, los animales y el hombre. Una trabajo febril: existen cerca de 500 proyectos de secuenciamiento en marcha en el mundo, desde el de la manzana hasta el del gato doméstico. Fue de esta manera como Eiko Eurya Kuramae encontró 240 genes relacionados a la producción de sustancias de defensa contra patógenos (hongos, virus, bacterias) e insectos en la Facultad de Ciencias Agronómicas de la Unesp, en Botucatú.

Con ellos, Eiko llegó a un modelo sobre cómo la planta actúa ante un ataque externo, un conocimiento estratégico cuando se piensa en desarrollar plantas más resistentes a las plagas. Es una lucha difícil, de punta a punta. Cuando es atacada, la planta procura impedir la entrada de los microorganismos. Si no lo logra, produce sustancias tóxicas que inhiben el avance de los invasores (vea la ilustración en la página 32). Según Eiko, las reacciones dependen de los sistemas de interacción con el patógeno, de la edad, del tejido atacado y de las condiciones de nutrición de la planta. “El control genético de resistencia a los patógenos en plantas está determinado por la interacción gen a gen”, dice Eiko. “La respuesta de resistencia es inducida solamente si el patógeno codifica un gen de avirulencia específico, el avr, y la planta carga un gen correspondiente de resistencia, el R”. La enfermedad se da solamente si el gen R de la planta y el avr de los invasores no existen o son inactivos.

A una de esas sustancias, el ácido jasmónico, Vicente Eugênio de Rosa Jr., codirigido por Eiko, dedica su doctorado. Sobre otra, el ácido salicílico, trabaja Marleide de Andrade Lima en su posdoctorado. Estos estudios en este campo tienen aplicaciones prácticas: el sistema de defensa de la planta puede ampliarse mediante el aumento de la expresión de los genes asociados a la producción de esas sustancias de defensa.

Quien también trabajó con las sustancias de defensa, con un enfoque complementario, fue Suzelei de Castro França, en la Universidad de Ribeirão Preto (Unaerp). Estudiando los genes expresados de la caña, ella descubrió que cada tejido de la misma presenta reacciones diferenciadas contra patógenos, predadores o heridas en general, valorizando ora uno, ora otro compuesto químico, de acuerdo a la situación (vea la ilustración en la página 33). En este momento, Suzelei se aboca al estudio de la señalización celular, mecanismo por el cual los diferentes órganos de la caña se comunican entre sí, y poco a poco crea alternativas para la manipulación de la producción de las sustancias ligadas al estrés. Desde el punto de vista agronómico, eso significa plantas más saludables, resistentes a las intemperies y, por lo tanto, cultivos más rentables.

Funciones esenciales
Puede tenerse la falsa impresión de que el interior de la célula no exhibe más secretos, tal la familiaridad con la que los investigadores se refieren a las intimidades de la caña y le agregan novedades al conocimiento ya establecido. Un ejemplo es la mitocondria, un compartimento de la célula que tiene una tarea ya comprobada: la producción de energía. Pero Francisco Gorgônio da Nóbrega, de la Universidad del Vale do Paraíba (Univap), en São José dos Campos, verificó que la mitocondria cumple otras funciones esenciales. Una de ellas es la producción del llamado centro hierro-azufre, asociaciones de átomos de hierro y azufre que tienen la función de transportar de electrones dentro de la célula. Forman también, como él también comprobó, una especie de caja que les brinda estabilidad a las proteínas elaboradas por la célula.

La reproducción celular también se ha tornado razonablemente clara. Fue estudiada por Paulo Ferreira y Adriana Hemerly, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), uno de los primeros grupos de data mining de fuera de São Paulo en integrar el proyecto, en abril del año pasado. Descubrieron hasta ahora 15 genes exclusivos de la caña, asociados a por lo menos cuatro formas diferentes de proteínas llamadas quinasas, cuya función ahora se conoce bien: son ellas, según Ferreira, las que activan o desactivan cada etapa del ciclo celular, desde la duplicación del ADN hasta la separación de dos células. “Las quinasas son proteínas de habilitación, que disparan el proceso de división celular y permiten la acción de las proteínas del complejo de reconocimiento de origen, que se conectan al ADN”, dice. Están también las proteínas llamadas complejo promotor de la anafase o APC, accionadas por las quinasas, que después son destruidas por la célula, de manera tal de permitir que los cromosomas se separen.

No todo ha sido comprendido, evidentemente. Carlos Martins Menck, en el Instituto de Ciencias Biomédicas (ICB) de la Universidad de São Paulo (USP), investiga cómo reparar la molécula de ADN en los organismos, por medio de otras moléculas. Las proteínas de reparación reconocen la lesión, reúnen las enzimas que eliminan el tramo lesionado y le abren el camino a otras enzimas que van a poner en el ADN el tramo que debía estar correcto desde el inicio. Si el ADN permanece dañado, se producen enfermedades graves, como el síndrome de Cockayne, con problemas de desarrollo y retraso mental.

Menck comparó los genes de reparación de los seres humanos, de la levadura (organismo unicelular) y de dos vegetales: la caña y la Arabidopsis thaliana, una planta de la familia de la mostaza de apenas cinco pares de cromosomas, usada como modelo en los estudios de biología molecular. Encontró 85 genes en común, una semejanza del 73%. Análisis más refinados indicaron la proximidad entre los grupos. “Nuestro sistema de reparación se parece más al de una planta que al de una levadura”, dice. De ese total, un tercio de los genes encontrados en la caña aún no había sido descrito en las plantas.

Las combinaciones son intrigantes, e indican que, más que meras semejanzas, parece haber una unidad entre los seres vivos. Según Menck, existen genes de reparación en una bacteria que aparentemente no existe en los seres humanos, pero que están presentes en las plantas. Por otra parte, genes importantes de reparación del ADN, como el conocido por la sigla XPA, presentes en los seres humanos y en las levaduras, aún no han sido encontrados en la Arabidopsis o en la caña. Menck tiene una hipótesis: “Es posible que las plantas tengan mecanismos diferentes o redundantes de reparación del ADN”. Pero aún no existe una manera de entender qué es lo puede estar haciendo en la caña el gene BRCA1, cuya deficiencia causa el cáncer de mama en los seres humanos.

Causa de mutaciones
Tampoco se entiende bien aún el comportamiento de los transposones, los genes saltadores, que saltan de un cromosoma a otro, descubiertos en la década del 40 por la geneticista norteamericana Barbara McClintock (1902-1992, Nobel de Medicina de 1983) y aceptados a duras penas por la comunidad científica. Marie-Anne Van Sluys, en el Instituto de Biociencias da USP, no esperaba encontrar muchos de éstos en la caña, pero fueron nada menos que 13 tipos diferentes de transposones.

Se pensaba que los genes saltadores funcionasen en lugares muy específicos, del mismo tejido. Pero no es así. Como Van Sluys descubrió, más de uno de esos genes inquietos permanecen activos en células del mismo tejido al mismo tiempo. “Nunca antes había sido evaluada la capacidad de que los transposones se expresaran juntos en un mismo tejido”, dice Marie-Anne, que deja escapar dos preguntas. ¿Por qué existen diferentes transposones en un mismo tejido? ¿Tendrían estos otra función aún desconocida? En las bacterias, están asociados a la resistencia a los antibióticos. En las drosófilas, la mosca de las frutas, garantizan la estructura de los telómeros, las puntas de los cromosomas. Debido a que saltan mucho, los transposones provocan mutaciones y la variabilidad genética de las especies, seleccionadas en el transcurso del proceso evolutivo. Por esta razón, Marie-Anne los ve como candidatos a marcadores genéticos de variedades de las caña que serán desarrolladas.

Con el arroz, otra planta del grupo de las gramíneas, la caña tiene por lo menos un gen homólogo (semejante): el XA21, que le confiere resistencia a la bacteria Xanthomonas orizae. A partir de allí, Luís Eduardo Aranha Camargo y la estudiante de maestría Mariana Sena Quirino, de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) de la USP, resolvieron trabajar por aproximación: pretenden que el XA21 sea aún más eficiente contra una bacteria similar, típica de la caña, la Xanthomonas albilineans. Realizaron experimentos valorizando la expresión de ese gen y ahora examinan el ADN de las plantas padres y las plantas hijas.

La investigación mostró cuatro variaciones del mismo gen (alelos), “tal vez con funciones diferentes”, dice Camargo. En este punto, el trabajo adquiere otros contornos. “Podemos usar las informaciones del genoma de la cana para buscar los genes ancestrales, responsables por la caña moderna”. Si todo sale bien, van a saber qué alelos provienen de la Saccharum officinarum o de la Saccharum spontaneum, las dos especies que dieron origen a la caña actual, un organismo considerado complejo.

La caña actualmente utilizada para producir azúcar, alcohol, aguardiente y la prosaica rapadura tiene un número variable de cromosomas: entre 100 y 130. Una de las probables razones para ello es que en cada célula se mantienen por lo menos en parte las cargas genéticas de las especies originales: la S. spontaneum tiene entre 36 y 128 cromosomas, y la S. officinarum, entre 70 y 140. La planta actual es un híbrido o, desde el punto de vista celular, un organismo poliploide: cada cromosoma tiene entre seis y diez copias, no siempre iguales. Esta peculiaridad hizo que el secuenciamiento íntegro del genoma fuera descartado desde el inicio. Sería probablemente caro, desgastante y demorado en demasía.

Azúcares especiales
Como alternativa, el equipo del Genoma trabajó por muestreo, valiéndose de la técnica de Expressed Sequence Tags o etiquetas de secuencias expresadas (ESTs), que acelera los descubrimientos al identificar solamente a los tramos de genes expresados, responsables por la formación de proteínas. Los descubrimientos se acumulaban a un ritmo admirable. En marzo de 1998, época de las conversaciones preliminares sobre el proyecto, las ESTs de plantas sumaban un 4,8% del total depositado en el GenBank, en el cual las ESTs humanos llegaban al 63,4%. En dos años, el número de ESTs de plantas aumentó más de 15 veces y hoy representa un 18,2% del total (vea el gráfico).

En la caña imaginada a partir de los genes descubiertos, el tenor de azúcar no es un problema preocupante: desde los años 70, la productividad del azúcar ha crecido un 1% al año, por medio de la mejora genética tradicional, con cruzamiento y selección de nuevas variedades. La caña brasileña produce entre 120 y 130 kilogramos de azúcar por tonelada, equiparable a los estándares internacionales, empero un poco abajo de la de los australianos (140 a 150 kilogramos por tonelada).

La constatación de que existen 162 genes ligados al metabolismo de los azúcares en general (el 44% de los genes ya descritos en plantas y animales con la misma función) estimula vuelos más altos, como la perspectiva de producir azúcares especiales. Es el caso de la trealosa, que además de tener valores comerciales más elevados, tiene importancia biológica: en otros organismos, confiere resistencia al frío y a la sequía, una característica poco explotada en la caña. Eugênio Ulian, investigador de la Copersucar que encontró dos genes que llevan a la síntesis de trealosa, no está mirando solamente hacia adelante. En julio de este año, recuerda, hubo una fuerte helada en São Paulo que afectó las plantaciones de maíz, café y, en menor escala, las de caña. Ulian cree que las pérdidas podrían ser menores si ya estuvieran más claros los mecanismos de activación de la producción de trealosa.

Alcance nacional
Estas perspectivas se configuran a partir del trabajo integrado de los laboratorios situados en las tres universidades públicas estaduales (USP, Unicamp y Unesp), tres particulares (en Ribeirão Preto, Mogi das Cruzes y São José dos Campos), en el IAC y en el Centro de Tecnología de la Copersucar. Forman parte de la red ONSA (Organización de Análisis y Secuenciamiento de Nucleótidos), apoyada por dos pilares, el Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética (CBMEG) y el Laboratorio de Bioinformática, ambos en la Unicamp, el primero preparando el material que será secuenciado por los laboratorios (realizó cerca de 1 millón de clones del genoma de la caña) y el segundo organizando las informaciones en el banco de datos, analizado por los grupos de data mining.

Desde la etapa de planeamiento, las investigaciones contaron con el respaldo internacional del steering committe, el comité externo evaluador, integrado por Jean Christophe Glaszmann, del Centro Internacional de Cooperación en Investigación Agronómica para el Desarrollo (Cirad), de Francia, y Andrew Paterson, de la Universidad de Georgia, Estados Unidos. Aunque el proyecto es paulista, los resultados son compartidos con otros Estados cada vez en mayor medida.

Al final del año pasado se integraron otros dos grupos: uno de la Universidad Federal Rural de Pernambuco (UFRPE) y otro de la Federal de Alagoas (UFAL), con el apoyo de las respectivas fundaciones estaduales de apoyo a la investigación. En julio, otro avance: se adhirieron otros 36 grupos de data mining, con grupos de institutos de investigación de Minas Gerais, Paraná, Bahía, Río Grande do Norte y Río de Janeiro. Tanta es la cantidad de informaciones generada, que Paulo Arruda, coordinador del proyecto, se entusiasma con la posibilidad de dar lugar a nuevos equipos, a partir del año que viene.

“Necesitamos creatividad e imaginación para aprovechar estas informaciones de la mejor manera posible”, recuerda Menck, de la USP. El esfuerzo debe justificarse. Al transponer los límites de la mejora genética clásica, lo que ya se sabe sobre el genoma puede reducir el tiempo de desarrollo de nuevas variedades de caña, usualmente un proceso demorado, que lleva entre 12 y 15 años. “Si se reduce en un año el trabajo, eso ya es óptimo”, dice William Burnquist, gerente del Centro de Tecnología de la Copersucar. La modestia es solo aparente: cada año de trabajo implica inversiones del orden de los 8 millones de dólares. Cuando esta meta se torne viable, por medio de marcadores genéticos que ayuden a seleccionar las variedades de la caña con las características deseadas ya en el inicio de esta maratón, la economía obtenida será del doble de lo que se gastó en la investigación hasta ahora.

Clones de Brasil para el mundo

Listo para ser inaugurado, el Laboratorio de Almacenamiento y Distribución de Clones o Brazilian Clone Collection Center (BCCC), en Jaboticabal, va a mantener los clones generados en los proyectos genoma bajo siete llaves, en una sala climatizada a 20 grados Celsius, con pared doble rellena de poliestireno expandido, dentro de ocho freezers mantenidos a 86 grados Celsius negativos, bajo vigilancia permanente. Cuando lleguen pedidos de clones, un sistema robotizado dotado de una cámara de video va a colectar las bacterias en la placa de petri y organizar las muestras en microplacas, con 96 o 384 orificios, o en membranas de alta densidad, que serán utilizadas en los experimentos de manipulación genética.

Es el primer laboratorio de este género en América Latina. Montado a un costo de 240 mil dólares, funcionará bajo moldes similares a los de los bancos de la American Type Collection Clones (ATCC) o del Image Consortium, de Estados Unidos. Podrá atender a instituciones públicas de investigación a precio de costo, actualmente entre 30 y 50 dólares, con el compromiso escrito de que el material solo será usado con finalidades académicas, sin fines comerciales. “Dentro de tres años, el laboratorio deberá de ser autosuficiente”, afirma Jesus Aparecido Ferro, uno de los coordinadores del Genoma Cana que se encargará del nuevo laboratorio.

Según Ferro, empresas e instituciones particulares de investigación recibirán un tratamiento diferenciado. “Un comité supervisor analizará si el clon podrá ser vendido o no”, dice. “En un caso extremo, el pedido podrá ser rechazado”. Como medida de seguridad, agrega, van a rastrear solamente el nombre del gen y la indicación de homología (semejanza) del gen solicitado con los de otros organismos. “La secuencia de bases, fundamental para los estudios de manipulación genética, permanecerá siendo confidencial”, afirma Jesus Ferro.

Una antigua fuente de riquezas

Transportada por los portugueses de la Ilha da Madeira, la caña de azúcar llegó a tierras brasileñas en 1502. Y nunca más dejó de ser una fuente de riqueza para el país. Este cultivo ocupa 5 millones de hectáreas y, en cada zafra, Brasil produce 300 millones de toneladas de caña, el equivalente al 25% de la producción mundial, convertidos en 14,5 millones de toneladas de azúcar y 15.300 millones de litros de alcohol. Moviliza también a 350 industrias, cerca de 50 mil productores y un contingente de 1,4 millones de trabajadores directos y otros 3,6 millones indirectos, según la Copersucar. São Paulo es el mayor productor nacional: en dicho estado brasileño, los negocios del sector mueven cerca de 8 mil millones y dan empleo directamente a 600 mil trabajadores.

El Genoma Caña fue concebido con un acentuado recorte económico, con la finalidad de ampliar la productividad de la industria de azúcar y de alcohol. Y afronta también desafíos inminentes. Uno de ellos es el combate a la bacteria Leifsonia xyli subsp. xyli, causante de una de las más graves enfermedades de la caña en todo el mundo, el raquitismo de la soca, que provocó pérdidas estimadas en 2 mil millones de dólares en Brasil durante los últimos 30 años.

Y a veces surgen nuevos problemas. Éder Giglioti, de la UFSCar, caracterizó una nueva enfermedad de la caña de azúcar, la falsa estrías rojas, observada hasta el momento solamente en Brasil. Según Giglioti, existen evidencias de que se trata de una nueva especie de Xanthomonas, la quinta del género aislada en la caña.

El proyecto
Genoma Caña (97/13475-2); Modalidad: Proyecto de investigación en el marco del Programa Especial Genoma FAPESP; Coordinador: Paulo Arruda – Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética de la Unicamp; Inversión: US$ 4.484.090,61

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