Biología sintética y su rol en la agricultura

La biología sintética (BS) es un área de investigación multidisciplinaria y novedosa que despierta considerable atención académica debido a sus numerosas aplicaciones potenciales en diferentes campos de interés social, entre ellos, la medicina, la ciencia de materiales y la agricultura. Al igual que otras tecnologías emergentes, no existe una definición clara sobre ella. La Comisión Europea define a la BS como la aplicación “del paradigma de ingeniería del diseño de sistemas biológicos predecibles y robustos con funcionalidades novedosas que no existen en la naturaleza". La Real Academia de Ingeniería sostiene que la BS implica "el diseño y la construcción de nuevas vías biológicas artificiales, organismos y dispositivos, o el rediseño de los sistemas biológicos naturales existentes".

Alternativamente, la BS se puede describir como "el diseño y la construcción de nuevas partes, dispositivos y sistemas biológicos, y el rediseño de sistemas biológicos naturales existentes para fines útiles". Todas las definiciones abarcan la noción de que las aplicaciones de la BS implican la creación de nuevos sistemas vivos a través de la síntesis y el ensamblaje de componentes artificiales y/o naturales (Jin y col., 2019).

Indudablemente la BS es una de las disciplinas que marcarán hitos claves en los desarrollos vinculados a la producción agrícola en el futuro y por eso merece una atención especial. En un artículo de revisión, Roell y Zurbriggen (2020) discuten las aplicaciones y el potencial de los enfoques de la BS para mejorar la productividad agrícola, la calidad de los alimentos y la producción, idealmente para lograr sistemas sustentables y rentables. En particular, enfocan las estrategias para cuatro objetivos:

Desarrollar rutas metabólicas sintéticas para mejorar la fijación de CO2 y la conservación del carbono (lo que implica aumentar la eficiencia fotosintética). Asimismo, esto conduce a un aumento de la biomasa de las plantas con recursos que luego se traducen en rendimiento de los cultivos. El mismo enfoque propone la modificación de rutas metabólicas vinculadas a una reducción de la pérdida de CO2 por respiración y fotorrespiración.

Reducir el uso de fertilizantes naturales y sintéticos en la agricultura mediante la ingeniería de fijación de nitrógeno en plantas de cultivo y la construcción de consorcios de microbiomas de plantas sintéticas. Los esfuerzos prometedores para reducir la fertilización nitrogenada implican estrategias complejas de BS para la ingeniería de una nitrogenasa en las plantas, o para establecer una fijación simbiótica de nitrógeno en los principales cultivos (como funcionan en las leguminosas). La implementación de una enzima nitrogenasa funcional de múltiples subunidades es un desafío debido a la gran cantidad de genes involucrados, la sensibilidad de la enzima al oxígeno y la dependencia de cofactores metálicos de hierro y molibdeno requeridos por la misma. Para lograr la separación espacio-temporal de la fotosíntesis y la fijación de N2, se sugiere la mitocondria celular como el compartimento objetivo adecuado para implementar una nitrogenasa especial. Sin embargo, aún queda por analizar cómo lograr la focalización mitocondrial correcta, la funcionalidad de las subunidades de nitrogenasa y el ensamblaje del clúster metálico de nitrogenasa. Esto significa que continúa siendo un desafío y una promesa aún incumplida.

La implementación de microbiomas sintéticos depende de fitohormonas (como las estrigolactonas) que juegan un papel esencial en la mediación de la simbiosis con micorrizas y bacterias fijadoras de nitrógeno. La ingeniería de la secreción de estrigolactona dirigida y regulada, o la producción y liberación de metabolitos capaces de reclutar microorganismos útiles para la nutrición de las plantas podría representar una estrategia simple hacia una mejor nutrición de los cultivos. Sobre estos objetivos, DeLisi (2019) enfatiza en el rol de la BS en la mitigación del cambio climático a través de la remoción del CO2 atmosférico por las plantas, como una consecuencia de una mayor eficiencia fotosintética y un mejor uso de nutrientes.

Esta tecnología apunta al diseño y construcción de nuevos componentes, dispositivos y sistemas biológicos que no existen en el mundo natural. Un análisis de su impacto en la producción agrícola.

Aumentar el valor nutricional de las plantas de cultivo es otro de los aportes que puede hacer la BS. Un desarrollo conocido es el del “arroz dorado” (enriquecido en provitamina A) o la modificación de los aceites de los cultivos oleaginosos hacia productos más saludables (generados por transgénesis). Sin embargo, otros enfoques dirigen esfuerzos de ingeniería para reducir el contenido de glucósidos cianogénicos por silenciamiento de genes del citocromo P450 (mediante estrategia de ARNi), que codifican las primeras enzimas de esta vía metabólica. Por ejemplo, Stevia rebaudiana es una fuente de glucósidos de esteviol que llamó la atención a la industria alimentaria como edulcorante natural. Otro objetivo es el silenciamiento de genes codificantes de proteínas con propiedades alergénicas en los alimentos.

Usar organismos fotoautotróficos como plataformas de producción de compuestos comercialmente interesantes. Un ejemplo de estos productos de la bioeconomía son los biocombustibles, debido a su bajo costo y producción de biomasa altamente escalable. Esta área de la bioenergía cobra una particular importancia por su característica de renovabilidad.

Los biosensores (sensores codificados genéticamente) son un campo potencialmente transformador de la BS para la agricultura. Un biosensor se refiere a un elemento codificado genéticamente, como un promotor o una proteína, que puede reaccionar a estímulos exógenos y crear una salida mediante la expresión de un gen. El concepto de biosensor más relevante para la agricultura es el de “centinela de la planta”, una planta completa modificada para detectar y señalar la presencia de un componente específico en su entorno inmediato. Al codificar una ruta de transducción de señal sintética con un receptor modular, por ejemplo, las plantas se pueden programar para responder a una amplia variedad de contaminantes ambientales, escasez de nutrientes, estreses abióticos y otros factores ambientales (Goold y col., 2018).

Pixley y col. (2019) avanzan un poco más en el concepto de la BS y plantean como avances de ésta el diseño, construcción e instalación de un genoma sintético en las plantas (o incluso un cromosoma o subgenoma) para conferir resistencia a las plagas o para otros usos prácticos en la agricultura. Los autores señalan que las mismas tienen una precedencia natural cuando, en forma de virus, se agrega información en los genomas vegetales. Es decir, saben escribir grandes cantidades de ADN no propio.

El subgenoma más adecuado en las plantas para la ingeniería sintética es el genoma de los plastidios. La lista en expansión de plantas de cultivo con plastidios diseñados actualmente incluye soja, lechuga y papa. El reino vegetal sabe cómo producir más de 21.000 alcaloides diferentes, incluidos aquellos con propiedades pesticidas (biopesticidas). Si bien tecnológicamente aún es un desafío, debería ser factible identificar los genes claves en las rutas metabólicas por las que las plantas producen compuestos fungicidas. También debería ser factible transferir estos genes a un cultivo en el que se expresaran de manera inducible tras una infección por hongos.

Un segundo ejemplo, aún más futurista y transformador, es la producción e instalación de un genoma de cloroplasto sintético, un “sinplastoma”, para una amplia resistencia a las plagas. Aunque el primer sinplastoma está a punto de completarse, todavía no se conoce lo difícil que será instalar y mantenerlo en las plantas como reemplazo del plastoma nativo. Si esto tiene éxito, podría permitir la ingeniería metabólica a gran escala dentro del plastidio mismo (Pixley y col., 2019).

Los ejemplos mencionados demuestran que la biología sintética es una tecnología disruptiva, con un gran potencial en la oferta de soluciones para abordar los principales desafíos mundiales vinculados con la agricultura. No obstante, también existen preocupaciones éticas y asociadas con el riesgo, donde las personas generalmente exhiben una percepción negativa. En este aspecto, las políticas relacionadas con los sistemas regulatorios deben cumplir un rol fundamental para garantizar sistemas productivos que garanticen la sustentabilidad.

...la BS se puede describir como "el diseño y la construcción de nuevas partes, dispositivos y sistemas biológicos, y el rediseño de sistemas biológicos naturales existentes para fines útiles".

REFERENCIAS

• DeLisi C. (2019). The role of synthetic biology in climate change mitigation. Biology Direct, 14: 14, pp 1-5.

• Goold HD, Wright P and Hailstones D. (2018). Emerging Opportunities for Synthetic Biology in Agriculture. Genes, 9: 341, pp 1-17.

• Jin S, Clark B, Kuznesof S, Lin X, Frewer LJ. (2019.) Synthetic biology applied in the agrifood sector: Public perceptions, attitudes and implications for future studies, Trends in Food Science & Technology 91: 454–466.

• Pixley KV, Falck-Zepeda JB, Giller KE, Glenna LL, Gould F, Mallory-Smith CA, Stelly DM, and Stewart Jr CN. (2019). Genome Editing, Gene Drives, and Synthetic Biology: Will They Contribute to Disease-Resistant Crops, and Who Will Benefit?. Annu. Rev. Phytopathol, 57:165–88.

• Roell MS and Zurbriggen MD. (2020). The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition. Current Opinion in Biotechnology, 61: 102-109.

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