La edición de genes y su aplicación en la agricultura

Para garantizar la seguridad alimentaria se tendrán que conjugar las tecnologías de producción de alimentos, los mercados, el acceso económico de los individuos, las prácticas políticas y regulatorias y nuestros anhelos gastronómicos.

La seguridad alimentaria

Las soluciones al problema que plantea el desafío de conseguir la seguridad alimentaria de acuerdo con la FAO parecen lejanas. Todas las personas deberían tener acceso físico y económico a suficientes alimentos nutritivos y seguros para llevar una vida activa y saludable. Además, deberíamos producir los alimentos de manera sostenible.

La comunicación Estrategia “de la granja a la mesa” para un sistema alimentario justo, saludable y respetuoso con el medio ambiente de la Comisión al Parlamento Europeo de mayo de 2020 y el “European Green Deal”, recogido en el “Horizon Europe Research and Innovation programme (2021-2027)”, establece la prioridad de alcanzar una producción de alimentos sostenible.

Las plantas que cultivamos

El cultivo de las plantas constituye la base de la alimentación. Es necesario disponer de las semillas adecuadas. También deberíamos incorporar a la práctica agronómica nuevas tecnologías que se apoyen en la transformación digital, en la gestión y el manejo del agua y en las técnicas de cultivo sostenible.

En el mundo desarrollado, una tercera parte de los alimentos que se pierden, se desperdicia después de haber llegado a nuestras casas; mientras que las otras dos terceras partes se malogran porque las semillas que plantamos no resultan ser adecuadas, por estreses bióticos o abióticos en las plantas, por pérdidas durante la post-recolección o durante el transporte o el almacenamiento y, también, por razones socioeconómicas, por ejemplo, si no se alcanzan unos precios de comercialización aceptables.

Las plantas que cultivamos son el resultado de un proceso de domesticación o mejora. Seleccionamos las semillas que desarrollarán plantas con las propiedades más útiles.

La mejora genética tradicional se basa en dos herramientas fundamentales: 

1. La mutagénesis 
2. El cruce sexual

Las técnicas de mutagénesis utilizan compuestos químicos o radiaciones que, al modificar al azar el ADN de las semillas, nos permiten seleccionar nuevas propiedades de interés.

Mediante estos cambios, aumentamos la biodiversidad disponible para llevar a cabo los cruces sexuales o hibridaciones que, de nuevo, mezclan al azar los caracteres (genes) de los dos parentales que hibridamos.

La mejora tradicional, que nos permite producir alimentos para siete mil millones de personas, se basa, por lo tanto, en técnicas que producen e incorporan cambios genéticos al azar mediante procesos laboriosos. El tiempo necesario para conseguir una variedad nueva de interés suele durar, al menos, una década.

En el mundo desarrollado, una tercera parte de los alimentos que se pierden se desperdician después de haber llegado a nuestras casas

El papel de la ingeniería genética y la biotecnología

La ingeniería genética y la biotecnología nos han permitido prescindir de la barrera del cruce sexual para incorporar a los cultivos los genes responsables de los caracteres deseados. Gracias a las nuevas técnicas de secuenciación genética masiva, podemos disponer de los genomas de todas las plantas.

Identificamos y aislamos en el laboratorio los genes responsables de los caracteres de interés y los introducimos en las plantas mediante técnicas de transformación; uno a uno o varios a la vez, en variedades de élite ya seleccionadas, de forma que es posible añadirles propiedades nuevas. No obstante, las tecnologías de introducción de genes mediante ingeniería genética conducen a la incorporación de los genes en lugares del genoma que no se pueden predecir.

A pesar de ello, la ingeniería genética nos ha permitido aumentar la productividad y la sostenibilidad de los cultivos, mitigando problemas ambientales asociados a la agricultura industrializada, como el uso de combustibles fósiles, la pérdida de suelo por erosión o la contaminación de suelos y aguas por el uso de productos fitosanitarios.

Así, en las últimas dos décadas, la superficie acumulada de cultivos transgénicos de primera generación ha sido superior a 1.500 millones de hectáreas, lo que es equivalente a una superficie treinta veces la de España. En el año 2018, el 80 % de la producción mundial de soja, el 30 % de la de maíz y de la de colza y el 70 % de la de algodón fueron transgénicas, lo que da una idea de su impacto en el sistema alimentario.

La edición de genes

En los últimos años se están desarrollando herramientas de mejora genética derivadas del uso de tecnologías de edición genómica como CRISPR/Cas, tecnología que ha sido galardonada con el premio Nobel de Química en el año 2020.

Estas tecnologías permiten aumentar, de forma precisa, la variabilidad de los caracteres de las plantas de cultivo utilizadas hasta la fecha, esto es, permiten añadir a las estrategias de base física (uso de radiaciones) y química (uso de compuestos mutagénicos), que provocan cambios al azar, estrategias biológicas precisas, ya que la edición genómica hace posible cambiar de forma específica un único gen o incluso varios sin alterar el resto del genoma.

La principal novedad que aportan estas tecnologías es que permiten generar cambios en puntos concretos de los genomas. Esos cambios pueden consistir en mutaciones en un gen concreto o en la introducción de un gen en un lugar preciso del genoma. Lo relevante es que se pueden mejorar las plantas sin la introducción de genes foráneos en las mismas.

Para ello, fabricamos en el laboratorio una molécula sonda basada en una secuencia de RNA que llamamos sgRNA, que es complementaria a la secuencia del gen diana que queremos modificar. Esta sonda la asociamos a una nucleasa que es capaz de cortar la doble hebra del ADN del gen diana. Introducido este conjunto (sonda y nucleasa) en las células, se produce el corte del gen diana y, por tanto, su inactivación.

Las células disponen de sistemas de reparación de daños que se activan al detectar una rotura y, durante esa reparación, se producen, a veces, errores que inactivan el gen diana. Así generamos un cambio, una mutación, en un gen concreto en un lugar preciso del genoma.

Es el caso de la inactivación del gen DMR6 (downy mildew resistance 6) en plantas de tomate, que ha permitido obtener plantas resistentes al tizón negro provocado por Phytophtora capsici y al manchado bacteriano causado por Pseudomonas syringae.

Por otra parte, si detectamos una mutación que se ha producido en la naturaleza, al azar en una planta, y que es responsable de un carácter de interés podemos, mediante la tecnología CRISPR/Cas, reproducirla sin necesidad de incorporar gen alguno.

En mi laboratorio comprobamos que la androesterilidad en el tomate está asociada al desarrollo de frutos partenocárpicos (sin semillas), que son fundamentales para producir tomates de uso industrial. Cuando editamos los genes que intervienen en la fabricación del polen de tomate, cualquier variedad produce frutos sin semillas.

Como hemos dicho, estas tecnologías también permiten incorporar genes foráneos en lugares precisos del genoma, por lo que se pueden utilizar para obtener una nueva generación de cultivos transgénicos (Beltrán, J.P., et al; 2020). Los mejoradores tienen puestas muchas esperanzas en la incorporación de las denominadas “New Plant Breeding Techniques” basadas en la edición genética.

Los factores políticos y regulatorios y el futuro de la agricultura

Conviene recordar ahora la importancia de los factores políticos y regulatorios. Es conocida la dificultad actual que impone la Unión Europea para cultivar cosechas transgénicas de primera generación.

Pues bien, sorprendentemente, de nuevo, respecto de las técnicas de edición genética, los órganos jurídicos responsables de las regulaciones europeas están dando el mismo tratamiento a las plantas editadas que reproducen con precisión una mutación de interés producida al azar en la naturaleza que a los cultivos transgénicos, cuya regulación se adoptó en base a un principio de precaución hoy ya superado; regulación que lleva más de 20 años sin modificarse.

La incorporación de las técnicas de edición de genomas a las técnicas de mejora de la agricultura del futuro es urgente. La mera edición de genes, cuando no se añade material genético, es similar a las mutaciones que ocurren espontáneamente en la naturaleza y no genera riesgos para la salud o para el medio ambiente distintos a los que se pueden producir utilizando la mejora tradicional.

Sin embargo, la edición genómica puede contribuir a la producción más sostenible y más resiliente al cambio climático. Deberemos juzgar los alimentos por lo que son y también por lo accesibles que resulten a los ciudadanos. Para garantizar el acceso de todos a los alimentos en las condiciones que defiende la FAO, deberemos permitir el uso y la evaluación de todas las tecnologías disponibles.

De acuerdo con las estimaciones demográficas vamos a necesitar todo tipo de alimentos, incluidos los orgánicos, en principio obtenidos con criterios de sostenibilidad, aunque sin efectos demostrados sobre la salud del consumidor.

Dado su alto precio, podría conducir a una dieta dual entre los que puedan y los que no puedan pagarlos, los alimentos obtenidos por mejora tradicional, los cultivos transgénicos sostenibles, los alimentos denominados como “fast food”, muy accesibles económicamente para el consumidor, aunque deficientes desde el punto de vista dietético y los alimentos mejorados mediante técnicas de edición genómica.

Conclusión

Se están produciendo avances del conocimiento que permiten augurar un aumento de nuestras capacidades de producir alimentos. Para garantizar la seguridad alimentaria se tendrán que conjugar las tecnologías de producción de alimentos, los mercados, el acceso económico de los individuos, las prácticas políticas y regulatorias y nuestros anhelos gastronómicos.