Superpangenomas: Poniendo en valor la agrobiodiversidad

Hace 23 años, en medio de una gran ceremonia en la Casa Blanca, Bill Clinton (presidente de EE. UU.) y Tony Blair (primer ministro británico) presentaban el primer borrador del genoma humano. Se invirtió más de 3000 millones de dólares y trece años de trabajo. Ese mismo año, con menos atención mediática, se publicó el genoma de la primera planta, Arabidopsis thaliana (la rata de laboratorio del mundo vegetal). Su costo fue de 100 millones de dólares y tomó diez años culminarlo. Mientras que el arroz fue el primer cultivo en contar con su genoma secuenciado en 2002. Costó unos 200 millones de dólares.

Hasta hace una década secuenciar un genoma era cosa seria. Se requería varios millones de dólares y un trabajo coordinado entre grupos de investigación de diversos países. Cada uno se encargaba de un cromosoma. Así se secuenció y ensabló el genoma de la papa en 2011. Al Perú le tocó parte del cromosoma 3.

En ese entonces, obtener el genoma completo de una especie acaparaba portadas de revistas científicas y era un hecho noticioso. Hoy es algo rutinario. Se hace por menos de mil dólares y en pocos días. Gracias a ello, podemos secuenciar y comparar las semejanzas y diferencias de los genomas de diferentes poblaciones de una misma especie; así como identificar las variantes genéticas (alelos) que se asocian con una determinada característica (predisposición a una enfermedad, resistencia a una plaga, adaptación al estrés ambiental, etc.).

Perú, cuna del tomate

Hasta hace unos años, no era consciente que en Perú vivimos rodeados de tomates. No el que comemos en las ensaladas o usamos para los guisos, sino de sus parientes silvestres. En los parques y jardines, en los campos de cultivo, al borde de acequias y carreteras, cerca al mar o a 3500 metros de altura. Crecen como malezas. Sus flores amarillas en forma de estrella son fáciles de distinguir, aunque se requiere de cierto conocimiento para saber a qué especie pertenece.

Tomate silvestre creciendo al borde de la carretera en Mollendo, Arequipa.

En la década de 1950, el Dr. Charles M. Rick, botánico de la Universidad de California Davis, inició las primeras expediciones a Sudamérica para colectar los parientes silvestres del tomate. Recogió cientos de especímenes en Perú, Chile y Ecuador (incluyendo las islas Galápagos). Fueron al menos quince expediciones, la última en 1995. Rick fue el primero en estudiar y caracterizar la diversidad del tomate, y sentó las bases para el mejoramiento genético de este importante cultivo.

Si analizamos el genoma del tomate moderno encontraremos genes de sus parientes silvestres, los cuales le confieren resistencia a diversas plagas y enfermedades, tolerancia a bajas temperaturas, sequías y salinidad, coloración del fruto, cambios fisiológicos (precocidad en floración, reducción de semillas, etc.). Esto se logró a través de varias rondas de cruzamientos entre las variedades comerciales de tomate y sus parientes silvestres (muchos colectados en Perú), seguido de una selección de aquellos que portaban las características deseadas.

Pangenomas y superpangenomas

La crisis climática ha planteado un enorme reto a los fitomejoradores, quienes deben desarrollar —con mucha rapidez— variedades que se adapten mejor al aumento de temperaturas, las sequías más frecuentes y prolongadas, una mayor incidencia de plagas y enfermedades, el incremento de la salinidad de los suelos, etc. Los parientes silvestres de las especies cultivadas son una importante fuente de recursos genéticos para afrontar estos problemas.

Gracias a la reducción en los costos y tiempo de secuenciación de genomas tenemos la capacidad de identificar esos recursos genéticos. Y con los avances en la computación e inteligencia artificial se analiza una cuantiosa cantidad de información en pocos minutos. Ahora ensamblamos pangenomas y superpangenomas para captar toda la diversidad genética de una especie o de un género taxonómico (que incluye a los parientes silvestres).

Hace poco, un grupo de investigadores chinos publicaron en Nature Genetics el superpangenoma del tomate. El análisis abarcó nueve especies silvestres y las variedades modernas. Se identificaron muchas diferencias en la estructura de los genomas. Habían secuencias genéticas invertidas y translocadas (porciones de un cromosoma ubicados en otro cromosoma). También se hallaron porciones de ADN ausentes (deleciones) en genes involucrados en el peso y sabor del fruto del tomate comercial. Esto explica por qué son desabridos.

Lo interesante del estudio fue identificar una porción de ADN de 244 pares de base presente en el 80 % de los tomates silvestres, especialmente en Solanum pennellii, pero no en los tomates comerciales. Esta deleción, ubicada en uno de los genes de la familia de las enzimas citocromo P450, juega un rol importante en el crecimiento y desarrollo de las plantas, así como en la síntesis de metabolitos secundarios.

Cuando se restituyó el fragmento genético ausente en el genoma de un tomate modelo (Micro-Tom), este produjo una mayor cantidad de ramas laterales y casi el doble de frutos. En otras palabras, hubo un aumento considerable del rendimiento. Este es solo un ejemplo del enorme potencial que tienen los análisis de pangenomas y superpangenomas de las especies cultivadas y sus parientes silvestres (agrobiodiversidad).

a. Deleción de 244 pb del gen Sgal12g015720. d. Izquiera: Micro-Tom normal. Derecha: Micro-Tom con Sgal12g015720 reconstituido. Se aprecia mayor número de ramas laterales y frutos.

Importancia de la agrobiodiversidad

Perú cuenta con los parientes silvestres de especies que son muy importantes para la seguridad alimentaria, tales como: papa, frijoles, camote, tomates, zapallo, ajíes, quinua, entre otros. En decir, contamos con una enorme fuente de genes y alelos que son clave para el mejoramiento genético de los cultivos.

Nuestra agrobiodiversidad no solo está almacenada en bancos de germoplasma. Los agricultores familiares lo conservan activamente. Intercambian semillas, entrecruzan y mezclan variedaes, seleccionan las que responden mejor a sus necesidades. La agrobiodiversidad sigue evolucionando y adaptándose a las condiciones cambiantes del entorno.

Pero no basta con ser biodiversos. Se requiere de estudios genómicos para conocer todo su potencial y ponerla en valor. Imaginen crear un centro de investigación nacional abocado a esta tarea. O reestructurar al INIA con esta visión. Que no dependa del presupuesto público, sino de los ingresos que genere por las licencias de patentes o la venta de variedades registradas con mayores rendimientos, tolerancia al estrés biológico (plagas y enfermedades) y ambiental (sequías, olas de calor, salinidad, etc.). Solo así dejaríamos de ser un mendigo sentado en un banco de genes.

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¿Por qué nuestros alimentos están contaminados con plaguicidas?

Estoy seguro que muchos leyeron el reportaje de Salud con Lupa sobre los residuos de plaguicidas —algunos prohibidos y superando excesivamente los límites máximos permisibles— en frutas y verduras comercializados en los supermercados más importantes del país. El problema es generalizado (también ocurre en mercados y bodegas) y data de hace mucho tiempo, tal como lo evidencian los informes periódicos que publica el SENASA.

Las personas –entendiblemente indignadas— critican la acción del SENASA por garantizar la inocuidad de los productos de agroexportación, pero no hacer los mismos controles a los productos destinados al mercado interno. Se preguntan dónde adquirir frutas y verduras libre de plaguicidas. Proponen incentivar la agricultura urbana (producir tus propios alimentos) y orgánica, y ampliar el alcance de las bioferias. Exigen mayor fiscalización y duras sanciones a los productores y comerciantes.

Pocos se preguntan ¿a qué se debe este problema? ¿Por qué usan plaguicidas prohibidos, altamente tóxicos o de manera excesiva, sin respetar los periodos de carencia? ¿Acaso los agricultores quieren maximizar su producción e ingresos a costa de nuestra salud? La respuesta, como siempre, es más compleja de lo que parece.

La chacra no es un huerto

Cualquier persona puede producir tomates, lechugas y acelgas en su casa. Basta con unas macetas y un espacio iluminado (la ventana de la cocina, el balcón o la terraza). Si tienes un huerto o jardín mucho mejor. Podrías cultivar otros frutos y hortalizas. Las malezas no son un problema. Te sientas en un banquito y con una cuchilla las eliminas. Las plagas (gusanitos, pulgones y caracoles) sí son un dolor de cabeza, incluso en una maceta. Pero los controlas fácilmente cortando las hojas afectadas, aplicando jabón líquido, azufre en polvo, o pulverizando un macerado de ajos y ají, o algún producto de jardinería comprado en SODIMAC o PROMART.

En el campo la cosa se complica enormemente, así seas un pequeño productor que solo tiene una chacra de una hectárea. Para prevenir las malezas, debes arar bien la tierra. Puedes usar una pala o chaquitaclla (un trabajo extenuante), una mula o un tractor (de acuerdo a tu presupuesto). Luego mantener el campo limpio con herbicidas. Podrías deshierbar a mano, pero te tomará muchas horas y acabarás con dolores de espalda e insolación.

Para el control de plagas (insectos, virus, bacterias y hongos que afectan los cultivos) se cuenta con diversas estrategias: prácticas culturales (uso de cultivos asociados, trampas, refugios, etc.), control biológico (uso de depredadores y parásitos que afectan a las plagas) y productos químicos (plaguicidas naturales y sintéticos). El manejo integrado de plagas (MIP) se vale de todos ellos para reducir el uso de pesticidas nocivos, aunque aplicarlo correctamente requiere de mucho conocimiento y capacitación.

La agricultura es un negocio

Las personas que se dedican a la agricultura no lo hacen para producir alimentos, sino para generar dinero para cubrir sus necesidades. Muchas veces, es su única fuente de ingresos. Esa es la realidad. Deben hacer todo lo posible por obtener la mayor rentabilidad de sus cultivos. Por evitar las pérdidas en la cosecha. Por sacar al mercado toda su producción. Así que sus intereses no están necesariamente alineados con el de los consumidores.

Además, con las pocas hectáreas que la mayoría posee, no tienen poder de negociación. Su producción no llega directamente al mercado (solo a través de ferias). Hay uno o varios intermediarios que se encargan de acopiar la producción y ofrecer un buen volumen a los mayoristas y supermercados. Ellos ponen el precio al producto, no el agricultor. Ellos establecen los estándares de calidad que solo se basa en la apariencia (sin bichitos, golpes o manchitas). Esto fuerza a los agricultores a cumplir con esos “estándares” sin perder rentabilidad.

Falta de asistencia técnica

Al carecer de capacitación en MIP, los agricultores solo se valen del control químico para proteger sus cultivos. Es la forma más fácil de hacerlo. Imagina que tienes un problema de hormigas o cucarachas en casa, ¿no vas poniendo trampitas y liberando arañitas u hongos controladores de mente por la sala y la cocina? Lo más probable es que apliques Raid/Baigón o contrates a una empresa que fumigue la vivienda.

La cuestión es que la aplicación de todo producto fitosanitario depende del principio activo, la dosis, la frecuencia, los periodos de carencia, etc. Así como un médico te hace una receta en función a un diagnostico, lo mismo debe ocurrir en el campo. Un ingeniero agrónomo debe “recetar” qué producto aplicar y cómo hacerlo, después de evaluar el cultivo. 

Sin embargo, las agencias y oficinas agrarias, que dependen de los Gobiernos Regionales, carecen de personal y presupuesto para asesorar y acompañar a los productores locales. En el mejor de los casos, ellos se valen de lo que les recomiende el vendedor de agroquímicos (que muchas veces ni siquiera es un ingeniero o técnico agrario). Les ofrecen productos que no necesitan (por ejemplo, insecticidas cuando tienen problemas de hongos) y recomiendan aplicaciones excesivas.

También los agricultores “automedican” sus cultivos. Usan productos por costumbre o porque son más baratos, a pesar que en otros países, incluso en Perú, ya fueron prohibidos por su alta toxicidad. Por ejemplo, el carbofuran, prohibido desde septiembre de 2021 pero todavía en el stock de muchas tiendas agropecuarias, se comercializa ilegalmente en lugares donde la fiscalización no llega.

Así que el problema de la presencia de plaguicidas en los alimentos es un síntoma de lo abandonado que se encuentran el agro peruano. Los agricultores, que dependen de los ingresos generados por su chacra para subsistir, aplican los plaguicidas en exceso para reducir el riesgo de perder su producción. No cuentan con capacitación en MIP. Tampoco son conscientes del riesgo que representan ciertos plaguicidas ya que sus efectos no son inmediatos, sino crónicos o a largo plazo. Hay que fiscalizar la producción de alimentos (tarea que también comprende a los municipios), pero a la par invertir en extensión agraria.

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Álamos transgénicos con mayor asimilación de CO2

La empresa biotecnológica Living Carbon, mediante ingeniería genética, ha desarrollado álamos que absorben más CO2 y acumulan más biomasa en menos tiempo. Es decir, llegan a su tamaño para uso industrial (madera, pulpa, etc.) en menor tiempo.

La estrategia empleada fue crear un “by-pass” molecular para evitar la fotorrespiración, un proceso natural en las plantas que disipa energía y CO2. Desde un punto de vista agrónomico (productivo) la fotorrespiración reduce los rendimientos. En vez que la planta fije CO₂, lo libera produciendo menos biomasa.

Para lograrlo insertaron tres genes: uno que bloquea la producción de una proteína que transporta glicolato (la que sale de los cloroplastos para dar paso a la fotorrespiración en mitocondrias), y dos que convierten el glicolato en malato para reciclar los productos de desecho. 

Vías metabólicas alternas para evitar el proceso de fotorrespiración. La clave está en bloquear la expresión del transportador de glicolato de los cloroplastos a los peroxisomas (PLGG1). Fuente: Science.

En pruebas de invernadero, los álamos transgénicos produjeron 53 % más biomasa. Ahora sembraron 5000 plantones en un predio privado en Georgia (EEUU) y evaluar cómo se comporta en condiciones reales. Dado que no produce sustancias bioprotectoras (como genes de resistencia a plagas o tolerancia a herbicidas) ni es para alimentación no necesita pasar por el proceso regulatorio norteamericano a cargo de USDA, EPA y FDA

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Bacterias “cyborg”

Investigadores de la Universidad de California - Davis crearon bacterias “cyborg”, una mezcla de células naturales con materiales sintéticos. Básicamente, rellenaron el interior de una Escherichia coli con un hidrogel sintético a base de polietilenglicol. 

El hidrogel evitó que las bacterias crezcan y proliferen, sin afectar el resto de sus funciones celulares como la expresión de proteínas y la fluidez de sus membranas. Además, tenían mayor resistencia a diversos factores como la presencia agua oxigenada (peróxido de hidrógeno), cambios de pH (hasta 9) y el efecto de ciertos antibióticos.

Lo más interesante son las posibles aplicaciones de las células “cyborg”. Se pueden desarrollar biosensores, modular el microbioma humano y hasta tratar ciertas enfermedades como el cáncer. En dicho estudio, los investigadores lograron que las E. coli “cyborg” invadan células cancerígenas in vitro. De esta manera, podrían ser usadas para llevar agentes terapéuticos de manera precisa a las células que se quieren eliminar.

Imagen referencial creada con DALL-E.

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Algodón rosa

La mayoría de las personas dan por hecho que el algodón es blanco. Lo vemos así en hisopos, rollos y torundas. Sin embargo, existen de diversos colores, especialmente, en Perú. Marrón, crema, pardo, verde, son algunos de ellos. Como esos algodones no se pueden teñir, la industria textil optó por las variedades de fibra blanca.

Muestras de algodón de color. Fuente: Ing. Patricia Ocampo.

En la actualidad hay una mayor concienciación por los impactos ambientales que generan los productos que consumimos. La ropa es una de ellas. Los tintes empleados generan contaminación de los cuerpos de agua. En ese contexto, los algodones pigmentados adquieren mayor relevancia, aunque la variedad de colores existentes es muy limitada.

La naturaleza tiene infinidad de colores. Un claro ejemplo son las flores: amarillas, azules, rosadas, violetas, rojas y más. Cada pigmento es producido por diversas enzimas que catalizan reacciones químicas para que una molécula se convierta en otra. Por ejemplo, la tirosina es un aminoácido esencial producido por diversas plantas. Algunas poseen enzimas que transforman ese aminoácido en betacianinas, un pigmento que da coloración rosa.

El algodón carece de los genes que codifican las enzimas necesarias para producir betacianinas. Nunca veremos fibras de algodón rosa de forma natural. Pero podemos echar mano de la biotecnología para introducir los genes requeridos para hacerlo. Eso fue lo que hicieron investigadores australianos del CSIRO, liderados por la Dra. Filomena Pettolino. Los resultados fueron publicados en Plant Biotechnology Journal.

Se insertaron tres genes en el algodón: dos procedentes de Mirabilis jalapa, conocida como “buenas tardes” o “maravilla del Perú”; y uno de Beta vulgaris, más conocida como betarraga, una hortaliza que se caracteriza por su color rojo intenso. Los tres genes codifican el citocromo p450 (con dos enzimas, la tirosina hidroxilasa y la DOPA oxidasa), una DOPA dioxigenasa y una DOPA glucosiltransferasa. En la siguiente imagen se ve en detalle que hace cada una de ellas.

Nuevas enzimas codificadas por el algodón transgénico. Fuente: Li et al. (2022)

Los genes funcionaron correctamente. La fibras se teñían de rosa a medida que se formaban. Pero, como la biología no es tan simple, cuando completaban su desarrollo, estas perdían su color. Para evitarlo, los investigadores congelaban la motas de algodón unos días antes que maduren. Obviamente, no es una solución viable, por lo que investigarán la forma de fijar el pigmento en las fibras de manera permanente.

Desarrollo de las fibras de algodón (DPA: Días después de la antesis). Fuente: Li et al. (2022).

No tendremos algodón rosado en el mercado en el corto plazo, pero el experimento mostró que es posible reconstruir las vías metabólicas para sintetizar distintos pigmentos en sus fibras. Además, una vez se obtenga una línea transgénica con color estable, deberá pasar el proceso regulatorio al que son sometidos todos los transgénicos y, luego, introducir esa característica en las variedades comerciales a través del mejoramiento convencional (cruces y selección).

Referencia:

Li, X., Mitchell, M., Rolland, V., Allen, S., MacMillan, C., & Pettolino, F. (2022). “Pink cotton candy” – A new dye‐free cotton. Plant Biotechnology Journal. DOI: 10.1111/pbi.13990

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Plagas transgénicas para erradicarlas

Cinco millones de toneladas de maíz amarillo duro (MAD). Esa es la cantidad requerida por el Perú cada año. Unos 167 kilos por persona que los consumimos indirectamente a través del pollo, los huevos, los alimentos procesados, etc. Sin dudas, el MAD es uno de los pilares de nuestra alimentación… y también del mundo.

"Armyworm infestation breaches the Pacific" by Pacific Community is licensed under CC BY-NC-ND 2.0.

En el campo, el maíz tiene muchos enemigos: virus, bacterias, hongos e insectos. Uno en particular puede diezmar una plantación si no se controla de forma efectiva. La Spodoptera frugiperda. Una polilla que en su fase de larva devora la planta desde las hojas hasta los brotes más tiernos (cogollo). Por eso se le conoce como gusano cogollero.

Existen diversas estrategias para controlar esta plaga. Controladores biológicos (depredadores y parasitoides), trampas pegajosas, insecticidas (algunos muy tóxicos como el metomilo) y plantas transgénicas (que producen una toxina específica). Todas ellas tienen un efecto temporal. Si dejan de utilizarse, la plaga reaparece (a veces muy rápido).

Lo ideal sería eliminar al gusano cogollero de forma permanente. Erradicarlo. También existen estrategias para ello. Por ejemplo, liberar miles de individuos machos y estériles, tal como se hace con la mosca de la fruta. El problema es que los métodos de esterilización (como la radiación ionizante) afectan la viabilidad o competencia del mismo insecto.

La empresa británica Oxitec desarrolló una tecnología para controlar de forma efectiva la población de insectos. Una construcción genética que, al introducirse en la plaga, la aniquila ni bien sale del huevo. Se llama “activador transcripcional controlado por tetraciclina” o simplemente tTAV. Este gen, al encenderse, produce grandes cantidades de sí mismo. Es decir, se acumula el tTAV en las células del insecto que terminan por matarlo, a menos que se alimente con tetraciclina (su antídoto).

Larvas de S. frugiperda genéticamente modificada (rojas). Fuente: Reavey et al. (2022)

Lo que hizo Oxitec fue introducir el gen tTAV dentro en el ADN del gusano cogollero, pero en una región que determina el sexo del insecto. Lo diseñaron de tal forma que tTAV solo se activa en las hembras. De esta manera, las únicas larvas que sobrevivirán en cada generación serán machos portadores del “gen letal”. Se convertirán en polillas adultas y se aparearán, aunque cada vez emergerán menos hembras. Entre la cuarta y séptima generación ya no habrán suficientes. No más apareamientos ni descendencia. La plaga será erradicada.

Bueno… esa es la idea. A nivel de laboratorio, funciona. Pero en el mundo real hay parámetros ambientales difíciles de controlar. En 2019, la Comisión Técnica Nacional de Biosegurida de Brasil dio luz verde a los ensayos piloto en campo abierto. De acuerdo con el último reporte de la empresa británica, los resultados son alentadores y la S. frugiperda genéticamente modificada estaría próximo a comercializarse.

Es cierto que existe mucho rechazo a los cultivos transgénicos, especialmente en el Perú donde tenemos una moratoria hasta 2035. Entre los argumentos más usados es el impacto sobre la biodiversidad o la “contaminación” de nuestras variedades nativas. Incluso el temor a consumir productos con modificaciones genéticas a pesar que la evidencia científica apunta a que son tan seguros como sus contrapartes convencionales.

¿Cuál sería la opinión de estas personas respecto al uso de transgénicos en plagas, para controlar sus poblaciones evitando el uso de insecticidas que sí tienen un impacto directo y comprobado sobre el ambiente, la biodiversidad y la salud humana? Es momento de discutir estos temas sobre la base de la evidencia, considerando también aspectos sociales, económicos y culturales. Las herramientas que nos brinda la biotecnología son indispensables para un verdadero desarrollo sostenible.

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Ensamblaje del virus del chikungunya

La tomografía computarizada permite explorar el interior de nuestro cuerpo con gran detalle y así identificar daños, anomalías o tumores que pueden afectar nuestra salud. La técnica consiste en tomar una serie de radiografías por capas y en diferentes ángulos. Lo mismo se puede hacer con un microscopio electrónico. En este caso lo que obtendremos son imágenes detalladas de virus, bacterias, estructuras celulares, etc. Pero el trabajo se debe realizar a temperaturas extremadamente bajas (criogénicas) para reducir al mínimo el movimiento frenético de las moléculas que se da a esa escala.

Esquema de cómo funciona la criotomografía electrónica. Fuente: Wikipedia.

Utilizando esta técnica, un grupo de investigadores estadounidenses revelaron la forma cómo se ensambla el virus del chikungunya, un alfavirus que causa serias complicaciones atritogénicas (en las articulaciones) en los seres humanos.

Las imágenes muestran todo el proceso de ensamblaje viral, desde la replicación de su ARN (en la esférula de replicación) hasta la liberación de los virus por gemación. Se observa con detalle la formación de la nucleocápside, una estructura que contiene todo su material genético, la cual se acopla con la membrana celular que está recubierta por las proteínas "Spike" del virus.

Las flechas rojas muestran al virus del chikungunya emergiendo de la célula humana. En azul se observa la esférula de replicación que es donde se produce el ARN viral el cual es depositado dentro de las cápsides (color lila) para formar la nucleocápside. Chmielewski, et al. (2022).

Proceso de gemación. En rojo la nucleocápside viral. En amarillo las proteínas Spike que cubren la superficie del virus. Chmielewski, et al. (2022).

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