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Nueva técnica edita el ADN de cloroplastos en cultivos y podría evitar la regulación de transgénicos

La técnica genética desarrollada en la Universidad de Tokio edita cada cloroplasto dentro de las células de una planta, pero no cambia el ADN nuclear de la descendencia. Esto podría evadir la regulación de cultivos transgénicos en los países que regulan por el producto final obtenido en lugar de la técnica empleada.

Universidad de Tokio / 2 de julio, 2021.- La obtención de mejores cultivos mediante la ingeniería genética ha sido posible durante décadas, pero el uso de plantas genéticamente modificadas (GM) se ha visto limitado por desafíos técnicos y controversias populares. Un nuevo enfoque resuelve potencialmente ambos problemas modificando las partes productoras de energía de las células vegetales y luego eliminando la herramienta de edición de ADN para que no pueda ser heredada por semillas futuras. La técnica fue demostrada recientemente a través de experimentos de prueba de concepto publicados en la revista Nature Plants por genetistas de la Universidad de Tokio.

«Ahora tenemos una manera de modificar los genes del cloroplasto de manera precisa y medir su potencial para generar una buena planta», dijo el profesor asociado Shin-ichi Arimura, quien lidera el grupo que realizó la investigación.

Los cloroplastos, organelos internos de las células vegetales que convierten el dióxido de carbono y la luz solar en azúcar, poseen su propio ADN circular que está hecho del mismo código (con las bases A-T-G-C) que el ADN de doble hélice en el núcleo de la célula. Sin embargo, el ADN del cloroplasto se mantiene y se hereda completamente por separado del ADN del núcleo celular. Cada célula puede contener múltiples cloroplastos, cada uno con muchas copias idénticas del ADN del cloroplasto. Se debe realizar el mismo cambio en cada copia del ADN del cloroplasto si se quiere que la edición del genoma tenga un efecto notable que pueda ser heredado por la descendencia de la planta.

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En la década de 1990, los expertos inventaron una técnica para insertar nuevos fragmentos de ADN en genomas de cloroplasto, pero esto también inserta etiquetas o marcadores genéticos adicionales.

El objetivo de Arimura y sus colegas es realizar modificaciones uniformes y heredables solo en partes específicas del ADN del cloroplasto sin dejar atrás las herramientas de edición del genoma o alterar permanentemente el ADN nuclear. Comenzaron con una herramienta existente conocida como TALENs. Los TALEN originales utilizan una proteína grande que reconoce secuencias de ADN cortas específicas y corta ese ADN con una enzima. En los últimos años, otros grupos de investigación han mejorado la tecnología TALEN: las secuencias de reconocimiento de ADN se pueden personalizar y la enzima de corte de ADN se puede reemplazar con una enzima que cambia los pares de de bases G-C en el código de ADN en pares A-T.

Estos cambios de bases de G-C a A-T son sutiles: simplemente cambian un punto del código de ADN a otro, en lugar de insertar o eliminar genes completos. Sin embargo, las mutaciones puntuales pueden tener efectos importantes según su ubicación.

El equipo de Arimura combinó estas mejoras de TALEN y agregó un componente adicional de «focalización de cloroplasto», llamando a su versión finalizada ptpTALECD. Para cada edición del genoma que los investigadores quisieran hacer, necesitaban construir un par de ptpTALECDs izquierdo y derecho coincidentes en bacterias. El proceso de diseño es complicado porque los pares de proteínas TALENs grandes y las señales dirigidas al cloroplasto deben expresarse simultáneamente como una sola unidad del ADN nuclear.

“La construcción de los ptpTALECD fue un proceso extremadamente laborioso, pero tenemos un estudiante de maestría muy dedicado que hizo casi todo el trabajo, Issei Nakazato”, dijo Arimura. Nakazato es el primer autor de la publicación de investigación.

Después de diseñar la secuencia de ADN de ptpTALECDs, los investigadores la insertaron en plantas de Arabidopsis thaliana, una especie de berro usada regularmente como modelo en los laboratorios de investigación. Los investigadores de la U. de Tokyo confían en que después de construirlos, los ptpTALECD podrían insertarse en muchas especies de cultivos porque esa parte del proceso es un procedimiento sencillo y estándar en los laboratorios de agricultura y botánica.

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Los ptpTALECD ingresan a los núcleos de las plantas y luego las células producen ptpTALECD de la misma manera que producen cualquier otra proteína. La secuencia dirigida al cloroplasto asegura que las proteínas ptpTALECD terminadas sean transportadas fuera del núcleo hacia los cloroplastos donde se espera que luego editen cada genoma del cloroplasto que encuentren.

Estas plantas de primera generación se consideran organismos genéticamente modificados (OGMs o transgénicos) porque su ADN nuclear ha sido alterado permanentemente para contener la secuencia ptpTALECD.

Cuando estas plantas genéticamente modificadas se reproducen consigo mismas a través de la autofecundación o con plantas no modificadas (convencionales), la próxima generación de plantas hereda el ADN nuclear de forma normal, lo que significa que los genes se mezclan y combinan entre los óvulos y el polen. Algunas semillas heredan la secuencia ptpTALECD y otras semillas no.

Sin embargo, las plantas siempre heredan sus cloroplastos enteros e intactos a través de sus «madres», los óvulos. Entonces, independientemente del ADN nuclear que herede la próxima generación de plantas, si su planta madre femenina tenía cloroplastos modificados, la próxima generación siempre heredará cloroplastos modificados.

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Luego, los investigadores buscan en la descendencia para encontrar plantas que no heredaron ADN nuclear editado, pero sí heredaron cloroplastos modificados. Estos miembros de la segunda generación de plantas y cualquiera de sus futuros descendientes pueden considerarse productos finales no transgénicos porque su ADN nuclear no contiene ninguna de las máquinas de ingeniería genética de los ptpTALECD.

Las definiciones legales varían, pero en términos generales, los países evalúan ya sea el producto final o el procedimiento usado cuando deciden etiquetar un organismo como OGM (transgénico). Según las definiciones de producto final utilizadas en Japón y EE. UU., las plantas producidas con esta técnica no son transgénicas. Sin embargo, las mismas plantas sí son transgénicas según las definiciones basadas en procesos que se utilizan en la Unión Europea.

Hasta ahora, el equipo de Arimura demostró que su sistema funciona editando tres genes de cloroplasto y observando los efectos esperados en las plantas descendientes.

El ADN del cloroplasto codifica menos del 1% del material genético total de una planta, pero tiene un efecto muy importante en la fotosíntesis y, por tanto, en la salud de la planta. Con suerte, este método será útil en la investigación fundamental y la agricultura aplicada”, dijo Arimura.

Los investigadores son optimistas de que el hecho de que ninguna de las herramientas de ingeniería genética sea heredada por las generaciones futuras y que el método solo realice mutaciones puntuales asegurará que el método se utilizará para generar mejores cultivos que sean aceptados por agricultores y consumidores.

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