Un nuevo enfoque puede añadir diversidad a las especies cultivadas sin necesidad de crear OMG
La técnica genética edita todos los cloroplastos de una planta, pero no cambia el ADN nuclear de la descendencia
La mejora de los cultivos mediante ingeniería genética es posible desde hace décadas, pero el uso de plantas modificadas genéticamente se ha visto limitado por problemas técnicos y controversias populares. Un nuevo enfoque resuelve potencialmente ambos problemas modificando las partes productoras de energía de las células vegetales y eliminando después la herramienta de edición del ADN para que no pueda ser heredada por futuras semillas. La técnica se ha demostrado recientemente mediante experimentos de prueba de concepto publicados en la revista Nature Plants por genetistas de la Universidad de Tokio.
Representación artística del proyecto de investigación para editar el ADN del cloroplasto de las plantas
Image by Hiroko Uchida CC BY-SA 4.0, http://uchidahiroko.com/works-s.html
"Ahora tenemos una forma de modificar los genes de los cloroplastos específicamente y medir su potencial para hacer una buena planta", dijo el profesor asociado Shin-ichi Arimura, que dirige el grupo que realizó la investigación.
Los cloroplastos, las partes de las células vegetales que convierten el dióxido de carbono y la luz solar en azúcar, poseen su propio ADN circular, formado por el mismo código ATGC que el ADN de doble hélice del núcleo de la célula. Sin embargo, el ADN de los cloroplastos se mantiene y hereda de forma completamente independiente del ADN nuclear. Cada célula puede contener múltiples cloroplastos, cada uno con muchas copias idénticas del ADN del cloroplasto. Para que la edición del genoma tenga un efecto notable que pueda ser heredado por la descendencia de la planta, es necesario realizar el mismo cambio en cada copia del ADN del cloroplasto.
En los años 90, los expertos inventaron una técnica para insertar nuevos fragmentos de ADN en los genomas de los cloroplastos, pero también inserta etiquetas o marcadores genéticos adicionales.
El objetivo de Arimura y sus colegas es realizar modificaciones uniformes y heredables sólo en partes específicas del ADN del cloroplasto, sin dejar herramientas de edición del genoma ni alterar permanentemente el ADN nuclear. Empezaron con una herramienta existente conocida como TALENs. Los TALEN originales utilizan una gran proteína que reconoce secuencias cortas de ADN 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 del ADN pueden personalizarse y la enzima de corte del ADN puede sustituirse por una enzima que cambia los pares GC del código del ADN por pares AT.
Estos cambios de GC a AT son sutiles: sólo cambian un punto del código de ADN por otro, en lugar de insertar o eliminar genes enteros. Sin embargo, las mutaciones puntuales pueden tener efectos importantes dependiendo de su ubicación.
El equipo de Arimura combinó estas mejoras de TALEN y añadió un componente adicional de "orientación al cloroplasto", llamando a su versión final ptpTALECDs. Para cada edición del genoma que los investigadores querían hacer, necesitaban construir un par de ptpTALECDs a la izquierda y a la derecha en las bacterias. El proceso de diseño es complicado porque los pares de proteínas TALENs de gran tamaño y las señales que apuntan al cloroplasto deben expresarse simultáneamente como una sola unidad a partir del ADN nuclear.
"Construir los ptpTALECDs fue un proceso extremadamente laborioso, pero contamos con un estudiante de máster muy dedicado que hizo casi todo el trabajo, Issei Nakazato", dijo Arimura. Nakazato es el primer autor de la publicación de la investigación.
Tras diseñar la secuencia de ADN del ptpTALECDs, los investigadores la insertaron en plantas de Arabidopsis thaliana, una especie de berro común en los laboratorios de investigación. Los investigadores de la UTokyo confían en que, una vez construidos, los ptpTALECDs puedan insertarse en muchas especies de cultivos, ya que esa parte del proceso es un procedimiento sencillo y estándar en los laboratorios de agricultura y botánica.
Los ptpTALECDs entran en el núcleo de las plantas y luego las células producen ptpTALECDs de la misma manera que producen cualquier otra proteína. La secuencia de orientación al cloroplasto garantiza que las proteínas ptpTALECD terminadas salgan del núcleo y lleguen a los cloroplastos, donde se espera que editen el genoma de todos los cloroplastos que encuentren.
Esta primera generación de plantas se considera un organismo modificado genéticamente (OMG) porque su ADN nuclear ha sido alterado permanentemente para contener la secuencia ptpTALECD.
Cuando estas plantas modificadas genéticamente se reproducen consigo mismas mediante autofecundación o con plantas no modificadas (de tipo salvaje), la siguiente 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 no.
Sin embargo, las plantas siempre heredan sus cloroplastos enteros e intactos a través de sus "madres", los óvulos. Así que, independientemente del ADN nuclear que herede la siguiente generación de plantas, si su planta madre femenina tenía cloroplastos modificados, la siguiente generación siempre heredará cloroplastos modificados.
Los investigadores buscan entonces en la descendencia plantas que no hayan heredado el ADN nuclear editado, pero sí los 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 el producto final o el proceso cuando deciden etiquetar un organismo como OGM. Según las definiciones de producto final utilizadas en Japón y Estados Unidos, las plantas producidas con esta técnica no son OMG. Sin embargo, las mismas plantas son OGM según las definiciones basadas en el proceso utilizadas en la Unión Europea.
Hasta ahora, el equipo de Arimura ha demostrado que su sistema funciona editando tres genes del 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. Esperemos que este método sea útil en la investigación fundamental y en la agricultura aplicada", dijo Arimura.
Los investigadores son optimistas y creen que el hecho de que ninguna de las herramientas de ingeniería genética sea heredada por las generaciones futuras y que el método sólo realice mutaciones puntuales garantizará que el método se utilice para obtener mejores cultivos que sean aceptados por los agricultores y los consumidores.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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