Cuando usa la edición de genes CRISPR en plantas de cultivo, puede hacer “algunas cosas geniales”, dice Timothy Kelliher, PhD, jefe de características de cultivos y descubrimiento de tecnología en Syngenta Seeds.
Puede cambiar la estructura de los cromosomas, agregar grandes cantidades de material genético, mover genes, activar y desactivar genes y ajustar la expresión de genes. Y, sin embargo, admite Kelliher, la ineficiencia en llevar estas cosas geniales a los productos agrícolas comerciales “sigue siendo un problema”.
Entonces, ¿por qué la edición de genes CRISPR enfrenta desafíos comerciales? Hay varias respuestas. Uno de ellos, señala Kelliher, es la dificultad de modificar los rasgos de las plantas que dependen de múltiples genes. Escucharemos más sobre eso en un momento. Pero primero, citemos algunas otras complicaciones: dificultades específicas de la planta para realizar ediciones de ganancia de función, incertidumbres sobre las distinciones regulatorias entre plantas editadas genéticamente y OGMs (transgénicos), y limitaciones de modelado que impiden el diseño iterativo.
Afortunadamente, los desafíos de los cultivos editados por CRISPR están siendo abordados por investigadores con mentalidad comercial. Varios de ellos han contribuido con sus puntos de vista a este artículo. Comencemos con Kelliher.
No es tan simple
Incluso cuando se conocen características importantes de la planta, pueden plantear desafíos de edición de genes de enormes proporciones. A menudo, estos rasgos son complejos; es decir, involucran múltiples genes. “CRISPR es una gran herramienta en una caja de herramientas”, señala Kelliher, “pero es raro encontrar formas fáciles de editar rasgos de plantas con grandes impactos”.
Hay tantas frutas (y verduras) de bajo costo que solo necesitan modificaciones simples para modificar un rasgo. Una de las frutas maduras es la manzana “Arctic” que, según el discurso público, ha sido modificada en un gen que ayuda a reducir el pardeamiento/oxidación. En realidad, es un poco más complicado que eso. La manzana Artic ha sido modificada genéticamente con un transgén que produce ARN específicos que silencian la expresión de al menos cuatro genes de polifenol oxidasa (PPO). (En última instancia, la expresión de PPO, la enzima que causa el oscurecimiento, se reduce a través de la interferencia del ARN).
La resistencia al pardeamiento también se ha introducido en una papa, la Patata Innate. Aquí, al igual que con la manzana resistente al pardeamiento, los cambios que se han introducido son bastante simples, aunque tal vez no tan simples como sugieren los relatos populares. Para Innate, se reintrodujeron fragmentos de un solo gen PPO de papa en otra papa para activar una vía de interferencia de ARN. Además, se introdujo un transgén para utilizar la interferencia de ARN para reducir la expresión del gen de la asparagina sintetasa-1. Limitar la asparagina previene una reacción que ocurre en la cocción a alta temperatura y convierte la asparagina en acrilamida, que se sospecha que está asociada con el cáncer humano.
Modificaciones relativamente simples también han sido suficientes para mejorar la tolerancia a los herbicidas. A menudo, los herbicidas matan las plantas al atacar una enzima específica, pero la edición de genes puede cambiar un aminoácido en esa enzima para bloquear la unión de un químico que mata las plantas, haciendo que un cultivo sea resistente a los efectos perjudiciales del herbicida.
Sin embargo, en la mayoría de los casos, se desconocen los alelos óptimos para todos los genes involucrados en un rasgo complejo. Entonces, aunque existen herramientas para CRISPR, como Cas12, que permiten la multiplexación en una construcción con múltiples guías para diferentes objetivos genómicos, es un desafío biológico saber cómo editar cada gen involucrado en un rasgo y descubrir qué efecto tienen las diferentes ediciones en un rasgo cuando están todos juntos. Es más, dado que existe una gran cantidad de diversidad genética, redundancia de genes y variación estructural entre los cromosomas de las plantas, hay, dice Kelliher, muchos ejemplos en los que un gen o una edición funciona como se desea en una línea de cultivo pero tiene un efecto diferente en otra línea de cultivo.
Menos es más
“La aplicación más simple de CRISPR en las plantas es hacer deleciones”, dice Michael Lassner, PhD, director científico de Amfora, que utiliza la edición de genes para mejorar la nutrición y la sostenibilidad de los cultivos de soya. “Si podemos eliminar motivos de unión reguladores negativos, aumenta el gen”.
Con la estrategia de usar deleciones para regular al alza (sobreexpresar) los genes, Amfora está produciendo tipos de soya que tienen más proteína, lo cual es valioso para el uso principal de la soya: alimento para animales. Por ejemplo, para crear una soja con un 10 % de contenido de proteína potenciado a expensas de la producción de almidón, Amfora está eliminando ciertas regiones del promotor de NF-YC4, un miembro de una clase de reguladores de la transcripción que está altamente conservado en muchas especies de plantas. para aumentar la expresión del gen. (NF-YC4 actúa como un interruptor. Cuando está en “alto”, favorece la producción de proteínas; cuando está en “bajo”, la producción de carbohidratos. En ausencia de piezas específicas de ADN, NF-YC4 permanece en bajo).
Amfora está trabajando para llegar a un punto en el que las eliminaciones en las regiones promotoras se transmitan de generación en generación de manera estable, lo cual es fundamental para desarrollar un nuevo cultivo. Lassner señala que la edición de genes tiene poco o ningún impacto en el aceite (el otro producto económico de la soja) o en el rendimiento, que es lo que les importa a los agricultores en términos del costo de los bienes.
Amfora también está desarrollando un producto de soya que tiene un contenido de proteína “ultra alto”, requiere menos energía para fabricarse y promete mejorar la funcionalidad de la harina de soya. “Una de las grandes fuentes de proteína de soya se llama concentrado de proteína de soya (más del 70% de proteína), explica Lassner. “Se convierte en proteína vegetal o de soya texturizada, que es un ingrediente clave en muchas de las carnes de origen vegetal. Y con los precios desorbitados de las materias primas hoy en día, vemos que hay una gran cantidad de espacio para que construyamos un negocio en el espacio de los ingredientes alimentarios mediante el uso de esta comida ultra rica en proteínas”.
En comparación con las eliminaciones, las inserciones son ediciones mucho más desafiantes. En las células animales, un alelo puede intercambiarse fácilmente con eficiencias del 50 al 70 %, donde la mayoría de las veces el alelo entra correctamente. En las plantas, la eficiencia suele ser inferior al 1%. El problema en las plantas es que la vía de reparación dirigida por homología, la vía que puede incorporar el ADN del donante, está menos disponible. En cambio, la reparación está dominada por la vía de unión de extremos no homólogos, que simplemente vuelve a unir los extremos sueltos del ADN roto.
Superar la ineficiencia de la reparación directa por homología en las plantas es una prioridad porque facilitaría la introducción de ediciones de ganancia de función, que son deseables porque prometen reducir las penalizaciones de rendimiento. Por ejemplo, podrían reducir la penalización del rendimiento asociada con los genes de resistencia a enfermedades en ciertas variedades de arroz. Cuando estos genes se cruzan en una nueva línea, pueden dar como resultado plantas que tienen una resistencia superior a las enfermedades pero rendimientos más bajos. Entonces, ¿qué pasaría si se pudiera ganar resistencia a las enfermedades sin penalizar el rendimiento?
Publicado: 11 de abril de 2023
Fuente: Chilebio
