VANDERLEI RODRIGUES / USPPareja: durante la reproducción, la hembra del Schistosoma (verde) se instala dentro del macho.VANDERLEI RODRIGUES / USP
Investigadores de la red ONSA (Organización para el Secuenciamiento y el Análisis de Nucleótidos) identificaron 200 nuevos genes asociados a los estadios de vida del gusano Schistosoma mansoni, causante de la esquistosomiasis, una enfermedad típica de los países pobres, que afecta a 200 millones de personas en el mundo y tan solamente en Brasil es padecida por alrededor de 10 millones de habitantes. Con las conclusiones que se desprenden del análisis del genoma del parásito, estudiado también por grupos de investigación de Minas Gerais, se abren nuevas perspectivas de combate contra la enfermedad, hoy en día tratada con medicamentos que reducen la cantidad de parásitos en la sangre, pero no evitan la reinfección – y existen evidencias de que los parásitos se vuelven resistentes a las drogas en uso.
Los hallazgos sobre el Schistosoma llegan en un momento particularmente fértil del Programa Genoma-FAPESP, inaugurado en 1997 con el mapeamiento de la bacteria Xylella fastidiosa, una de las plagas de los naranjales. El mes pasado se concluyó el genoma de otra bacteria: la Leifsonia xyli subspxyli, que ataca a la caña de azúcar (Saccharum officinarum) y reduce en hasta un 27% la biomasa aprovechable para la producción de azúcar y alcohol. La Leifsonia es el primer proyecto enteramente nacional en el ámbito de un programa ‘cría’ del Genoma-FAPESP: el Genomas Agronómicos y Ambientales (AEG), creado en 2000 con base en el secuenciamiento de una variedad de Xylella que ataca a las vides, juntamente con el Departamento de Agricultura de Estados Unidos.
Están llegando también resultados importantes del secuenciamiento del cloroplasto – una estructura celular – de la caña de azúcar, que exhibe una impresionante semejanza con el del maíz (Zea mays), y está prácticamente concluido el de un alga marina, la Gracilaria tenuistipitata, productora de Agar-agar, un gel con importantes aplicaciones industriales. El cloroplasto posee su propio genoma, cuya manipulación permitiría crear plantas transgénicas más seguras.
A medida en que las informaciones se acumulan, es posible conocer, a un ritmo cada vez más acelerado, la función de cada gen de los organismos estudiados y los puntos más vulnerables de los causantes de enfermedades, ya sea en seres humanos o en plantas, a partir de los cuales se establecen vías de combate. Éste el principal objetivo del trabajo con el Schistosoma, un verme de entre 6 y 10 milímetros de longitud y 0,5 milímetro de diámetro que llega a los seres humanos a través de los caracoles Biomphalaria glabrata. Los equipos de São Paulo y de Minas Gerais que trabajan para detener su avance refuerzan los proyectos internacionales de identificación y análisis de los genomas de agentes de enfermedades típicas de países subdesarrollados, como los protozoos Plasmodium falciparum, causador de la malaria, el Trypanosoma cruzi, responsable por la enfermedad de Chagas, y la Leishmania, de la leishmaniosis.
En poco más de un año, un grupo de la red ONSA, coordinado por Sergio Verjovski-Almeida, del Instituto de Química de la USP – en colaboración con otros laboratorios de la propia USP, de la Universidad de Campinas (Unicamp), y de los institutos Butantan y Adolfo Lutz – produjo 130 mil secuencias de las regiones expresadas (actuantes) de los genes – las llamadas ESTs o etiquetas de secuencias expresadas, que son los fragmentos de ADN (ácido desoxirribonucleico) con las informaciones necesarias para la producción de proteínas. Esas secuencias de genes reflejan los diversos estadios de vida del Schistosoma – adulto, huevo, miracidio, germball (la fase en la que vive dentro del caracol), cercaria y esquistosómulo. Pero representan apenas una parte del bagaje genético: mientras el genoma de la mayoría de los parásitos tiene entre 10 y 30 millones de pares de bases (unidades químicas de ADN), se estima que el de este gusano tiene 300 millones de pares – y un número aún indeterminado de genes.
Los investigadores paulistas identificaron secuencias completas de 200 nuevos genes, a los cuales se les atribuye alguna función, pues presentan semejanzas con los de otros organismos, y otros 1.500 están casi completos. Hallaron también cerca de 20 mil fragmentos totalmente nuevos, sin semejanza con los de otros organismos. Entre los genes de interés se encuentran aquéllos ligados a la producción de proteínas de la superficie del verme. El equipo de la USP obtuvo la secuencia completa de una de éstas, que parece estar relacionada con el escape del gusano ante las defensas del organismo humano – y puede, por lo tanto, ser un camino hacia la producción de una vacuna. Contra esta enfermedad, cuyo impacto social solamente se queda atrás de la malaria, se utiliza un medicamento a base de un fármaco llamado praziquantel. Aplicado a gran escala en Senegal, ha generado cepas (variedades) de parásitos resistentes, caracterizados en octubre de 2001 en los Annals of Tropical Medicine and Parasitology.
“La Organización Mundial de la Salud recomienda que se busque una vacuna, aunque esto demore algunos años”, dice Verjovski, “porque el remedio funciona solamente después de que la persona está infectada, pero no quiebra el ciclo de la enfermedad”. En días soleados, el gusano abandona el caracol y gana el agua de lagos con aguas estancadas o de poca corriente. Entra por la piel en los seres humanos, gana el torrente sanguíneo y se instala en el hígado. Una vez allí, se transforma en adulto y se reproduce. Los huevos ocasionan la destrucción del hígado, lo que impide la circulación de la sangre y hace que el vientre se hinche – allí es cuando se caracteriza la ‘panza de agua’ (barriga d´água en portugués), el nombre popular de la enfermedad. Los huevos llegan a los intestinos y, una vez eliminados por las heces, caen al agua en la cual circulan los caracoles – y así el ciclo recomienza.
En Minas Gerais, un grupo coordinado por Guilherme Oliveira, del Centro de Investigación René Rachou, de la Fundación Oswaldo Cruz (Fiocruz), concluyó en 2001 el secuenciamiento de 16.000 ESTs. Ahora se encuentra en fase de estructuración otro proyecto, llevado adelante por la Fiocruz y por universidades de Minas Gerais, con financiamiento de la Fundación de Apoyo a la Investigación del Estado de Minas Gerais (Fapemig) y del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq). Los investigadores pretenden llegar a otras 50 mil secuencias. Avanzan también los análisis comparativos de la carga genética de los organismos. De esas comparaciones surgen los indicios de procesos evolutivos ocurridos en el transcurso de millones de años, que definen tanto las semejanzas como las diferencias entre los linajes de los seres vivos. Los grupos paulistas descubrieron que, curiosamente, el Schistosoma es genéticamente más similar a la mosca de las frutas (Drosophila melanogaster) que a otro verme cuyo genoma ya ha sido secuenciado, el Caenorhabditis elegans.
Pero más informaciones sorprendentes están saliendo a la luz con las comparaciones establecidas con base en la Leifsonia xyli subsp.xyli, que ocasiona pérdidas anuales del orden de los 50 millones de reales en tan solo una de las variedades de caña susceptibles. “LaLeifsonia es muy parecida a los Streptomyces y Mycobacterium, dos géneros que albergan especies patogénicas de animales”, comenta Luís Eduardo Aranha Camargo, investigador de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) y uno de los coordinadores del secuenciamiento, cofinanciado por la Cooperativa de Productores de Caña, Azúcar y Alcohol del Estado de São Paulo (Copersucar).
La gran semejanza entre el genoma de la Leifsonia – con 2.584.462 pares de bases y cerca de 2.600 genes, un tamaño similar al de la Xylella – con laStreptomyces, puede tener un valor comercial inmediato: la Streptomyces es considerada una biofábrica de antibióticos, muchos de los cuales también se encuentran en la Leifsonia. De ahí el interés en patentar genes muy similares a los que producen dos antibióticos: la estreptomicina y la nisina. Se espera también llegar a nuevos paradigmas de interacción planta-patógeno a partir del análisis del genoma de la Leifsonia. “Quizás esa bacteria inicie el proceso de infestación en la caña de azúcar utilizando un sistema secretor (mediante el cual la bacteria patogénica exporta sus toxinas hacia fuera de la célula) similar al de la Mycobacterium, que causa la tuberculosis y la lepra”, conjetura Camargo.
Los análisis comparativos revelan sutiles diferencias genéticas entre bacterias de la misma especie, pero con víctimas diferentes. Ése es el caso de las dos variedades de Xylella fastidiosa , la que ataca a los naranjos, sucuenciada en un trabajo pionero concluido en 2000, y la de las vides – o Xylella PD, así llamada por causar la enfermedad de Pierce, que ataca en la región de los vinos finos de California, Estados Unidos, y ocasiona pérdidas estimadas en 40 millones de dólares anuales. Concluido a mediados del año pasado, el secuenciamiento de la Xylella PD establece interesantes paralelos con la cepa de la bacteria que infecta a los naranjales del interior paulista, y generando la Clorosis Variegada de los Cítricos (CVC), una plaga también llamada amarelinho – responsable por la erradicación de 10 millones de naranjos en 2001 y por pérdidas estimadas en 650 millones de reales por el Fondo Paulista de Defensa de la Citricultura (Fundecitrus), co-financiador del secuenciamiento.
Los investigadores identificaron una secuencia de 70 mil pares de bases encontrados únicamente en la Xylella de los cítricos. Parte de esa secuencia también se encuentra en la Xanthomonas citri, causante del cancro o chancro cítrico, pero no fue detectada ni en la Xylella de la uva, ni en la Xanthomonas campestris, que ataca a los repollos. La cepa de Xylella que ataca a la uva es, por cierto, menor que la causante de la plaga del amarelinho: con cerca de 2,5 millones de pares de bases, tiene 200 mil pares de bases menos. “Esa distinción puede ser el resultado de la historia evolutiva de la bacteria, producto de la interacción de la misma en la planta y de ésta con el medio ambiente”, deduce Marie-Anne Van Sluys, del Instituto de Biociencias de la USP y una de las coordinadoras del secuenciamiento de la Xylella de la uva.
En el área agrícola se están abriendo perspectivas de actuación con los proyectos de secuenciamiento del cloroplasto. Esa estructura, localizada en el citoplasma de las células vegetales, contiene un minigenoma: también posee información genética, como los cromosomas del núcleo celular. Puede ser posible crear plantas transgénicas alterando apenas el cloroplasto, y de una manera más segura para el medio ambiente, pues más del 95% de las especies vegetales no tienen cloroplastos en los granos de polen, en los cuales se encuentran las células sexuales masculinas. Las modificaciones efectuadas en ese minigenoma, no serían por lo tanto transmitidas a otras plantas vía polen.
Helaine Carrer, de la Esalq, coordina uno de los trabajos pioneros en el uso de ese método en Brasil: el proyecto del genoma del cloroplasto de la caña de azúcar, con 141.182 pares de bases, en el ámbito del proyecto Genoma Caña. Helaine ya puede decir que el genoma del cloroplasto de la caña guarda mayor semejanza con el genoma del cloroplasto del maíz que con el de otras gramíneas, como el arroz (Oryza sativa) y el trigo (Triticum vulgare). “El contenido génico observado en el cloroplasto de la caña es idéntico al del maíz, incluso en el arreglo posicional de los genes”, dice Carrer. Regiones intergénicas exclusivas del maíz mostraron estar presentes en caña con una semejanza mayor que el 98%. “Es la mayor semejanza entre cloroplastos descrita hasta el momento”, enfatiza.
El secreto de esta increíble semejanza puede estar en el mecanismo de fotosíntesis desarrollado a lo largo del proceso evolutivo de la planta. Tanto la caña como el maíz son plantas de fotosíntesis C4 (esto quiere decir que el primer producto formado en el proceso de fotosíntesis tiene cuatro carbonos), mientras que el arroz y el trigo son plantas C3. “Mientras que los genomas nucleares de la caña y del maíz exhiben muchas diferencias, como resultado de los procesos evolutivos de cada especie, los genomas cloroplastidiales se mostraron prácticamente idénticos”, afirma Helaine. Y este descubrimiento tiene una aplicación: cualquier diferencia en el cloroplasto puede servir de marcador en las investigaciones de mejora genética.
Mariana Cabral de Oliveira, del Instituto de Biociencias de la USP, realiza un trabajo similar con la Gracilaria tenuistipitata, un alga marina de origen asiático que produce Agar-agar, un gel utilizado en la industria alimenticia, farmacéutica y cosmética. La importancia económica de este organismo fue uno de los motivos que lo convirtieron en objeto de estudio, amén del hecho de que dicha especie es de fácil cultivo en laboratorio y frecuentemente se la emplea para estudios en fisiología de organismos fotosintetizantes. “Es casi un organismo modelo”, dice Mariana. Iniciado en octubre de 2000, el secuenciamiento del cloroplasto del alga, con 183.883 pares de bases, reveló un grupo de genes relacionados con la fotosíntesis, cuya manipulación ampliaría su productividad.
Mariana se aboca también al secuenciamiento de ESTs de la Gracilaria, en colaboración con investigadores de la USP y de Suecia. Ya se han secuenciado 3.000 ESTs -una pequeña parte del genoma del organismo, que posee entre 24 y 32 cromosomas, de acuerdo con la especie. No se sabe a qué tamaño puede llegar el genoma nuclear de esa alga, pero ya se conocen especies de algas con genomas mayores que el humano, que tiene 3 mil millones de pares de bases. Y el estudio de los genes augura otras sorpresas.
La caña bien comprendida
El genoma de las variedades de caña de azúcar más cultivadas en Brasil nunca fue analizado con tantos abordajes como lo fue en los 37 artículos científicos que integran la más reciente edición de la revista brasileña Genetics and Molecular Biology, de la Sociedad Brasileña de Genética, dedicada a los resultados del proyecto Genoma Caña o Sucest, financiado por la FAPESP y la Copersucar.
Los artículos – producidos por alrededor de 200 investigadores de 39 equipos de la red ONSA – discuten variados aspectos del proyecto y de los más de 43 milclusters, las regiones del genoma de la caña que pueden tener uno o más genes, identificados por el Sucest. “Esos trabajos contienen informaciones importantes no solamente para la comprensión de la biología de la caña, sino también para la de otras gramíneas cultivadas de alto valor comercial, como el maíz, el arroz y el sorgo”, dice Paulo Arruda, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), coordinador del proyecto.
Algunos trabajos abren perspectivas rumbo a una posible manipulación genética, con el objetivo de mejorar el rendimiento del cultivo de la caña, aumentar su resistencia a las enfermedades o reducir los costos de producción. El equipo de Adriana Hemerly, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ) identificó un grupo de genes que parece estar asociado con la relación simbiótica (benéfica) entre dos bacterias fijadoras de nitrógeno: Gluconacetobacter diazotrophicus y Herbaspirillum rubrisubalbicans, y la caña. Cuando se instalan en el interior de la planta, éstas fijan el nitrógeno, lo que naturalmente reduce la necesidad de uso de abono nitrogenado. “Queremos mejorar esa relación de simbiosis”, dice Adriana.
Y los primeros resultados son animadores. Tras inocular las dos especies de bacterias en la caña, Adriana y sus colegas (de Embrapa Agrobiología, de Río, y también de la Unicamp) midieron la expresión (el nivel de uso) de los genes de la planta en varias situaciones. Observaron que 274 genes de la base de datos del Sucest se expresaban solamente en plantas con la G. diazotrophicus, 198 eran usados solamente cuando la caña albergaba a la H. rubrisubalbicans y 62 se mostraban activos únicamente cuando ese cultivo presentaba simultáneamente ambas bacterias. “Antes del Sucest conocíamos cuatro o cinco genes relacionados con la simbiosis.”
En otra línea de trabajo, un equipo coordinado por Marcelo Menossi, de la Unicamp, identificó 43 genes que pueden estar relacionados con la tolerancia de la planta al aluminio, cuyo exceso reduce la productividad. “Esos genes quizás posibiliten el control de la resistencia al aluminio en la planta”, dice Menossi.
Otro artículo de Genetics de relevancia para la biotecnología aborda la identificación de SNPs, un tipo de mutación en el genoma de la caña, una planta altamente compleja, en cuyo ADN pueden existir hasta 10 copias de un mismo gen. SNPs es la sigla en inglés de single nucleotide polymorphism, o polimorfismo de un solo nucleótido, la unidad química que forma la secuencia genética. El término, por lo tanto, designa mutaciones en tramos de genes que son causadas por el intercambio de tan solo un nucleótido. La mayoría de esas mutaciones tiende a ser inofensiva, pero algunas pueden afectar la apariencia o alterar el comportamiento de la planta. Si fueran conocidos y mapeados detalladamente, los SNPs pueden usarse como marcadores moleculares.
En un trabajo con resultados aún preliminares, investigadores de la Unicamp brindaron una pequeña prueba de que los datos del Sucest son útiles para el montaje de un eventual mapa de SNPs de la caña: analizaron dos genes que codifican a la enzima alcohol deshidrogenasa, ya conocidos en otras especies, en los cuales identificaron 40 SNPs. “Es muy difícil diferenciar los alelos (copias) de un gen de la caña”, dice Laurent Grivet, investigador del Cirad, instituto francés especializado en agricultura tropical, que trabaja actualmente en la Unicamp. “Creo que en la caña no va ser posible relacionar a los SNPs con su fenotipo (la apariencia de la planta), pero debemos utilizar esos polimorfirmos como marcadores moleculares.”
LOS PROYECTOS
Genoma Xylella fastidiosa PD
Modalidad
Subprograma Genomas Agronómicos y Ambientales
Coordinadoras
Marie-Anne Van Sluys y Mariana Cabral de Oliveira – USP
Inversión
US$ 925.181,84
Genoma Leifsonia xyli
Modalidad
Subprograma Genomas Agronómicos y Ambientales
Coordinador
Luís Eduardo Aranha Camargo y Cláudia Barros Monteiro Vitorello – USP
Inversión
US$ 1.150.841,14
Genoma Schistosoma mansoni
Modalidad
Programa Genoma – FAPESP
Coordinador
Sérgio Verjovski-Almeida – USP
Inversión
US$ 1.244.697,50
Genoma Gracilaria tenuistipitata
Modalidad
Línea regular de auxilio a la investigación
Coordinadora
Mariana Cabral de Oliveira – USP
Inversión
R$ 68.000,00 y US$ 34.000,00
Genoma Cloroplasto de la Caña de azúcar
Modalidad
SUCEST – Proyecto de Secuenciamiento de EST de Caña de azúcar
Coordinador
Helaine Carrer – USP
Inversión
R$ 49.954,45 y US$ 207.341,15
