Ingeniería metabólica y biología sintética como nuevos desafíos en la genética de plantas

Una mirada hacia la agricultura del futuro con las nuevas oportunidades que abren este tipo de tecnologías.

Al observar la historia de la agricultura, coincidiremos en que la domesticación de diferentes especies de plantas, la selección en base al fenotipo, la hibridación, las tecnologías asociadas a la Revolución Verde (maquinaria, fertilizantes, productos fitosanitarios, inoculantes, etc.) y, más recientemente, la agricultura de conservación, la agricultura de precisión y la ingeniería genética contribuyeron al logro de altos rendimientos y al desarrollo de los procesos agronómicos que hoy conocemos.

Producciones extensivas e intensivas, industriales, orgánicas y agroecológicas, evolucionaron de manera trascendente. Algunos de estos desarrollos, como los cultivos genéticamente modificados, han sido fuertemente cuestionados. Sin embargo, el área sembrada con estos cultivos fue creciendo hasta superar las 200 millones de hectáreas en 2016. Estos cultivos superan dos tercios de los cinco principales países productores: Estados Unidos, Brasil, Argentina, Canadá e India, lo que indica una fuerte adopción a pesar de las críticas.

¿Cuáles son, entonces, los nuevos desafíos que enfrenta la agricultura desde los aportes que puede hacer la genética de plantas? En lo inmediato, los próximos avances se vinculan con las resistencias de los cultivos al estrés abiótico (sequía, salinidad y temperaturas extremas) y en lo mediato, con la producción sustentable de alimentos más saludables y energías verdes. Luego, pensaríamos en otros desafíos mayores, como los productos de la ingeniería metabólica y la biología sintética.

Es cierto que la resistencia a sequía en los cultivos mayores (desafío inmediato) ya fue desarrollada después de más de 20 años de investigación e inversión (la tecnologías DroughtGard® en maíz, HB4 en soja, y entre otras) y que su impacto en el mercado aún no mostró el éxito que se esperaba. Esto se debe a varias limitaciones técnicas y de mercado. Los desafíos técnicos incluyen la dificultad para definir estrategias y logística de uso de los genes en los materiales comerciales, así como la desconexión entre las condiciones ambientales de ensayos en los campos de los agricultores y los entornos controlados en los que se evalúan los desarrollos. Las limitaciones del mercado incluyen la dificultad y los costos asociados para obtener acceso a los mercados de todo el mundo.

Los avances en la biología de la gestión hídrica de las plantas, revelan nuevas oportunidades para mejorar la respuesta de los cultivos al déficit hídrico, y las nuevas herramientas basadas en el genoma prometen marcar el comienzo de la próxima era de la mejora de los cultivos. A medida que la biotecnología busca mejorar la productividad de los cultivos en condiciones de sequía, las ventajas ambientales y de seguridad alimentaria influirán en la percepción pública y el debate se enfocará cada vez más hacia los beneficios (Nuccio y col., 2018).

En cuanto a los objetivos mediatos y de más largo plazo, no podemos olvidar que las plantas tienen la capacidad de usar la luz solar y el dióxido de carb ono atmosférico como sus únicas fuentes de energía y carbono para producir una amplia variedad de compuestos orgánicos. Por estas razones, existe un potencial formidable para que las plantas se utilicen como fábricas para la producción sostenible de una amplia variedad de compuestos “especiales”. Por ejemplo, a pesar del suministro limitado, el petróleo aún representa una materia prima importante para la industria moderna. Pouvreau y col. (2018), analizan que en 2007 se consumieron alrededor de 4 mil millones de toneladas de petróleo en todo el mundo, incluido el 97% de las reservas fósiles y sólo el 3% restante de las plantas, cuando las plantas producen más de 200 mil millones de toneladas de biomasa al año en todo el mundo.

Solo el 7% del carbono total fijado por las plantas cada año, es explotado por la agricultura y más de la mitad se fija en forma de polímeros insolubles, como celulosas o lignina, con un uso limitado para la industria o el consumo. Estas cifras apenas cambiaron con el tiempo e ilustran las considerables posibilidades de rediseñar la fisiología y el metabolismo de las plantas, y redirigir el flujo de carbono hacia productos más útiles y nuevos compuestos para materias primas y alimentos.

La disponibilidad de tierra cultivable se convirtió en un problema mundial, por lo que el desarrollo de nuevos productos para la agricultura tendrá que ir acompañado de un aumento significativo en el rendimiento. Para mantener el suministro de alimentos y reemplazar solo el 40% del aceite fósil utilizado por la petroquímica, las cosechas de aceite deberán triplicarse en los próximos veinte años y el rendimiento deberá aumentar en un 50%. Este ejemplo ilustra la realidad desafiante que enfrentará la agricultura en un futuro cercano (Pouvreau y col., 2018).

Estos mismos autores afirman que el campo de la ingeniería metabólica de las plantas surgió para responder a los desafíos agrícolas modernos. Resolver tales desafíos requiere la reingeniería y/o introducción en cultivos de vías mucho más complejas que la mayoría de los caracteres simples implementados hasta ahora por la ingeniería genética tradicional. La ingeniería metabólica se define más comúnmente como la modulación de una o más vías enzimáticas o redes genéticas con el fin de mejorar o implementar la producción de compuestos específicos en un organismo, productos menos convencionales para la agricultura, entre los que se destacan productos farmacéuticos, pesticidas y bioplásticos.

Además, la biología sintética potencia la capacidad de la ingeniería metabólica y ofrece nuevas promesas. La biología sintética propone diseñar y crear nuevas rutas biosintéticas complejas, partes o “entidades biológicas”. Hoy también es posible realizar una edición multiplexada del genoma, es decir, mutagenizar varios genes de una planta simultáneamente, modificando el proceso de una vía metabólica. Todo esto se facilita gracias a las modernas herramientas de ensamblaje del ADN.

Al establecer un consenso sobre el uso e intercambio de estas herramientas, los biotecnólogos de las plantas están encontrando códigos de programación de bajo nivel para la biología sintética de las plantas, que contribuyen a proyectos aún más ambiciosos, como la creación de plantas con mayor tolerancia al estrés, el arroz o trigo con sistemas fotosintéticos más eficientes, o cereales con la capacidad de fijar nitrógeno (Vazquez-Vilar y col., 2018). Este campo de la biología sintética aún está en su infancia dentro de la comunidad científica de plantas, pero estudios recientes de pruebas de concepto demostraron que es posible la distribución de circuitos genéticos sintéticos en las plantas, lo que permitirá acelerar en gran medida el mejoramiento de los cultivos con fines muy específicos (Pouvreau y col., 2018).

Con estas tecnologías de ingeniería metabólica y biología sintética, parte de los desarrollos nacen con el descubrimiento de genes o con el conocimiento de las vías metabólicas a modificar en las plantas. Este aspecto abre la oportunidad a la generación de empresas innovadoras que ejecuten estos desafíos.

Skraly y colaboradores (2018), observan justamente desde una posición de empresa innovadora o start up cómo realizar un desarrollo para generar un producto a partir de los conceptos vertidos en el párrafo anterior; es decir, cómo generar una variedad a través de la ingeniería metabólica o la biología sintética. Destacan los esfuerzos para incorporar un enfoque de ingeniería metabólica basada en sistemas, por ejemplo, en un programa de descubrimiento de genes y desarrollo de variedades comerciales, en el que utilizan los rasgos de rendimiento de cultivos. Una vez que se identificó un prospecto de genes interesantes, la elección de los métodos para la ingeniería de estos genes aplicados al desarrollo de líneas comerciales puede tener un gran impacto en los plazos y costos de comercialización.

REFERENCIAS

• Nuccio ML, Paul M, Bate NJ, Cohn J, Cutler SR. 2018. Where are the drought tolerant crops? An assessment of more than two decades of plant biotechnology effort in crop improvement. Plant Science, 273: 110-119

• Pouvreau B, Vanhercke T, Singh S. 2018. From plant metabolic engineering to plant synthetic biology: The evolution of the design/build/test/learn cycle. Plant Science, 273: 3-12

• Skraly FA, Ambavaram MMR, Peoples O, Snell KD. 2018. Metabolic engineering to increase crop yield: From concept to execution. Plant Science, 273: 23-32

• Vazquez-Vilar M, Orzaez D, Patron N. 2018. DNA assembly standards: Setting the low-level programming code for plant biotechnology. Plant Science, 273: 33–41.

� Encontrá este y otros articulos en la Biblioteca Digital Aapresid.

Información exclusiva para socios