Edición genética con CRISPR: Una nueva caja de herramientas para mejorar los cultivos agrícolas

Los primeros cultivos editados genéticamente con CRISPR  se están acercando. Una nueva variedad de maíz ceroso de DuPont Pioneer llegará al mercado en unos tres años. Y dada la velocidad, facilidad y amplio uso de la edición de genes con CRISPR, varios otros cultivos seguramente le seguirán. En comparación con el mejoramiento convencional y técnicas de ingeniería genética más antiguas, CRISPR es mucho más preciso: una planta editada genéticamente con un rasgo objetivo se puede producir en una generación. En este artículo de la Sociedad Americana de Química se explora cómo los investigadores están usando CRISPR para desarrollar nuevas variedades de maíz, tomate y algodón. Sin embargo, a pesar de las claras ventajas tecnológicas, sus proponentes no saben cómo se regulará o si los consumidores lo aceptarán.

En algún momento alrededor del año 2020, una nueva variedad de maíz marcará un enorme salto en cómo los seres humanos diseñan los cultivos agrícolas. Será la primera planta comercializada que haya sido editada genéticamente con la tecnología CRISPR/Cas9. Pero no se sorprenda si el maíz debuta sin mucho bombo. Es un maíz “ceroso” o alto en almidón que no es muy diferente de las variedades ya existentes en el mercado.

Cuando la firma de semillas DuPont Pioneer anunció por primera vez el nuevo maíz a principios de 2016, pocas personas prestaron atención. Las compañías farmacéuticas que utilizan CRISPR para nuevos fármacos obtuvieron los titulares en su lugar.

Pero la gente debería notar que el maíz ceroso de DuPont editado con CRISPR (un acrónimo  para “repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas”) para eliminar o alterar rasgos en las plantas está cambiando el mundo del fitomejoramiento, dicen los científicos. Por otra parte, es probable que la aplicación de la técnica en agricultura llegue al público antes de que los medicamentos desarrollados con CRISPR lleguen al mercado.

Hasta que la herramienta CRISPR no fuese desarrollada, el proceso de encontrar rasgos útiles y llevarlos a plantas fiables y productivas tomaba muchos años. Implicaba muchos pasos y estaba plagado por la aleatoriedad.

“Ahora, debido a la investigación básica en el laboratorio y en el campo, podemos ir directamente por los rasgos que queremos”, dice Zachary Lippman, profesor de ciencias biológicas en Cold Spring Harbor Laboratory. CRISPR ha sido transformador, dice Lippman. “Es básicamente un tren de carga que no va a parar”.

El uso de CRISPR para añadir o eliminar un rasgo de la planta es más rápido, más preciso, más fácil y, en la mayoría de los casos, más barato que las técnicas de mejoramiento tradicional o métodos de ingeniería genética más antiguos. Aunque los científicos pueden usar CRISPR para agregar genes de otras especies a una planta, muchos laboratorios están trabajando para explotar la gran diversidad de genes que existe dentro de una misma especie vegetal. De hecho, la mejora de muchos de los rasgos más valorados en la agricultura no requiere la adición de ADN desde otras especies.

Los cultivos editados genéticamente tienen el potencial de revivir algunas de las primeras promesas de que la ingeniería genética no ha cumplido a cabalidad, como hacer que las plantas sean más productivas, resistentes a la sequía, resistentes a enfermedades, más nutritivas o simplemente con mejor sabor. Además, CRISPR puede mejorar eficientemente no sólo los cultivos en hilera como el maíz, sino también frutas y verduras, plantas ornamentales y cultivos básicos como la yuca.

Los proponentes esperan que los consumidores adopten los cultivos editados genéticamente aunque no acepten los cultivos transgénicos, especialmente porque no necesitan involucrar la introducción de genes de otras especies.

Pero no está claro cómo reaccionarán los consumidores o si la edición de genes resultará en rasgos que los consumidores valoran. Y los usos comerciales potenciales de CRISPR pueden reducirse si las agencias agrícolas de los Estados Unidos y Europa deciden regular los cultivos editados genéticamente de la misma manera que los cultivos transgénicos.

DuPont Pioneer espera que los Estados Unidos trate su maíz ceroso editado como un cultivo convencional porque no contiene genes externos a la planta, según Neal Gutterson, vicepresidente de I + D de la compañía. De hecho, el rasgo ceroso ya existe en algunas variedades de maíz. Da a los granos un contenido de almidón de más de 97% de amilopectina, en comparación con el 75% de amilopectina en maíz de alimentación regular. El resto del grano es amilosa. La amilopectina es más soluble que la amilosa, haciendo que el almidón del maíz ceroso sea una mejor opción para los adhesivos de papel y los espesantes de alimentos.

Como la mayoría de los cultivos actuales, las variedades actuales de maíz ceroso de DuPont son el resultado de décadas de esfuerzo de fitomejoradores que utilizan técnicas convencionales de mejoramiento genético.

La tecnología CRISPR emplea una molécula de “ARN guía” (guide RNA) para dirigir la enzima Cas9 (en color azul claro) hacia una secuencia de ADN objetivo (para editar). Una vez allí, Cas9 se unirá cuando encuentre una secuencia de ADN conocida como PAM o “motivo adyacente de protoespaciador” (en color rojo) y cortará ambas cadenas, cebando la secuencia del gen para así editarlo.

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Los fitomejoradores identifican nuevos rasgos examinando plantas inusuales, o mutantes. A lo largo de muchas generaciones de mejoramiento, trabajan para obtener un rasgo deseado en variedades de alto rendimiento (élite) que anteriormente carecían del rasgo. Comienzan con un cruce de primera generación, o híbrido, de una planta mutante (que lleva el rasgo de interés) y una de élite (alto rendimiento agrícola pero sin el rasgo de interés) y luego producen varias generaciones sucesivas de híbridos con el parental de élite en un proceso llamado “retrocruzamiento”. Su objetivo es lograr una planta que mejor se aproxime a la versión de élite pero con el nuevo rasgo incluido.

Pero es difícil agarrar sólo el rasgo deseado de un mutante y hacer un traspaso limpio. Los científicos de plantas de DuPont encontraron que el rasgo ceroso se logró con cierto bagaje genético. Incluso después del retrocruzamiento, la planta de maíz ceroso no ofrecía el mismo rendimiento que las versiones iniciales de élite sin el rasgo. El resultado decepcionante es bastante común y viene con problemas de rendimiento.

Debido a que el rasgo ceroso es propio de ciertas plantas de maíz, DuPont no tuvo que confiar en las técnicas de ingeniería genética que los mejoradores han utilizado para producir plantas de maíz resistentes a insectos y tolerantes a herbicidas. Aquellos cultivos comúnmente sembrados contienen ADN de otras especies.

Además de dar a algunos consumidores una pausa, ese proceso [de transgenia] no coloca con precisión el ADN en la planta huésped. Así que los investigadores deben recaudar cientos o miles de plantas modificadas para encontrar las mejores con el rasgo deseado y trabajar para conseguir ese rasgo en cada variedad de élite. Finalmente, las plantas modificadas con ingeniería genética tradicional necesitan aprobación regulatoria en los Estados Unidos y otros países antes de que puedan ser comercializadas.

En su lugar, los científicos de DuPont utilizaron CRISPR para dirigirse, y parcialmente “noquear” (o silenciar), un gen para una enzima que produce amilosa. Al editar el gen directamente, crearon una versión cerosa del maíz de élite sin reducir el rendimiento o insertar ADN de otra especie.

Los científicos de plantas que adoptan la edición de genes pueden todavía necesitar mejorar, medir y observar porque los rasgos pueden no funcionar bien juntos o traer un beneficio significativo. “No es una panacea”, dice Lippman, “pero es una de las herramientas más poderosas que se pueden encontrar”.

El grupo de Lippman utiliza la edición de genes con CRISPR para alterar el número y el patrón de ramificación de las flores que se convierten en fruta de tomate.

DuPont fue uno de los primeros en adoptar las tecnologías CRISPR, antes que Monsanto y otros rivales de la industria semillera. En 2015, la compañía firmó acuerdos de licencia de la tecnología con Vilnius University y Caribou Biosciences. Caribou fue fundada por la pionera de la investigación en CRISPR Jennifer Doudna de la universidad de California, Berkeley.

Gutterson cuenta que su equipo comenzó a trabajar en el nuevo maíz ceroso a principios de 2015. “Una observación o lección que tenemos con nuestro primer producto es que el tiempo reducido para salir al mercado es significativo”, dice. Tomará menos de cinco años, comparado con cerca de ocho por un híbrido, lanzar comercialmente el nuevo maíz a los agricultores.

El maíz ceroso era una variedad ideal para probar CRISPR como un primer producto comercial, dice Gutterson. Tiene un rasgo que ha sido comercializado por mucho tiempo y es familiar para los agricultores.

Otra razón fue que los científicos comprendían el genoma del maíz y el rasgo ceroso en particular. “De verdad tienes que entender el gen del rasgo, el genoma y el efecto de la edición”, dice Gutterson. “Muchas versiones de este gen existen en la naturaleza. Nos facilitó obtener exactamente la propiedad que queremos”.

Según los científicos, una mejor comprensión del genoma de una especie, incluyendo la identidad de los genes que codifican los rasgos deseados, es el principal obstáculo para el uso generalizado de la edición genética. Los investigadores han tenido acceso al genoma completo del maíz recién desde 2010, y todavía están secuenciando una serie de variedades importantes del maíz.

“Las plantas, como los animales, tienen muchos genes, la mayoría de los cuales no entendemos”, señala Heike Sederoff, profesora de sistemas y biología sintética de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. “No sabemos lo que hacen o por qué están allí o cómo llegaron allí”.

Pero en esto, también, CRISPR fácilmente supera las técnicas de la competencia. Para averiguar la función de uno de los 20.000 a 30.000 genes en una planta, los científicos o eliminan el gen o magnifican su impacto mediante la adición de copias del gen en cuestión. “Solíamos usar virus o bacterias que insertaban ADN, pero la parte de dirigirlo es realmente difícil”, dice Sederoff.

“Aquí es donde CRISPR nos ayuda. Nos permite dirigirnos a un gen específicamente y sacarlo o modificarlo. Podemos estudiar cualquier gen, y podemos hacerlo con más de uno a la vez. Y no es difícil de hacer.”

El laboratorio de Sederoff está estudiando maneras de aumentar la cantidad de aceite producido por las semillas oleaginosas como la canola y el cultivo industrial camelina. Su equipo está buscando genes que controlen cómo una planta transporta azúcar o regula la cantidad de azúcar que sale de su tallo o ingresa a la semilla, donde se convierte en ácidos grasos. “¿Podemos hacer más semillas? ¿Podemos cambiar la composición o el tamaño de las semillas?” se pregunta.

En un conjunto de experimentos, Sederoff utilizó CRISPR para colocar un gen que hace a los tomates dulces en una planta de semilla oleaginosa. El rendimiento de semillas se duplicó. Ella reportó que tomó menos de dos años, en comparación con los 10 años que requerirían las técnicas más antiguas. A largo plazo, los investigadores podrían encontrar y utilizar genes nativos de semillas oleaginosas que funcionan como el tomado desde tomate para crear un cultivo de mayor rendimiento que no sería transgénico.

Lippman de Cold Spring Harbor también está trabajando con tomates. Su equipo está buscando los genes que controlan cuántos, cuándo y dónde se producen las flores (y por lo tanto los tomates) en las plantas. Eso significa entender lo que sucede en las células madre que producen ramas de flores, llamadas inflorescencias.

En el pasado, los mejoradores tenían problemas para ajustar la cantidad y el patrón de las inflorescencias. El problema, descubrió Lippman, es que dos rasgos de interés que surgieron durante décadas de domesticación y mejoramiento de cultivos, al combinarse entorpecieron la alteración de la producción de flores a través del mejoramiento tradicional. Por separado, uno de los rasgos ayudó a la planta a dar frutos más pesados; el otro eliminó una articulación en el tallo de la fruta para evitar que los tomates se caigan antes de cosechar.

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Con CRISPR, Lippman señala, lo que se hizo se puede deshacer. “Ahora tenemos formas de utilizar la edición de genes para modificar por separado el tamaño y el peso de las frutas, las ramas que producen flores y la cantidad de flores, así como la arquitectura de una planta de un arbusto compacto hacia una que sigue creciendo”.

Un error diferente de fitomejoramiento puede ser la culpa de la falta de sabor y aroma de las variedades modernas de tomate. Las investigaciones demuestran que a medida que los mejoradores buscaban rasgos de productividad, uniformidad y capacidad de cosecha, los rasgos de mejor sabor se perdieron inadvertidamente. Los tomates silvestres y las variedades reliquia (que carecen de rasgos para productividad en campo) todavía llevan esos genes.

“Ahora vamos a insertarlos en [el tomate comercial] o editarlos para traer de vuelta un tomate con mejor sabor, que es lo que todo el mundo pide todo el tiempo”, dice Lippman.

Los cultivadores de algodón también están entusiasmados con la mejora de la calidad que la edición de genes con CRISPR podría aportar. “El algodón es un cultivo de pequeña superficie en comparación con el maíz y la soja”, explica Kater D. Hake, vicepresidente de investigación agrícola y ambiental de Cotton Inc., una organización de promoción apoyada por productores de algodón. “Con el costo regulatorio asociado a la biotecnología tradicional, el algodón ha estado fuera del radar excepto por rasgos de alto valor como el control de insectos y malezas”.

Los investigadores están investigando el genoma del algodón, que fue secuenciado en 2015, para encontrar genes que controlan la forma, estructura, longitud y resistencia de las fibras de algodón. “Es una historia de sostenibilidad”, dice Hake. “Cuando empujas la calidad del algodón para arriba, puedes hacer hilos más fuertes, más finos así que las prendas requieren menos masa total de algodón y son más duraderas.”

De hecho, los investigadores no están cortos de ideas sobre cómo utilizar CRISPR para producir cultivos de mayor calidad y más sostenibles que los consumidores puedan desear. Pero hasta la fecha, la mayor parte del trabajo ha sido probar el concepto. Todavía no está claro qué innovaciones llegarán realmente al mercado.

Una preocupación es que las pequeñas empresas de semillas y las organizaciones de investigación no están preparadas para desarrollar y comercializar cultivos con nuevos rasgos; cedieron la mayor parte de ese terreno a gigantes agrícolas como DuPont hace décadas.

Benson Hill Biosystems, una start-up con sede en St. Louis, está trabajando con pequeñas empresas de semillas e investigadores académicos para ayudarles a llevar a cabo proyectos de mejoramiento de cultivos usando su plataforma de genómica basada en datos. Por ejemplo, la firma está trabajando con la empresa de semillas Beck’s Hybrids y los expertos en papa en J.R. Simplot Company para llevar más poder de I+D en la empresa.

“Creemos que DuPont y Monsanto jugarán un papel decreciente en relación con la innovación en toda la industria”, afirma Matthew Crisp, presidente ejecutivo de Benson Hill. “Será como el cambio en las grandes farmacéuticas hace 10-15 años cuando el descubrimiento en etapas tempranas fue para jugadores más pequeños”. Crisp dice que la edición de genes con CRISPR y las herramientas de datos genómicos nivelarán el campo de juego para introducciones de nuevos rasgos.

Otra limitación es que unas pocas organizaciones controlan patentes importantes para CRISPR, algunas de las cuales han sido objeto de demandas. Así que los científicos de Benson Hill están trabajando en una manera de reemplazar Cas9, la enzima que corta el ADN. Crisp llama a este trabajo “CRISPR 2.0” y dice que espera que las herramientas sean aún más eficientes (y más fáciles de acceder) que las actuales. Los investigadores de la Universidad de California, Berkeley, también están desarrollando alternativas a Cas9.

Pero a medida que la tecnología CRISPR avanza, persisten las preguntas sobre la regulación gubernamental y la aceptación del consumidor.

Hoy en día, las empresas que desean comercializar una planta editada genéticamente pueden preguntar al Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) si su producto requerirá revisión regulatoria. Hasta ahora, para las plantas que no contienen genes externos, USDA ha respondido que no tiene la autoridad para regular. Las plantas transgénicas, por el contrario, están reguladas porque contienen genes de otras especies o de un organismo vector que puede introducir una plaga en el medio ambiente.

Este marco reglamentario, creado en 1987, está sometido a un examen exhaustivo; el USDA está aceptó comentarios hasta el 19 de junio sobre cómo se debe evaluar el riesgo en los cultivos modificados. Además, otros países pueden escribir reglas diferentes y más onerosas.

Muchos investigadores comparten la opinión de que los reguladores deben enfocarse en si los rasgos agregados o alterados plantean un riesgo previsible y no en el proceso usado para obtener el rasgo en la planta.

“Propongo hacer regulaciones basadas en el fenotipo, las características específicas que se ponen”, dice Gregory Jaffe, director del proyecto de biotecnología en el grupo de defensa del consumidor ´Centro para la Ciencia en el Interés Público’. “Claramente, un aspecto de la evaluación de riesgos es que la forma en que se pone el rasgo puede informar de la evaluación del riesgo.” El uso de un gen de la nuez de Brasil para mejorar la resistencia a las enfermedades, por ejemplo, podría introducir una proteína no nativa que puede ser alergénica.

Jaffe y otros dicen que los cambios regulatorios y las nuevas tecnologías de edición podrían desdibujar la línea entre lo que es y lo que no es un organismo genéticamente modificado (OGM) o transgénicos. Actualmente, los alimentos que contienen ingredientes transgénicos deben llevar una etiqueta. No está claro si los productos editados con CRISPR también requerirán una etiqueta.

Esa es una de las razones por las que Jaffe ha propuesto un registro para el público y la industria alimentaria para rastrear qué cultivos provienen de la edición de genes. “Es importante no cometer los errores que se cometieron con los cultivos transgénicos”, dice Jaffe. “Debemos comenzar con más transparencia en la cadena alimentaria”.

Crisp de Benson Hill está de acuerdo en que la industria debe ser más transparente y hacer un mejor trabajo en el alcance. “Necesitamos asegurar que los consumidores estén informados sobre los beneficios y no inundados con información errónea o falta de información”.

Los compradores de alimentos probablemente ganarán con los productos editados genéticamente que los benefician directamente a ellos, predice Jaffe. Y ya tiene algo en mente: “Me gustaría un tomate con mejor sabor”.