Ahora, en su segunda década, la tecnología de edición del genoma CRISPR se está utilizando para revolucionar la agricultura, justo a tiempo para ayudarnos a adaptarnos al cambio climático. Cereales más productivos, árboles más sostenibles, ensaladas y berries más saludables y cómodos para el consumidor son algunos de los avances en curso.
Genetic Engineering & Biotechnology News / 3 de junio, 2022.- Ha pasado una década desde que se publicó en Science el histórico paper de Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier que describía su investigación, ganadora del Premio Nobel. La investigación, por supuesto, versaba sobre las «tijeras genéticas» conocidas como CRISPR. En los últimos 10 años, muchos investigadores han introducido versiones mejoradas de estas tijeras y se han explorado muchas aplicaciones de corte de genes. Hasta la fecha, las aplicaciones más destacadas han sido las médicas, como las terapias destinadas a tratar a pacientes con anemia falciforme.
Pero CRISPR está a punto de tener un impacto aún más amplio en el mundo. Lejos de limitarse a modificar los genomas de las células humanas, CRISPR es muy capaz de modificar los genomas de las células vegetales. De hecho, como explicó Doudna en una reciente entrevista en el podcast de Babbage, las primeras aplicaciones prácticas de CRISPR que acapararán la atención del público serán en la alimentación y la agricultura. Según ella, «las aplicaciones más impactantes de CRISPR, para muchos de nosotros, van a estar en el sector agrícola, al menos a corto plazo«.
¿En qué se diferencia la mejora de los rasgos de las plantas con la tecnología CRISPR de hacerlo con los métodos convencionales de mutagénesis genética utilizados en el cultivo de plantas? «Añade precisión a la caja de herramientas», dice Doudna. El cultivo de plantas con mutágenos químicos, por ejemplo, se basa exclusivamente en la introducción de cambios aleatorios en el ADN de las plantas. Además, es difícil realizar múltiples cambios en una planta al mismo tiempo, lo que implica múltiples rondas de manipulación, cada una de las cuales aumenta el riesgo de que se produzcan cambios no deseados. La tecnología CRISPR elimina esa aleatoriedad, ofreciendo alteraciones precisas en secuencias específicas de ADN, ya sea de una en una o con múltiples cambios en un solo experimento.
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CRISPR y trigo
Después de investigar el trigo durante dos décadas, la doctora Catherine Feuillet, directora general de Inari Agriculture, es muy consciente de que la investigación en genética vegetal puede avanzar lentamente. Al principio de su carrera, pasó una década aislando un único gen del trigo.
A pesar de conocer el valor de la paciencia, también reconoce cuándo el tiempo es esencial. Ese momento es ahora: El mundo de la agricultura tiene que hacerlo mejor que en el pasado si quiere resolver un problema extremadamente complejo: alimentar a más personas al tiempo que se enfrenta a unas limitaciones de recursos cada vez más graves. La agricultura ha aumentado la producción, pero a costa del medio ambiente. «No podemos seguir con esta tendencia», afirma Feuillet. «El cambio climático ya está aquí. Pero no podemos comprometer el rendimiento porque tenemos que alimentar a más gente«.
Feuillet imparte tres verdades urgentes: No tenemos elección. Tenemos que ser rápidos. Tenemos que ser eficientes. La buena noticia, dice, es que la revolución tecnológica actual puede, por primera vez, abordar estos retos.
El Inari lleva a cabo la edición del genoma de soja, el maíz y el trigo, los tres cultivos que más alimentan al mundo y que más afectan al medio ambiente. De hecho, Feuillet afirma que Inari es la única empresa que trabaja en la edición del genoma de estos cultivos. «Somos los más audaces», afirma.
Inari no se centra en mejorar el sabor u otros rasgos para el consumidor. La misión es impactar en la agricultura. Se trata de la sostenibilidad. Feuillet está en este negocio porque millones de personas pasan hambre y quiere ayudar a la agricultura a resolver los problemas que le impiden alimentar al mundo.
Para ello, Inari se centra en el rendimiento y la eficiencia de recursos como el agua y el nitrógeno. «No buscamos estos rasgos porque sea fácil hacerlo», insiste. «Vamos detrás de estos rasgos porque es necesario hacerlo».
Inari utiliza su plataforma tecnológica SEEDesign, que, según explica Ponsi Trivisvavet, director general de Inari, combina el diseño predictivo con la edición avanzada de genes multiplex para liberar todo el potencial de las semillas para un sistema alimentario más sostenible. Inari dispone de herramientas CRISPR para cortar el ADN, ajustar los promotores e insertar potenciadores. La empresa también cuenta con una tecnología desarrollada internamente para sustituir aminoácidos (mediante una tecnología propia de edición de bases).
Los investigadores de Inari están utilizando la inteligencia artificial (IA) para pasar de los enfoques de cultivo de plantas por ensayo y error a un enfoque de diseño predictivo. «Es posible utilizar el aprendizaje automático para acelerar drásticamente los procesos de cultivo y edición», explica Rania Khalaf, doctora y directora de información y datos de Inari. «[Estamos] ejecutando modelos informáticos de ensayos que, de otro modo, serían imposibles debido al enorme número de combinaciones posibles».
Todo el mundo puede hacer cambios en un genoma, observa Feuillet. Pero nadie sabe realmente qué cambios son necesarios. Mejorar la biología de una planta es más complicado que simplemente suprimir genes. Feuillet quiere modificar múltiples secuencias, pero no a través del antiguo fitomejoramiento, que tarda 15 años y es ciego a los genes específicos implicados. En su lugar, quiere utilizar CRISPR, que puede actuar sobre objetivos seleccionados y obtener resultados en sólo dos años.
Antes de incorporarse a Inari, Feuillet era directora de investigación de rasgos en Bayer Crop Science. ¿Por qué se unió a Inari? Descubrió que innovar en una empresa grande y establecida puede ser difícil. En Bayer, pasó dos años intentando convencer a la empresa de que prestara más atención a la edición de genes. Pero la tecnología se consideraba demasiado audaz y arriesgada. (Irónicamente, Bayer ahora se asocia con Pairwise, una empresa centrada en la edición genética de plantas de cultivo, e invierte mucho en ella).
Si Feuillet se hubiera quedado en Bayer, habría podido iniciar un proyecto piloto con algunos científicos. En Inari, forma parte de un equipo de 200 personas que se dedica a hacer realidad la promesa de la edición genética en la agricultura. «Llevará tiempo y será difícil», señala Feuillet. «Pero estamos en camino».
Trivisvavet afirma que pronto habrá pruebas tangibles de que Inari está en camino. Dice que la empresa pondrá a disposición de los agricultores estadounidenses sus semillas de soja y maíz editadas por multiplexación en los próximos dos años. Estas semillas incorporarán ediciones diseñadas para aumentar el rendimiento de los cultivos y permitir una reducción de los recursos gastados por fanega.
Papel en base a CRISPR
«Todo el mundo y su madre» pueden poner en marcha empresas para la terapéutica basada en la edición del genoma, afirma el doctor Rodolphe Barrangou, profesor del Departamento de Ciencias de la Alimentación, Bioprocesamiento y Nutrición de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU) y editor jefe de The CRISPR Journal. Es de suponer que crear empresas de edición del genoma para otros fines es mucho más difícil. Barrangou debería saberlo. Además de ser profesor y editor, es el director general de TreeCo, una empresa que utiliza la tecnología CRISPR para mejorar los árboles para la industria forestal y el medio ambiente.
Sin dejarse intimidar por los singulares retos que supone dirigir una empresa de agrobiotecnología, Barrangou trabaja para hacer realidad las implicaciones de un «momento eureka» que tuvo hace tres años. Se dio cuenta de que podía hacer frente al cambio climático utilizando la edición del genoma CRISPR y los árboles sostenibles.
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Barrangou calcula que entre 10.000 y 100.000 personas se beneficiarán de una terapia genética CRISPR en la próxima década. Muchas más personas se beneficiarán de los cultivos y el ganado editados con CRISPR. Y aún más personas -todas las que viven en la Tierra hoy y en el futuro- se beneficiarán de los árboles CRISPR.
Barrangou resume su pensamiento de la siguiente manera: «Si vamos a resolver grandes problemas, necesitamos grandes soluciones. Nuestro mayor problema es el cambio climático. Y la mayor solución es CRISPR. Ninguna otra tecnología tiene tanto potencial para desarrollar árboles más sostenibles y promover bosques sostenibles. Para hacer frente al cambio climático, debemos centrarnos en los árboles».
Después de su momento eureka, Barrangou empezó a reunir el equipo y las herramientas para iniciar este trabajo. En ese momento, sólo había un problema: Barrangou, microbiólogo de formación, no sabía nada de árboles.
La ayuda vino de uno de sus colegas, el doctor Jack Wang, profesor adjunto de silvicultura y recursos ambientales y director del Programa de Biotecnología Forestal de la NCSU. Wang había estado trabajando en la aplicación de CRISPR a la silvicultura como ejercicio académico, pero fue el espíritu emprendedor de Barrangou el que convenció a Wang para que fuera el CSO de TreeCo.
La industria forestal (que fabrica productos de madera como pasta, papel, madera, cartón y papel higiénico) tiene el mismo tamaño que la industria del automóvil. Sin embargo, ser grande no es lo mismo que ser tecnológicamente avanzado. Según Barrangou, la industria forestal lleva «unos 20 años de retraso en el uso y aprovechamiento de la biología molecular».
Barrangou espera que cuando la industria forestal adopte CRISPR, los árboles se mejoraran unas 10 veces más rápido. Además, la industria mejorará la biodiversidad, aumentará la resistencia, diseñará el contenido de fibra, mejorará la eficiencia, reducirá el uso del agua y mejorará la resistencia a las plagas y el rendimiento. Apenas hay límites a lo que CRISPR puede hacer para crear bosques más sostenibles y sanos. «Nos vamos a quedar sin recursos antes de que se nos acaben las ideas», señala Barrangou.
¿Qué rasgos persigue TreeCo? La sostenibilidad de la fibra es uno de ellos. Cuando se utiliza la edición para variar los enlaces químicos y la composición general de la madera, el procesamiento de los bioproductos puede ser más fácil y menos intensivo en energía, la productividad de la fibra puede aumentar y la huella de carbono puede reducirse.
TreeCo también pretende que los árboles sean más aptos para la producción de bioenergía. En la actualidad, los biocombustibles y el bioetanol proceden del azúcar y el maíz. Pero TreeCo quiere proporcionar una fuente de biocombustible distinta de los cultivos alimentarios, para que las necesidades de tierra de la industria de los biocombustibles no se satisfagan a costa de la agricultura.
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TreeCo también trabaja para mejorar la salud y la resistencia de los bosques asegurándose de que los árboles sean resistentes a nivel genético. Este enfoque tiene mérito porque los árboles viven durante décadas y tienen dificultades para adaptarse a los rápidos cambios del entorno. Un ejemplo de cómo TreeCo está adoptando este enfoque es el desarrollo de árboles de cicuta resistentes al adelgazamiento de la cicuta (HWA), un insecto invasor y una plaga notoria. «A menos que utilicemos una tecnología transformadora como CRISPR», advierte Wang, «hay opciones limitadas para abordar estos problemas en la silvicultura».
Este campo ha trabajado durante mucho tiempo en ciencia fundamental con muy poco impacto en el mundo real. Esto preocupa a Wang, dados los problemas a los que se enfrentan los bosques en la actualidad. La empresa, dice, está dando su «primer paso fuera de la investigación fundamental y básica».
En la actualidad, TreeCo cultiva árboles editados con CRISPR a gran velocidad y a gran escala en un invernadero situado a poca distancia de la oficina de Barrangou en el campus de la NCSU. La empresa tiene incluso papel CRISPR. Pero será un proceso lento. La silvicultura es un reto a escala. Algunos de los proyectos en los que Barrangou y Wang han estado trabajando durante los últimos tres años no se comercializarán completamente a escala hasta alrededor de 2046.
Aun así, Barrangou tiene la paciencia y el compromiso necesarios para llevar a cabo este experimento que durará décadas. «Si no lo hago yo», proclama, «¡nadie lo va a hacer!».
Berries mejorados con CRISPR
Es fortuito que Ryan Rapp, de 14 años, tuviera una ruta de papel que resultó ser poco lucrativa. Encontró un sueldo mayor recogiendo verduras para el puesto agrícola local en la pequeña ciudad de Mendon, MA. No sabía que su nuevo trabajo sentaría las bases de su carrera. Los veranos que pasó trabajando en el mercado agrícola le llevaron a trabajar en un invernadero más grande de la ciudad, lo que le inspiró a estudiar botánica en la universidad.
Siguiendo su camino, se doctoró en la Universidad Estatal de Iowa y luego consiguió puestos en la industria en Monsanto e Illumina. Hoy es el director de tecnología de Pairwise, una empresa que utiliza la edición del genoma para mejorar las frutas y verduras.
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Cuando Pairwise empezó a funcionar hace cuatro años, señala Rapp, tenía la tecnología que necesitaba, incluidas las licencias de edición de bases del doctor David Liu, investigador del Instituto Broad y la Universidad de Harvard. Lo que la empresa no tenía era espacio de laboratorio, personal, secuencias genómicas de plantas, etc.
Pairwise puso rápidamente en orden sus asuntos y ahora tiene un producto preparado para entrar en el mercado. Ese producto son las hojas de mostaza. Estas verduras de hoja verde tienen más valor nutritivo que la col rizada o las espinacas, pero tienen un sabor picante parecido al del wasabi. Para mejorar su sabor, los científicos de Pairwise eliminaron partes de la vía bioquímica que crea ese compuesto picante, pero dejando los beneficios para la salud.
En la reunión Future Food de San Francisco, Pairwise acaba de lanzar una nueva marca -Conscious Foods- para comercializar sus hojas de mostaza, que se llamarán Conscious Greens. Según el doctor Tom Adams, director general de Pairwise, la empresa está preparando el lanzamiento de Conscious Greens para el próximo año. Las verduras son el primero de los 14 cultivos diferentes que Pairwise tiene previsto introducir.
Otro alimento son las moras. Adams cuenta a GEN que cuando Pairwise encuestó a personas que comen moras, el 85% dijo que lo que menos les gusta son las semillas. Así que, dice, «estamos eliminando las semillas».
Dependiendo de cómo se cultiven, las moras pueden tardar entre 9 y 12 meses en producir su primera cosecha. Pairwise ha editado plantas que pueden florecer en seis semanas. La empresa también está eliminando las espinas. La idea es mejorar la seguridad de los trabajadores y acelerar simultáneamente el proceso de recolección. Adams estima que aún faltan algunos años para que este producto llegue a las estanterías de los supermercados.
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Pairwise, que se basa principalmente en Cas12, mantiene un programa interno para desarrollar nuevas herramientas de edición. Rapp cree que tanto la edición CRISPR como la edición de precisión de bases tienen su lugar en el trabajo de la empresa.
Rapp considera que su experiencia con los organismos genéticamente modificados (OGMs o transgénicos) en Monsanto es un factor que influye en su trabajo en Pairwise. Con los transgenes de Monsanto, explica, los agricultores vieron el valor, y muchas tecnologías se aplicaron en beneficio del agricultor. En cambio, los consumidores no veían el valor. Ahora, con los productos de Pairwise, el consumidor puede ver el valor. Tienen la oportunidad de obtener algo que no pueden tener sin la edición genética. Todo será transparente y los consumidores podrán elegir con conocimiento de causa.
El tiempo dirá cómo reaccionan los consumidores a los berries CRISPR. Todo este campo, señala Rapp, es un experimento.