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Edición genética para aumentar producción de aceite en plantas y lograr biocombustibles rentables

Incrementar los ácidos grasos en las semillas, hojas y tallos de los cultivos podría hacer que los biocombustibles sean económicamente viables. Varios grupos de investigadores ya trabajan con edición genética en cultivos para hacerlo una realidad.

Si alguna vez exprimiste semillas crudas de girasol o maní, sabes que si presionas lo suficiente, puedes recolectar aceite desde ellas. Lo mismo ocurre con las semillas de la planta floral Camelina sativa, aunque es probable que no hayas exprimido estas semillas de primera mano.

El científico de plantas Heike Sederoff de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, sin embargo, está muy familiarizado con los aceites que ofrece la camelina. Los ácidos grasos altamente concentrados producidos por esta planta de tipo lino se buscan por su capacidad para convertirse en biocombustible, que Sederoff estudia. Las semillas de Camelina, de hecho, ya se han utilizado para fabricar biocombustibles para aviones comerciales.

A pesar de lo respetuoso con el medio ambiente que suena usar plantas como la camelina para hacer biocombustibles para las necesidades de transporte, el cómo hacerlo de una manera rentable y sostenible ha sido un problema.

Algunos estudios sugieren que el uso de biocombustibles podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 60 a 94% en relación con los combustibles fósiles. Pero algunos científicos dudan de la sostenibilidad de los biocombustibles, señalando la tierra, el agua y otros recursos necesarios para producirlos.

Sin embargo, todos podemos estar de acuerdo en que la innovación es necesaria para que los biocombustibles cumplan su promesa de viabilidad. Idealmente, esta innovación estará respaldada por la industria en lugar de solo implementada por políticas e incentivos gubernamentales.

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La idea es que al ser producidas y vendidas en el mercado, las tecnologías de biocombustibles podrían avanzar en un “ciclo virtuoso de innovación” y volverse más viables económicamente, afirma Gregory Graff, profesor de economía agrícola y de recursos en la Universidad Estatal de Colorado. La viabilidad económica, a su vez, permitiría “futuros avances que podrían convertirse en un cambio de juego en términos de suministro de energía”.

Una vía de innovación que persiguen Sederoff y otros es modificar genéticamente las plantas como la camelina para aumentar su producción de aceite o reducir el largo de la cadena de los ácidos grasos que generan, disminuyendo la energía que las refinerías tienen que usar para convertir esos compuestos en combustibles utilizables. Estas acciones, según esperan los científicos, harán que los biocombustibles sean más viables económicamente.

Obstáculos a superar

El potencial de los biocombustibles para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y reducir la dependencia de los países del petróleo extranjero continúa impulsando la inversión del gobierno [de Estados Unidos] en investigación. Sin embargo, incluso con fondos disponibles, los científicos que están modificando genéticamente los cultivos para aumentar la rentabilidad de los biocombustibles podrían enfrentar un gran obstáculo. El escepticismo sobre los cultivos modificados genéticamente ha llevado a regulaciones estrictas en la Unión Europea: un dictamen del 25 de julio dificultará a los científicos realizar ensayos de campo en países de la UE y llevar productos modificados genéticamente al mercado europeo.

Sin embargo, en los Estados Unidos, El Departamento de Agricultura (USDA) afirmó que no va a regular los cultivos modificados genéticamente que de otra manera podrían producirse mediante métodos de mejoramiento convencional, siempre que el cultivo no esté editado para incluir una secuencia de ADN derivada de plagas de plantas. Según Neil Hoffman, asesor científico del Servicio de Inspección de Sanidad Animal y Vegetal (APHIS, por sus siglas en inglés) del USDA, es más probable que el USDA regule un cultivo editado genéticamente si se considerara una plaga o maleza vegetal y pudiese afectar a otras plantas si la versión editada se difundiera al medio ambiente.

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Por ejemplo, si alguien diseñara pasto de césped, una planta tipo maleza que puede convertirse en biocombustible, para mejorar su tolerancia a la sequía, ¿Se produciría un grave problema de malezas?

“No creemos que los organismos genéticamente modificados deban ser regulados” solo porque están genéticamente modificados, dice Hoffman. Los investigadores y las compañías que planean lanzar un cultivo editado genéticamente al medio ambiente pueden pasar por un proceso llamado “¿Estoy regulado?” para identificar si sus productos deben solicitar un permiso del USDA.

Una planta editada genéticamente que recibió recientemente el estatus de “no regulado” de APHIS es una planta de camelina desarrollada por Yield10 Bioscience, una compañía de biotecnología que espera mejorar la producción de aceite vegetal y la calidad del aceite.

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Oliver Peoples, CEO de Yield10, está planeando realizar pruebas de campo para esta línea de Camelina editada en 2019. Tener la planta identificada como “no regulada” por el USDA definitivamente acelera el proceso para que la empresa busque el desarrollo de una manera rentable, dice Peoples.

Para Peoples, el futuro parece prometedor. Un aumento del 20% en el rendimiento de los cultivos convencionales de aceite como la canola y la soya podría aumentar el valor económico de estos cultivos en US$10 mil millones, afirma Si las técnicas actuales funcionan bien en Camelina, la compañía intentará realizar ediciones genéticas similares en la canola y la soya.

Aunque el objetivo principal de Yield10 es vender su aceite de camelina para productos de salud humana y como un ingrediente para la alimentación animal, en lugar de una fuente de suministro para biocombustibles, Peoples dice que el descubrimiento de la edición genética realizado por Yield10 también podría ser beneficioso para ese tipo de aplicación.

Yield10 no divulgará las ediciones exactas que hicieron sus científicos para mejorar la producción de aceite en la camelina, citando información patentada. Pero las diapositivas de presentación compartidas en línea el 4 de noviembre para los inversores indican que las modificaciones a los genes que la firma denomina C3008a, C3008b y C3009 trabajan para aumentar la producción de aceite al aumentar simultáneamente la biosíntesis de ácidos grasos y bloquear el metabolismo del lípido sintetizado.

Al mismo tiempo, la subsidiaria canadiense de Yield10, Metabolix Oilseeds, está trabajando para editar un gen que la compañía ha llamado C3007 en camelina y canola. El gen C3007 codifica una proteína que regula de manera negativa una enzima clave en la producción de ácidos grasos, la acetil-CoA carboxilasa. Al disminuir la actividad de este regulador negativo, la empresa pretende aumentar la actividad de la enzima y producir más aceite vegetal.

Sederoff del estado de Carolina del Norte es uno de los científicos que colaboran con Yield10. En un estudio de 2015, ella y sus colegas aumentaron con éxito el rendimiento de semilla de camelina en un 57 a 73%. Los investigadores lograron esto modificando la camelina para producir enzimas que reducen la fotorrespiración, un proceso que desvía la energía usada en la producción de compuestos de carbono.

El grupo de Sederoff está buscando otras opciones para mejorar aún más el rendimiento de las semillas. “Si un agricultor no obtiene suficiente dinero de él, no va a sembrarla”, dice ella.

Reconociendo la necesidad de simplificar los pasos de procesamiento y reducir los costos en la fabricación de biocombustibles, Sederoff también está trabajando paramodificar la camelina y hacerla producir aceite que requiere menos energía para convertirse en biodiesel.

Cuando las plantas absorben dióxido de carbono y luego “fijan” la molécula de carbono durante la fotosíntesis, el carbono puede terminar en varios lugares. Puede terminar en azúcar, celulosa, lignina, almidón, proteínas o lípidos. Uno de los componentes principales que preocupan a los defensores de los biocombustibles es un grupo de compuestos lipídicos llamados triacilglicéridos (TAG). Un papel para los TAG en las plantas es el almacenamiento de energía. Los fabricantes de biocombustibles pueden convertir TAGs en biodiesel a través de transesterificación o en combustible para aviones a través de hidrotratamiento.

Los TAG producidos naturalmente por las plantas de camelina son ácidos grasos que contienen cadenas de 16 a 18 carbonos insaturados. La ingeniería genética podría no solo reducir la longitud de esas cadenas, sino también llevarlas de insaturadas a saturadas (es decir, reducir los enlaces atómicos entre los átomos de carbono). Tales TAG no tendrían que pasar por una gran cantidad de hidrogenación y craqueo para convertirlos en combustible utilizable, explica Sederoff.

Los científicos están tratando de hacer que los biocombustibles sean más viables económicamente a través de la edición de genes. Fuentes: Agriculture 2017, DOI: 10.3390/agriculture7040032; Industrial Crops and Products 2009, DOI: 10.1016/j.indcrop.2008.06.001; Steven Long; USDA

Mas allá de la camelina

El aumento de la producción de aceite en múltiples plantas es esencial para satisfacer las necesidades mundiales de biocombustibles, dice la bióloga de plantas de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU), Wei Ma.

En 2012, los investigadores predijeron que la demanda global de aceite vegetal se duplicaría para 2030. “La única forma en que podemos satisfacer esta enorme demanda es aumentar la producción de aceite. La pregunta es cómo”, dice Ma.

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La investigación de Ma tiene sus raíces en el descubrimiento, realizado en 2004, de un regulador genético maestro de la producción de aceite vegetal. El factor de transcripción, llamado WRINKLED1 debido a que su mutación conduce a semillas arrugadas que producen poco aceite, atrajo la atención del mundo científico cuando Christoph Benning y Alex Cernac en la Universidad Estatal de Michigan descubrieron que la sobreexpresión de su gen podría aumentar la producción de ácidos grasos en Arabidopsis, una planta modelo utilizada en muchos laboratorios.

Más tarde, Ma investigó en el laboratorio de Benning en Michigan State y ahora continúa trabajando en WRINKLED1 en su propio laboratorio en NTU.

Desde ese estudio seminal en 2004, los científicos han identificado la versión equivalente del gen de Arabidopsis para WRINKLED1 en muchas otras especies de plantas, incluyendo plantas como el palto, palma aceitera, camelina y maíz. La prevalencia del gen sugiere que la investigación fundamental en plantas como Arabidopsis podría conducir a mejores rendimientos de aceite en una amplia gama de cultivos.

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Ma está buscando las biomoléculas que interactúan con WRINKLED1. En colaboración con Benning, Ma encontró proteínas de unión a fosfopéptidos llamadas 14-3-3, que ayudan a estabilizar WRINKLED1, presentando una nueva dirección para impulsar la producción de aceite en plantas.

No es fácil dilucidar todas las interacciones de WRINKLED1. Por ejemplo, el gen que lo codifica también se expresa en las raíces de las plantas y se ha relacionado con el mantenimiento de la homeostasis de una hormona del crecimiento de las plantas llamada auxina. Modificar la planta para sobre-expresar el gen sin considerar otros factores podría conducir a alteraciones en múltiples procesos fisiológicos que podrían afectar el crecimiento de algunos cultivos de aceite vegetal.

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Ma dice que es por eso que su laboratorio también está colaborando con otros para ver si pueden volver a modificar el gen de WRINKLED1 para aumentar su especificidad de unión para los socios adecuados y reducir los efectos secundarios.

Aunque Ma se está enfocando en la investigación fundamental de laboratorio en este momento, reconoce la necesidad de llevar productos al mercado. “Definitivamente, es nuestra responsabilidad utilizar mejor los reguladores de aceite vegetal para maximizar la eficiencia”, dice.

Una planta de tabaco modificada genéticamente (derecha) acumula más lípidos (recolectados en gotitas) en sus hojas y tiene un mayor contenido de aceite en comparación con una planta de tabaco normal (izquierda). El color rojo es por el mayor contenido de aceite, y el púrpura por menor contenido de aceite. Crédito: Metab. Ing. 2017, DOI: 10.1016 / j.ymben.2016.12.007

Usando más partes de la planta

Generalmente, los TAG se almacenan en los frutos, nueces y semillas de las plantas y solo están presentes en pequeñas cantidades en los tejidos vegetativos, como las hojas y los tallos. Para aumentar la producción de aceite, algunos científicos buscan modificar plantas para aumentar los ácidos grasos sintetizados en sus hojas verdes.

Un estudio realizado en plantas de tabaco, un organismo modelo que se usa típicamente en la investigación de biotecnología de plantas, demostró que las hojas de tabaco podrían alcanzar un nivel de acumulación de TAG similar al que se encuentra en las semillas de soya. Los cambios genéticos inducidos, que aumentaron la producción y la acumulación de TAG, no afectaron el desarrollo del cultivo ni la viabilidad de las semillas.

James Petrie, de la Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth, el autor principal de ese estudio, ha ayudado a lanzar la empresa Folear sobre la base de los hallazgos de la edición de genes del estudio. El propósito principal de Folear es comercializar la tecnología, en última instancia, pasarla a plantas con alto contenido de biomasa y reducir el costo de producción de aceite vegetal a menos de US$500 por tonelada métrica, en comparación con los US$800 por tonelada métrica del aceite de soya.

“Actualmente utilizamos aproximadamente 180 millones de toneladas métricas de aceite vegetal cada año. Se usa principalmente para alimentos, y aproximadamente 20 millones se usan como materia prima química y combustible, dice Petrie. Muchas de las aplicaciones potenciales, especialmente el combustible, están limitadas por el costo de producción del aceite vegetal y la necesidad de usar las plantas para alimentos en lugar de combustibles.

“Al activar la producción de aceite vegetal en las hojas y los tallos de las plantas, en lugar de solo la semilla, tenemos la oportunidad de producir cantidades masivas de aceite por hectárea”, dice Petrie. Actualmente está colaborando con un equipo de la Universidad de Kentucky para llevar a cabo una prueba de campo en una variedad de tabaco editada genéticamente para probar su capacidad de producción de aceite. Hasta ahora la cosecha está “muy bien”, dice.

Otra planta que los científicos diseñaron recientemente para acumular aceite en sus hojas y tallos es la caña de azúcar. La caña de azúcar es atractiva para los defensores de los biocombustibles debido a su alta biomasa. Típicamente, los fabricantes de biocombustibles cosecharían la caña de azúcar por sus azúcares, y convertirían los sacáridos en etanol.

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Pero los investigadores han calculado que el aumento de TAG a 5% del peso del tallo de la caña de azúcar podría (debido a la alta biomasa de la planta) producir aproximadamente cuatro veces más aceite por hectárea de tierra que la soya, agregando más de 10,000 litros de etanol.

Por esta razón, los investigadores de la Universidad de Illinois, el Laboratorio Nacional Brookhaven, la Universidad de Florida y la Universidad Estatal de Mississippi se han unido para estudiar la edición de genes en la caña de azúcar. El proyecto, denominado ROGUE (Aceite Renovable Generado con Caña Energética Ultra Productiva), recibió una subvención de US$10.6 millones por cinco años desde el Departamento de Energía de los Estados Unidos en febrero.

Anteriormente, el equipo logró elevar los niveles de TAG en las hojas de caña de azúcar al 8% en peso. En última instancia, los investigadores pretenden producir plantas capaces de acumular un 20% de aceite en peso en sus hojas y tallos, lo que podría generar más de 42 barriles de aceite por hectárea. La soya produce menos de 3 barriles por hectárea, según Stephen Long, investigador principal del proyecto ROGUE de Illinois.

El mercado previsto para esta variedad de caña de azúcar, que el equipo denomina caña energética, sería el biocombustible para aviones. Long confía en que, aunque el proyecto podría tardar al menos 20 años en ampliarse, el combustible de la “caña energética” sería cada vez más competitivo frente a los precios proyectados de los combustibles fósiles.

Thomas Foust, un ingeniero mecánico del Laboratorio Nacional de Energía Renovable de los Estados Unidos y la Universidad Estatal de Colorado, advierte que en el pasado, el principal factor para desarrollar biocombustibles era evitar una crisis petrolera. “Ese no es el conductor de hoy”, dice, señalando cómo el fracking y la perforación horizontal han permitido un suministro mundial mucho mayor de combustibles fósiles.

Dada la situación actual, dice Foust, los biocombustibles y sus mezclas con sus homólogos de combustibles fósiles realmente necesitan permitir una mayor eficiencia en comparación con los productos petroquímicos al tiempo que contribuyen a otros mercados, como los productos químicos y plásticos biodegradables. Esos son realmente los impulsores para el desarrollo de biocombustibles en la actualidad, afirma.

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