10 formas en que la edición genética revolucionará la ciencia ambiental y la biorremediación

La nueva y revolucionaria técnica de edición de genes conocida como CRISPR ha estado en los titulares por su potencial para tratar o prevenir enfermedades. Pero la medicina no es la única ciencia en la que CRISPR está abriendo puertas. Esta poderosa herramienta de ingeniería genética ya está ayudando a los científicos a desarrollar tecnologías para proteger o reparar el medio ambiente de los daños humanos.

CRISPR: No solo cortar y pegar

Probablemente hayas escuchado que CRISPR permite a los científicos editar genes muy específicamente, cortando y pegando en sitios específicos. Pero esta capacidad fundamental hace que CRISPR sea una gran herramienta para todo tipo de ingeniería genética compleja. Usando CRISPR, los científicos pueden:

  • Editar muchos genes simultáneamente.
  • Entregar proteínas a genes particulares para ajustar su actividad.
  • Hacer cambios “sin marcadores”. En los métodos anteriores de ingeniería genética, a menudo tenía que insertarse un gen llamado marcador para identificar las células que se modificaron con éxito.

Estos rasgos hacen que CRISPR sea una herramienta invaluable para ajustar procesos genéticos multiparte o construir rutas completamente nuevas. En la era de la ingeniería genética de CRISPR, los desafíos ambientales complejos serán mucho más factibles.

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1. Biocombustibles

Las plantas, las algas y las cianobacterias convierten naturalmente el dióxido de carbono y la luz solar en subproductos. Los azúcares, las grasas o los alcoholes producidos son todas las posibles fuentes alternativas de combustible. Los científicos han demostrado que CRISPR funciona en ciertas especies de cianobacterias, algas y varios cultivos clave de biocombustibles.

Las bacterias también pueden descomponer las paredes celulares de las plantas en biocombustibles, y ciertas especies pueden generar precursores de combustible a partir de productos de desecho, como el metano de los vertederos. CRISPR se ha aplicado a bacterias clave que naturalmente contienen parte de las vías necesarias para producir biocombustibles.

Hacer que estos organismos crezcan exitosamente mientras se producen precursores de combustible no es trivial. La precisión y eficiencia de CRISPR permite el tipo de ingeniería genética compleja que podría ayudar a que los biocombustibles sean una alternativa viable.

Biocombustible proveniente de investigación en algas. Imagen: Universidad de Michigan

2. Bioplásticos

Los combustibles no son los únicos productos derivados del petróleo que algún día podrían ser reemplazados por la biología. Ciertas levaduras y bacterias producen naturalmente compuestos similares a los plásticos. CRISPR podría ayudar a que estos compuestos sean más abundantes y fáciles de extraer.

3. Biorremediación

Los microbios también podrían editarse para ayudar a degradar los plásticos. Ciertas especies de bacterias y hongos han evolucionado de forma natural para degradar los compuestos que se encuentran en los plásticos. CRISPR podría emplearse para aumentar la actividad de las vías genéticas implicadas. Los científicos ya han comenzado a aplicar CRISPR a microbios que son buenos candidatos para producir y degradar plásticos.

Hay muchos otros tipos de biorremediación en los que CRISPR podría ser útil. Por ejemplo, los microbios o las plantas podrían editarse para absorber metales pesados ​​de manera más eficiente, limpiar derrames de petróleo o mejorar el tratamiento de aguas residuales.

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4. Biosensores

Los biosensores van de la mano con la biorremediación. En esta área, sondas o sensores biológicos detectan la presencia de ciertas moléculas. Las plantas y los microbios actúan como biosensores naturales que responden a las sustancias químicas de su entorno. Estas rutas de detección y respuesta pueden ser rediseñadas.

El trabajo para diseñar plantas que detectan y señalan la presencia de armas biológicas y patógenos está en curso. Del mismo modo, las plantas u otros organismos podrían detectar contaminantes ambientales.

Una vez que se identifica un contaminante, el biosensor podría incluso desencadenar una vía de biorremediación. CRISPR ha hecho que este tipo de ingeniería compleja de redes multigénicas en las plantas sea mucho más factible.

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5. Emisiones de gases de efecto invernadero

Además de disminuir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, CRISPR podría ayudar a abordar las fuentes biológicas de las emisiones de gases de efecto invernadero. La quema de combustibles fósiles libera una gran cantidad de dióxido de carbono en el medio ambiente. Pero el metano atmosférico, un gas de efecto invernadero mucho más potente, se cree que proviene principalmente de bacterias.

Algunas de estas bacterias provienen de fuentes naturales como los humedales, otras viven en las intestinos de las vacas y en los arrozales inundados. Al modificar la genética de las vacas o el pasto que comen, los ranchos de ganado en el futuro podrían producir menos eructos de metano por animal. El arroz también se puede modificar para frenar el crecimiento bacteriano y ayudar a mantener más metano en el suelo. CRISPR podría facilitar estos esfuerzos mejorando la velocidad y la precisión del proceso de ingeniería genética.

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6. Reducción de pesticidas 

Usando CRISPR, las plantas pueden ser editadas para resistir amenazas tales como insectos o enfermedades. Por ejemplo, CRISPR ya ha ayudado a generar pepinos resistentes a virus y arroz resistente a hongos. En algunos casos, los pesticidas son la única forma de evitar que estas amenazas destruyan nuestro suministro de alimentos.

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7. Uso eficiente de agua

Se estima que la agricultura utiliza hasta el 70% de los recursos de agua dulce del mundo. Varios estudios ya han encontrado que CRISPR puede ayudar a hacer que las plantas sean más eficientes en el uso del agua o mejorar nuestra comprensión de qué genes son importantes para la tolerancia a la sequía.

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8. Fijación de nitrógeno

El escurrimiento de nitrógeno es otro problema ambiental y agrícola relevante. Las plantas no pueden absorber directamente la mayoría de las formas de nitrógeno en el suelo. Ciertas plantas como los porotos y guisantes desarrollan asociaciones con bacterias que ayudan a que el nitrógeno del suelo esté más disponible para la planta. Otros dependen del nitrógeno agregado en forma de abono o fertilizante sintético.

El exceso de nitrógeno agregado puede escurrir fuera de los campos y contaminar las fuentes de agua, lo que lleva a zonas muertas acuáticas. Muchos proyectos actuales están en curso usando CRISPR para diseñar plantas o bacterias para una mejor fijación de nitrógeno.

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Escurrimiento de suelo y fertilizantes.

9. Especies invasoras

Las especies animales o vegetales que se transportan de una región a otra pueden causar estragos en los ecosistemas nativos. Existen varias estrategias genéticas diferentes para erradicar especies invasoras. Estos incluyen “impulsos genéticos” (o “gene-drive”), en los cuales un gen que reduce la capacidad física se propaga a través de la población. Los investigadores han descrito varias estrategias de impulso genético basadas en CRISPR. Esta herramienta también podría aplicarse a tecnologías “autolimitantes”, que actúan como una forma genética de control de la natalidad.

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En 2015 científicos estadounidenses modificaron con CRISPR los mosquitos transmisores de la malaria para expresar el sistema “gene drive”, una especie de genes “egoístas” dominantes que se extienden rápidamente en la población. Con el control de la malaria a través de “gene drive”, ciertos genes que impiden crecer el parásito de la malaria (los mosquitos en azul), se harán más comunes y con el tiempo se extienden a toda la población. Más información: http://goo.gl/10dx5d

10. Desperdicios alimentarios

Se necesita una gran cantidad de agua fresca y combustibles fósiles para cultivar y transportar alimentos. Cuando la comida se echa a perder antes de llegar a nuestros platos, los insumos que se usó para cultivarlos se desperdician.

La ingeniería genética puede preservar la vida útil de los alimentos de muchas maneras. Por ejemplo, las lesiones causadas por los insectos ayudan a que las bacterias y los hongos crezcan y se propaguen a través de los cultivos. CRISPR podría ayudar indirectamente al desperdicio de alimentos al reducir las pérdidas de cosechas debido a insectos y patógenos.

CRISPR ya ha demostrado ser útil para prevenir el pardeamiento u oxidación en champiñones cortados o magullados. La misma estrategia probablemente pronto se ampliará a muchos otros cultivos.

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Para que CRISPR impacte en la ciencia ambiental, tendremos que abordar las ramificaciones éticas de estas tecnologías. Los científicos están trabajando arduamente para modelar escenarios de riesgo y minimizar problemas potenciales. Al igual que con cualquier tecnología nueva, será importante analizar los riesgos y beneficios del uso de CRISPR para resolver problemas ambientales