Mayor precisión y menos regulado que la tecnología tradicional de plantas transgénicas, CRISPR da al mundo agrobiotecnológico una mano más libre para mejorar la salud humana y el medio ambiente.
Genetic Engineering and Biotechnology News .- Desde su introducción en 2012, la tecnología de ingeniería genética basada en CRISPR ha transformado la biotecnología y ha abierto nuevas posibilidades en biomedicina. Actualmente, CRISPR está impulsando el desarrollo en otro dominio más: la agricultura. Aunque CRISPR ha tardado más en realizar aplicaciones agrícolas que las aplicaciones biotecnológicas y biomédicas, está listo para ayudarnos a enfrentar una variedad de desafíos agrícolas que incluyen una población en expansión, un clima que se cambia rápidamente y una oferta cada vez menor de tierra cultivable.
Casi una década después del estudio histórico de Charpentier y Doudna que demostró que los sistemas CRISPR podían programarse para la escisión de ADN dirigida in vitro (Jinek et al. Science 2012; 337 (6096), 816–821), los científicos han comenzado a hacer un buen uso de los sistemas CRISPR en biotecnología agrícola (agrobiotecnología). De hecho, el primer producto agrícola editado genéticamente ya ha salido al mercado en Japón. Este producto es un tomate llamado Sicilian Rouge High GABA. Fue diseñado por Sanatech Seed y está destinado a ayudar a los consumidores a controlar la presión arterial (evitando la hipertensión). Si este producto funciona bien, puede alentar a otras empresas de biotecnología agrícola a desarrollar sus propios programas de edición del genoma con CRISPR.
CRISPR tiene ventajas tanto prácticas como reglamentarias sobre los métodos tradicionales de mejoramiento y modificación genética. En consecuencia, CRISPR se ve cada vez más atractivo para las empresas de biotecnología agrícola que esperan diseñar productos que puedan mejorar la salud humana y el medio ambiente.
Mejora de la variabilidad genética
Las tecnologías CRISPR-Cas9 pueden ayudar a los desarrolladores de productos a realizar tareas que difícilmente se podrían lograr o simplemente excederían las capacidades de las tecnologías tradicionales de fitomejoramiento. Por ejemplo, las tecnologías CRISPR-Cas9 se destacan cuando los desarrolladores de productos necesitan mejorar la variabilidad genética.
«Se trata de variabilidad genética», afirma Sam Eathington, PhD, director de tecnología de Corteva Agriscience, una de las cuatro grandes empresas de semillas. “En algunos cultivos, no tenemos tanta variabilidad como nos gustaría. Hay momentos en que la variabilidad está bloqueada en partes del genoma que simplemente no se pueden desbloquear fácilmente. O traes un gen para mejorar la resistencia a enfermedades de una especie silvestre que puede intercomunicarse, pero traes un montón de cosas que son perjudiciales». CRISPR puede superar esos obstáculos, acceder a esa variabilidad y eliminar el equipaje no deseado.
Corteva se formó en 2019 a partir de entidades (DuPont Crop Protection, DuPont Pioneer y Dow AgroSciences) que habían formado parte de DowDupont. (Lo que quedaba de DowDupont ahora es simplemente Dupont). Hoy, Corteva mantiene las capacidades de fitomejoramiento, biotecnología y química heredadas de DowDupont, y usa estas capacidades para desarrollar productos con características mejoradas como perfiles de aceite, composición de aminoácidos o resistencia a enfermedades.
Un desafío clave al que se enfrenta Corteva (y otras empresas) es un entorno regulatorio incierto. En los Estados Unidos, se instituyeron regulaciones en 2020 que alivian las restricciones sobre la ingeniería genética de cultivos alimentarios. Las nuevas regulaciones apuntan a los rasgos (o características mejoradas) más que a la tecnología utilizada para crearlos. Algunas plantas editadas genéticamente están completamente exentas de regulación. Específicamente, las plantas no están sujetas a regulación si los cambios realizados en sus genomas podrían haber sido creados únicamente mediante el mejoramiento tradicional.
Por el contrario, en 2018, Europa impuso las mismas regulaciones sobre cultivos editados genéticamente que han restringido los OGMs convencionales (o cultivos transgénicos) desde 2001. Sin embargo, en abril pasado, la Comisión Europea publicó un estudio que podría conducir a una flexibilización de las restricciones sobre cultivos modificados genéticamente. El informe encuentra que las herramientas CRISPR son compatibles con las iniciativas europeas de sostenibilidad de cultivos existentes, y que las regulaciones de 2001 que rigen los OGMs no son adecuadas para abordar las nuevas tecnologías de edición del genoma.
Este informe genera esperanzas de que la Unión Europea, al igual que los Estados Unidos, adopte una política que considere que la mayoría de la tecnología de edición de genes para plantas es equivalente a la tecnología de fitomejoramiento tradicional. Esta transición, sin embargo, podría llevar un par de años, según Eathington, quien indica que mientras tanto, el progreso en las aplicaciones agrícolas de la tecnología de edición genética se ha ralentizado en todo el mundo porque Europa, que importa grandes cantidades de cereales del exterior, rechaza los alimentos y alimento que ha sido producido por organismos genéticamente modificados (OGM).
“Podemos jugar dentro del proceso una vez que entendamos el proceso”, comenta Eathington. «Si CRISPR tiene una situación regulatoria más favorable y se trata más como el fitomejoramiento convencional, eso acelerará la innovación en la agricultura».
Aunque la edición de genes tiene muchas ventajas, Eathington señala que CRISPR-Cas9 y otras herramientas de edición de genes tienen algunas limitaciones. Uno de ellos es que la edición solo funciona con la variabilidad genética que existe dentro de la planta. Por ejemplo, dice Eathington, la introducción de genes de Bacillus thuringiensis (Bt) en plantas de cultivo para la resistencia a plagas sería difícil o imposible de lograr mediante la edición de genes.
Basándose en la biología sintética
Otro desafío importante en la edición del genoma de plantas y cultivos es saber qué genes y combinaciones de genes editar. La genómica vegetal está a años luz de la genómica humana cuando se trata de la disponibilidad de datos genómicos funcionales. Ese es un problema que Yield10 Bioscience espera resolver.
La empresa solía ser conocida como Metabolix. En ese entonces, modificó microbios para fabricar bioplásticos. Sin embargo, en 2015, la compañía cambió su nombre a Yield10 y cambió su enfoque a la ciencia de los cultivos. En la actualidad, Yield10 desarrolla tecnologías para satisfacer la demanda de producción de alimentos, que se prevé que aumente un 70% durante los próximos 35 años. Específicamente, Yield10 aprovecha las herramientas de bioinformática y la edición del genoma para optimizar la eficiencia fotosintética de las plantas y la utilización dirigida del carbono.
«[Podemos] cambiar con precisión un solo gen o varios genes simultáneamente en un cultivo real», dice Oliver Peoples, PhD, CEO de Yield10.
Yield10 ha desarrollado un conjunto de herramientas. Su plataforma GRAIN (redes de inteligencia artificial de clasificación de genes) está diseñada para identificar combinaciones de modificaciones de genes de plantas para mejorar el rendimiento de los cultivos, especialmente el rendimiento. A través de una colaboración de investigación con el Broad Institute of MIT y Corteva, Yield10 también está utilizando la tecnología de edición del genoma CRISPR para permitir cambios escalonados en el rendimiento de las plantas y otros rasgos de rendimiento valiosos.
Una camelina de Yield10 mejorada con CRISPR para mayores niveles de omega-3 podría proporcionar algunos beneficios bastante interesantes, lo que en última instancia conduciría a una tendencia más amplia que promueva CRISPR para mejorar la sostenibilidad agrícola. Foto: Una vista aérea de camelina cultivada en Saskatoon.
“Lo que traemos a este espacio es un trasfondo completamente diferente basado principalmente en biología sintética”, afirma Peoples. Esa formación incluye 30 años de experiencia en la ingeniería de microbios. Cuando el enfoque de la industria se trasladó a las energías renovables y el reciclaje, en lugar de los bioplásticos, la empresa dio un giro para aportar su experiencia a la optimización de los cultivos alimentarios, utilizando Camelina sativa como organismo modelo para desarrollar la tecnología. La compañía también está produciendo bioplásticos de polihidroxialcanoato (PHA) en plantas de camelina cultivadas en el campo. Estos bioplásticos pueden ser adecuados para fabricar una amplia gama de productos de consumo totalmente biodegradables.
Yield10 tiene como objetivo aplicar su plataforma GRAIN para desarrollar su propia cartera de productos. La empresa está licenciando la plataforma y colaborando con otras empresas en el espacio de la biotecnología agrícola para identificar genes que podrían apuntar a mejorar el rendimiento de cultivos como la soja, el sorgo forrajero y la papa. Yield10 tiene una asociación de investigación con Rothamsted Research, con sede en el Reino Unido, para desarrollar un sustituto del aceite de pescado omega-3 en la camelina.
Cambiando la cara del desarrollo de las plantas
Benson Hill es otra empresa que adopta un enfoque de ciencia de datos para la identificación de objetivos para la edición del genoma de las plantas. Su tecnología CropOS es una aplicación de aprendizaje automático diseñada para fenotipado, reproducción predictiva y modelado ambiental. Jason Bull, PhD, director de tecnología de Benson Hill, dice que la compañía utiliza CropOS en todas las etapas del desarrollo de productos, desde el diseño hasta la construcción de prototipos de cultivos y las pruebas de productos.
“Guía nuestras acciones y se alimenta de todas las acciones que realizamos”, agrega. “Es un ciclo iterativo. Cada vez que damos la vuelta al ciclo, generamos más datos. Esos datos se retroalimentan en CropOS y las predicciones se vuelven más precisas «.
Según Bull, el ciclo típico de desarrollo de productos transgénicos puede tardar de 10 a 15 años, desde el inicio hasta la introducción comercial. Pero si se utiliza un enfoque como CropOS, y si se combina con la edición del genoma, los plazos de desarrollo se pueden reducir a la mitad o incluso a dos tercios. «Es emocionante», dice Bull, «porque abre el campo a muchos más jugadores más allá de las grandes empresas agrícolas tradicionales».
Bull indica que Benson Hill está utilizando su enfoque de edición de genoma y bioinformática apilada para restaurar las cualidades del contenido de proteínas, la funcionalidad y el sabor que se han perdido en la soja a través de generaciones sucesivas de mejoramiento para obtener rendimiento. La compañía persigue objetivos similares con los arvejas amarillos, que Bull llama uno de los cultivos emergentes más rápidos en el mercado de las proteínas. También está trabajando con tomates, optimizando el sabor y desarrollando aplicaciones nutracéuticas. Bull declara que este tipo de mejoras en los cultivos alimentarios podrían llegar muy rápidamente: «Empiezas a apilar estas tecnologías en tu caja de herramientas, y realmente cambia el aspecto del desarrollo de las plantas de lo que ha sido durante los últimos 20 o 30 años».
Cultivar bosques sostenibles
La tecnología CRISPR en biotecnología agrícola no se limita a los cultivos alimentarios. También se está utilizando para mejorar los árboles forestales. Por ejemplo, TreeCo, una nueva empresa, está combinando la tecnología CRISPR con conocimientos de la genética de árboles para mejorar los rasgos de los árboles que son valiosos para las industrias de la madera, la química y la fibra. Los fundadores de TreeCo, Rodolphe Barrangou, PhD, y Jack Wang, PhD, dicen que la compañía también está utilizando la tecnología CRISPR para beneficiar al medio ambiente.
«He tenido el gran privilegio de ver que esta tecnología revolucionó la genética en una serie de contextos y aplicaciones», afirma Barrangou. «No hay nada más apropiado que usar y aprovechar el tremendo poder de la edición del genoma, no solo para terapias y enfermedades, no solo para cultivos y ganado, sino para generar un bosque mejor, más saludable y más sostenible».
TreeCo está trabajando para mejorar árboles comercialmente importantes como álamos, eucaliptos, especies de pinos y abetos, incluida una cicuta en peligro de extinción nativa de los Apalaches. Barrangou dice que la cartera de TreeCo refleja el énfasis de la empresa en características como la resistencia a las plagas y la tolerancia a la sequía sobre características como el rendimiento y la altura. TreeCo está trabajando para desarrollar árboles aptos para la fabricación de pulpa para la industria de la fibra.
«Realmente estamos trabajando en la mejora de la composición química como un fenotipo de interés», señala Barrangou. Tal mejora, continúa, puede conducir a una industria que sea más eficiente y más sostenible, y que tenga una menor huella de carbono.
En el caso de los árboles, la brecha entre los métodos tradicionales de fitomejoramiento y CRISPR no podría ser mayor. El mejoramiento de árboles a través de métodos clásicos es lento y desafiante, ya que cada generación de árboles requiere muchos años para madurar, lo que significa que un científico individual solo podría mejorar de tres a cuatro generaciones de árboles en su vida. Eso significa que el progreso con los árboles ha sido glacial en comparación con el de la mayoría de los cultivos anuales. Pero ahora, los sistemas CRISPR permiten editar las células de los árboles, y los árboles se pueden cultivar en un invernadero. Con el enfoque CRISPR, el tiempo necesario para el mejoramiento de árboles se puede reducir hasta diez veces.
Las aplicaciones forestales son muy diferentes de las aplicaciones convencionales de biotecnología agrícola. Según Wang, la mayoría de los bosques de todo el mundo están dominados por variantes de árboles silvestres y no domesticados, y en estos bosques, se observan pocas o ninguna mejora genética. Sin embargo, dice que CRISPR puede acelerar las mejoras genéticas, dando como resultado no solo mejores árboles, sino también mejores bosques. “Hay”, insiste, “tremendas oportunidades para que CRISPR mejore estos importantes recursos naturales”.
