11.6: Plantas transgénicas

Se está avanzando en varios frentes para introducir nuevos rasgos en las plantas utilizando tecnología de ADN recombinante. La manipulación genética de las plantas viene ocurriendo desde los albores de la agricultura, pero hasta hace poco esto ha requerido el lento y tedioso proceso de cruzamiento de variedades. La ingeniería genética promete acelerar el proceso y ampliar el alcance de lo que se puede hacer.

Existen varios métodos para introducir genes en plantas, incluyendo infectar células vegetales con plásmidos como vectores portadores del gen deseado y disparar físicamente pellets microscópicos que contienen el gen directamente en la célula. A diferencia de los animales, no existe una distinción real entre células somáticas y células germinales. Los tejidos somáticos de las plantas (por ejemplo, células radiculares cultivadas en cultivo) pueden transformarse en el laboratorio con el gen deseado y pueden crecer en plantas maduras con flores. Si todo va bien, el transgén se incorporará al polen y a los huevos y se transmitirá a la siguiente generación. En este sentido, es más fácil producir plantas transgénicas que animales transgénicos.

Figura\(\PageIndex{1}\): Se utiliza una pistola génica para inyectar células con información genética, también se conoce como sistema de administración de partículas biolísticas. Las pistolas génicas se pueden usar eficazmente en la mayoría de las células, pero se usan principalmente en células vegetales. Paso 1 El aparato de pistola génica está listo para disparar. Paso 2 Cuando la pistola está encendida y el helio fluye a través. Paso 3 El helio mueve el disco con partículas recubiertas de ADN hacia la pantalla. Paso 4 El helio habiendo empujado las partículas moviéndose a través de la pantalla y moviéndose hacia las células diana para transformar las células. (CC-SA-BY-4.0; RachelBrooks15)

Logros

Calidad Nutricional Mejorada

El arroz molido es el alimento básico para una gran fracción de la población humana mundial. La molienda de arroz elimina la cáscara y cualquier betacaroteno que contenga. El betacaroteno es un precursor de la vitamina A, por lo que no es de extrañar que la deficiencia de vitamina A esté muy extendida, especialmente en los países del sudeste asiático. La síntesis de betacaroteno requiere una serie de etapas catalizadas por enzimas. En enero de 2000, un grupo de investigadores europeos informó que habían logrado incorporar al arroz tres transgenes que permitieron a las plantas fabricar betacaroteno en su endospermo.

Resistencia a Insectos

Bacillus thuringiensis es una bacteria patógena para una serie de plagas de insectos. Su efecto letal está mediado por una toxina proteica que produce. A través de métodos de ADN recombinante, el gen de la toxina se puede introducir directamente en el genoma de la planta donde se expresa y brinda protección contra las plagas de insectos de la planta.

Resistencia a Enfermedades

Los genes que proporcionan resistencia contra virus de plantas se han introducido con éxito en plantas de cultivo como el tabaco, el tomate y la papa.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Plantas de tomate infectadas con el virus del mosaico del tabaco (que ataca tanto a las plantas de tomate como al tabaco). Las plantas de la última fila portan un gen introducido que confiere resistencia al virus. Las plantas resistentes produjeron tres veces más frutos que las plantas sensibles y lo mismo que las plantas testigo.

Resistencia a Herbicidas

Se han planteado preguntas sobre la seguridad —tanto para los humanos como para el medio ambiente— de algunos de los herbicidas de hoja ancha como el 2,4-D. Hay alternativas disponibles, pero pueden dañar el cultivo así como las malas hierbas que crecen en él. Sin embargo, los genes de resistencia a algunos de los herbicidas más nuevos se han introducido en algunas plantas de cultivo y les permiten prosperar incluso cuando se exponen al herbicida.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Efecto del herbicida bromoxinil sobre plantas de tabaco transformadas con un gen bacteriano cuyo producto descompone bromoxinil (fila superior) y plantas testigo (fila inferior). Las plantas “spray blank” se trataron con la misma mezcla de pulverización que las otras, excepto que se dejó fuera el bromoxinil. (Cortesía de Calgene, Davis, CA.)

Tolerancia a Sal

Una gran fracción de las tierras de cultivo regadas del mundo está tan cargada de sal que no puede ser utilizada para cultivar los cultivos más importantes. Sin embargo, investigadores del campus Davis de la Universidad de California han creado tomates transgénicos que crecen bien en suelos salinos. El transgén fue una bomba antipuerto de sodio/protón altamente expresada que secuestró el exceso de sodio en la vacuola de células foliares. No hubo acumulación de sodio en el fruto.

Genes “Terminadores”

Este término es utilizado (por opositores a la práctica) para los transgenes introducidos en las plantas de cultivo para hacerlas producir semillas estériles (y así obligar al agricultor a comprar semillas frescas para la siguiente temporada en lugar de salvar semillas del cultivo actual). El proceso consiste en introducir tres transgenes en la planta:

• Un gen que codifica una toxina que es letal para desarrollar semillas pero no para madurar semillas o la planta. Este gen es normalmente inactivo debido a un tramo de ADN insertado entre éste y su promotor.
• Un gen que codifica una recombinasa, una enzima que puede eliminar el espaciador en el gen de la toxina permitiendo así que se exprese.
• Un gen represor cuyo producto proteico se une al promotor de la recombinasa manteniéndola así inactiva.

Cómo funcionan

Cuando las semillas están empapadas (antes de su venta) en una solución de tetraciclina

• La síntesis del represor está bloqueada.
• El gen de la recombinasa se vuelve activo.
• El espaciador se retira del gen de la toxina y ahora se puede activar.

Debido a que la toxina no daña a la planta en crecimiento —sólo a sus semillas en desarrollo—, el cultivo se puede cultivar normalmente excepto que sus semillas son estériles. El uso de genes terminadores ha creado mucha controversia. Los agricultores —especialmente los de países en desarrollo— quieren poder salvar algunas semillas de su cultivo para sembrar la próxima temporada. No obstante, las empresas de semillas quieren poder seguir vendiendo semillas.

Transgenes que codifican ARN antisentido

El ARN mensajero (ARNm) es monocatenario. Su secuencia de nucleótidos se llama “sentido” porque da como resultado un producto génico (proteína). Normalmente, sus nucleótidos desapareados son “leídos” mediante anticodones de ARN de transferencia a medida que el ribosoma procede a traducir el mensaje.

Figura\(\PageIndex{2}\): Sense Strand

La segunda cadena se llama la cadena antisentido porque su secuencia de nucleótidos es el complemento del sentido del mensaje. Cuando el ARNm forma un dúplex con una secuencia de ARN antisentido complementaria, se bloquea la traducción. Esto puede ocurrir porque el ribosoma no puede acceder a los nucleótidos en el ARNm o el ARN dúplex se degrada rápidamente por ribonucleasas en la célula. Con métodos de ADN recombinante, se pueden introducir genes sintéticos (ADN) que codifican moléculas de ARN antisentido en el organismo.

Biofarmacéuticos

Los genes de las proteínas que se utilizarán en la medicina humana (y animal) pueden insertarse en las plantas y expresarse por ellas.

Ventajas:

• Se pueden elaborar glicoproteínas (bacterias como E. coli no pueden hacer esto).
• Cantidades prácticamente ilimitadas se pueden cultivar en el campo en lugar de en costosos tanques de fermentación.
• Evita el peligro de usar células de mamíferos y medios de cultivo de tejidos que puedan estar contaminados con agentes infecciosos.
• La purificación suele ser más fácil.

El maíz es la planta más popular para estos fines, pero también se están utilizando tabaco, tomates, papas, arroz y células de zanahoria cultivadas en cultivo de tejidos.

Algunas de las proteínas que han sido producidas por las plantas transgénicas de cultivos:

• hormona del crecimiento humano con el gen insertado en el ADN del cloroplasto de las plantas de tabaco
• anticuerpos humanizados contra agentes infecciosos tales como
  • VIH
  • virus sincitial respiratorio (RSV)
  • esperma (un posible anticonceptivo)
  • virus del herpes simple, HSV, la causa del “herpes labial”
  • El virus del Ébola, la causa de la fiebre hemorrágica del Ébola a menudo mortal
• antígenos proteicos para ser utilizados en vacunas
  • Un ejemplo: vacunas antilinfoma específicas del paciente (un cáncer). Los linfomas de células B son clones de células B malignas que expresan en su superficie una molécula de anticuerpo única. Hacer que las plantas de tabaco sean transgénicas para el ARN de las regiones variables (únicas) de este anticuerpo les permite producir la proteína correspondiente. Esto luego se puede incorporar a una vacuna con la esperanza (los primeros ensayos parecen prometedores) de impulsar el sistema inmunológico del paciente —especialmente la rama mediada por células— para combatir el cáncer.
• otras proteínas útiles como lisozima y tripsina
• Sin embargo, a partir de abril de 2012, la única proteína que recibe aprobación para uso humano es la glucocerebrosidasa, una enzima que carece de la enfermedad de Gaucher. Se sintetiza mediante células transgénicas de zanahoria cultivadas en cultivo de tejidos.

Controversias

Algunos se han opuesto enérgicamente a la introducción de plantas transgénicas en la agricultura. Hay una serie de temas que preocupan a los oponentes. Uno de ellos es el riesgo potencial de transgenes en cultivos comerciales que pongan en peligro especies nativas o no objetivo.

Ejemplos:

• Un gen para la resistencia a herbicidas en, por ejemplo, maíz (maíz), que se escapa a una especie de maleza podría dificultar mucho más el control de la maleza.
• El gen de la toxina Bt expresado en polen podría poner en peligro a los polinizadores como las abejas melíferas.

Hasta la fecha, estudios de campo sobre algodón Bt y maíz muestran que el número de algunos insectos no objetivo se reduce algo pero no tanto como en los campos tratados con insecticidas.

Otra preocupación es la mezcla inadvertida de cultivos transgénicos con cultivos alimentarios no transgénicos. Si bien esto ha ocurrido periódicamente, no hay absolutamente ninguna evidencia de una amenaza para la salud humana. A pesar de las controversias, los agricultores de todo el mundo están abrazando cultivos transgénicos. Actualmente en Estados Unidos más del 80% del maíz, soja y algodón cultivados son genéticamente modificados (GM), principalmente para proporcionar resistencia al herbicida glifosato (“Roundup Ready®”), lo que hace que sea práctico rociar el cultivo con glifosato para matar las malas hierbas sin dañar el cultivo y resistencia a ataque de insectos (expresando la toxina de Bacillus thuringiensis).