Menú
CRISPRpedia

CRISPR en agricultura

Reseñantes científicos Pamela Ronald Melinda Kliegman

Introducción ¿Cómo ayudarán las herramientas CRISPR a alimentar a las generaciones futuras?

Las herramientas CRISPR tendrán un gran impacto en la agricultura. Este capítulo de CRISPRpedia describe cómo se pueden usar las herramientas CRISPR para reproducir plantas y animales con rasgos útiles. También aprenderás sobre la diferencia entre plantas y animales editados con genoma y "GM" (genéticamente modificados).

Descargar recursos gráficos (CC BY-NC-SA 4.0)

Ingeniería de plantas

Los muchos métodos para cultivar plantas con los rasgos deseados

Vocabulario
Crianza selectiva, mutación, mutagénesis, transgénico, genéticamente modificado/GM/GMO

Crianza selectiva

Los esfuerzos de modificación genética de plantas, para mejorar el sabor, el rendimiento y más, comenzaron miles de años antes de que la gente supiera qué era el ADN . Por ejemplo, para desarrollar el maíz moderno, los antiguos agricultores en lo que hoy es México cultivaron selectivamente variantes raras de teosinte, una planta más delgada y herbácea. Sus esfuerzos pueden haber sido algo como esto:

  • Sembraron mucho teosinte para sus semillas
  • Notaron algunas plantas raras con cualidades que disfrutaban, como granos más grandes y jugosos.
  • Cultivaron y plantaron semillas de las plantas con el rasgo deseado, aumentando la frecuencia del rasgo en la población.
  • Repitieron este proceso cuando encontraron más plantas con características beneficiosas, como una mayor cantidad de granos por planta, lo que dio como resultado el cultivo que reconocemos como maíz.

Este proceso se llama crianza selectiva. Se basa en la aparición natural de variantes con un rasgo deseado, como resultado de cambios aleatorios ocasionales en el ADN, o mutaciones, que ocurren naturalmente durante la reproducción. Durante décadas o siglos, los agricultores mantienen y mezclan estos rasgos raros y deseados a través del apareamiento y producen plantas con las características que desean. Recuerde que el ADN codifica las proteínas que dan a las plantas sus características específicas: mediante la reproducción selectiva para cambiar los rasgos, los agricultores en realidad estaban seleccionando y reproduciendo plantas con las variantes de ADN que querían.

La reproducción selectiva ha sido muy importante en la historia de la civilización humana, creando cultivos con mayor rendimiento, mejor nutrición y haciendo que la agricultura sea más eficiente. Los cultivos creados con crianza selectiva también tienden a haber sido criados para tener un sabor menos amargo y más dulce que sus contrapartes silvestres, lo que resulta atractivo para nuestras papilas gustativas.

Mutagénesis/crianza de mutaciones

Los cambios en el ADN que conducen a cambios de rasgos visibles ocurren naturalmente, pero rara vez. Los criadores de plantas también han utilizado crianza de mutaciones or mutagénesis — técnicas que crean una gran cantidad de cambios aleatorios en el ADN — para que aparezcan más rápidamente. Esto funciona exponiendo las plantas a la radiación o aplicando productos químicos mutagénicos que provocan cambios aleatorios en el ADN. Algunas de las variantes de ADN no tendrán ningún efecto visible en el organismo. Algunos conducirán a rasgos nuevos pero indeseables. Y algunos llevarán nuevos rasgos deseables. Los investigadores examinan miles de plantas para encontrar individuos con los rasgos deseados. Al igual que en la crianza selectiva convencional, estos individuos se crían y propagan hasta que los investigadores tengan una cepa que muestre de manera confiable el rasgo deseado. Un ejemplo bien conocido es la toronja color rojo rubí, que se desarrolló mediante mutagénesis por radiación en la década de 1970. 

La reproducción por mutación es más rápida que la reproducción selectiva, pero al igual que la reproducción selectiva, la reproducción por mutación se basa en encontrar un rasgo deseado creado por cambios aleatorios. Las técnicas de reproducción selectiva y mutagénesis de ADN requieren mucho tiempo y son laboriosas. Y a veces los cambios aleatorios no deseados vienen junto con los cambios deseados cuando genes u otras secuencias de ADN importantes para un rasgo dado están cerca unas de otras en el ADN. Por ejemplo, los investigadores han descubierto que una secuencia de ADN importante para la altura de la planta de trigo está al lado de otra secuencia de ADN importante para el tamaño del grano. Si tienen una planta alta con granos pequeños, puede ser muy difícil obtener una planta alta con granos grandes.

más allá de la variación aleatoria

los enfoques de ingeniería del genoma , es decir, realizar cambios específicos, en lugar de aleatorios, en el ADN, pueden acelerar enormemente el proceso de producción de plantas con los rasgos deseados. 

TRANSGÉNICOS/OGMs

Para hacer plantas con los rasgos deseados de manera específica, los criadores de plantas pueden usar una variedad de técnicas de modificación genética para realizar alteraciones intencionales en el ADN de la planta. Pueden usar estas técnicas para cambiar, eliminar o agregar proteínas. Estas proteínas llevan a cabo funciones celulares que resultan en los rasgos que les interesa cambiar.

En el pasado reciente, utilizando estas técnicas clásicas de modificación genética, era mucho más fácil agregar nuevas secuencias de ADN que editar el ADN existente. Estas plantas modificadas con nuevas secuencias generalmente contenían algunas secuencias de ADN de otros organismos, a veces denominadas "ADN extraño". Un organismo con ADN de otro organismo se considera crianza transgénica. Los investigadores pueden crear plantas transgénicas rápidamente y, por lo general, vienen con menos rasgos no deseados que las variantes de plantas creadas con métodos que se basan en cambios aleatorios de ADN.

ilustración de un insecto (plaga)| Es posible que hayas oído hablar de las "plantas resistentes a insectos". Estas plantas de cultivo contienen genes de bacterias específicas (“genes Bt”) que las hacen tóxicas para los insectos, pero no para los humanos. Al cultivar cultivos Bt, los agricultores ya no necesitan usar pesticidas convencionales, que pueden ser costosos, tóxicos para los trabajadores agrícolas si los inhalan o manipulan, y que contaminan el suelo y el agua cercanos.

Cuando la gente habla de plantas genéticamente modificadas or GM o cultivos GM or u OGMs hoy en día se suele hablar de transgénicos. Aunque años de investigación científica muestran que los cultivos transgénicos actualmente en el mercado son seguros para comer. Sin embargo, los transgénicos han tenido problemas para ganar popularidad entre los consumidores: algunas personas se preocupan por la seguridad de sus alimentos o se oponen a la idea de mover genes de una especie a otra. Desde la perspectiva de un desarrollador o agricultor, el resultado práctico es que muchos países regulan las plantas transgénicas más estrictamente que las plantas no transgénicas. Los productores de plantas transgénicas deben gastar mucho dinero y tiempo para demostrar que sus productos son seguros y corren el riesgo de una reacción violenta de los consumidores con o sin estos datos.

Usando CRISPR para crear plantas con rasgos específicos

Los investigadores pueden utilizar la edición del genoma CRISPR genoma, para crear plantas con rasgos específicos y deseados. Los investigadores utilizan CRISPR para alterar con precisión las secuencias de ADN de las plantas que se sabe que están relacionadas con rasgos particulares, a fin de reproducir plantas con los rasgos deseados. 

Debido a que son tan precisas, las herramientas CRISPR evitan muchos de los efectos secundarios negativos de las antiguas técnicas de fitomejoramiento. Las herramientas CRISPR se pueden usar para realizar cambios en el ADN de la planta sin agregar ningún ADN extraño. En cambio, se pueden usar para hacer pequeñas ediciones en el ADN que ya se encuentra en las plantas. Los reguladores imponen regulaciones menos estrictas sobre estas plantas no transgénicas con genoma editado porque tienen secuencias de ADN que podrían ocurrir naturalmente: las herramientas CRISPR simplemente aceleran el proceso y agregan precisión.

A pesar de la utilidad de las herramientas CRISPR, aún no pueden reemplazar eficientemente las herramientas transgénicas más antiguas, por ejemplo, las herramientas que se usaron para crear cultivos Bt. Por ahora, además de los enfoques de mejoramiento, tanto CRISPR como las herramientas transgénicas más antiguas seguirán siendo importantes en la modificación genética de cultivos. A medida que las herramientas CRISPR continúan desarrollándose y perfeccionándose, podrían reemplazar a las herramientas más antiguas en la creación de cultivos transgénicos.

Entregando CRISPR a las plantas

Los investigadores pueden insertar herramientas CRISPR en las células vegetales mediante el uso de bacterias, rompiendo las paredes celulares de las plantas o inyectando ADN en las células vegetales.

Vocabulario
Entrega, Agrobacteria, protoplasto, entrega biolística, pistola de genes, nanotubo

Los investigadores utilizan plantas editadas en su genoma con tecnología de edición CRISPR para aprender sobre biología vegetal y resolver problemas agrícolas. Los procesos que usan los investigadores para crear plantas editadas en su genoma son un poco diferentes a los que se usan para crear microbios, células animales o animales editados en su genoma. Una de las principales razones de esto es que las plantas tienen paredes celulares que pueden ser difíciles de atravesar. Debido a esto, el desarrollo de protocolos para entregar herramientas de edición del genoma CRISPR a diferentes especies de plantas lleva tiempo.

Los investigadores entregan herramientas CRISPR a las plantas utilizando tres métodos principales:

Entrega por agrobacterias

En este método, los investigadores utilizan bacterias específicas, llamadas Agrobacterias,, como "repartidores". Primero, los investigadores codifican las herramientas CRISPR en piezas circulares especiales de ADN. Estos son los "paquetes" que entregarán las agrobacterias. Luego, usan descargas químicas o eléctricas para atravesar la pared celular de la planta y colocar estas piezas circulares de ADN en las agrobacterias. Luego cultivan las agrobacterias junto con las células vegetales.

A medida que crecen, las agrobacterias crean pequeñas agujas a base de proteínas. Usan estas agujas para inyectar los paquetes de ADN en las células vegetales. Las células de las plantas leen este ADN y fabrican las herramientas CRISPR codificadas. Luego, las herramientas se ponen a trabajar editando el ADN de la planta.

Este método funciona con muchas plantas diferentes, pero tiene algunos inconvenientes. En particular, el ADN inyectado se inserta en ubicaciones aleatorias en el genoma de la planta. Por lo tanto, las herramientas CRISPR codificadas se quedan después de haber realizado los cambios de ADN deseados. Cuanto más tiempo permanezcan las herramientas, más probable es que realicen ediciones no deseadas. Estas plantas también se consideran transgénicas, ya que el ADN que codifica las herramientas CRISPR se deriva de bacterias.

Los investigadores pueden usar técnicas adicionales para eliminar las herramientas CRISPR de sus plantas editadas. Por ejemplo, pueden cruzar sus plantas alteradas con plantas inalteradas. Parte de la descendencia resultante heredará solo el ADN con los cambios deseados y no las herramientas CRISPR. Estas técnicas son efectivas pero requieren mucho esfuerzo y tiempo.

Entrega por protoplastos

Al igual que los muros de los castillos, las paredes de las células vegetales protegen a las plantas y les proporcionan estructura. También evitan que los científicos utilicen la fuerza bruta (descargas químicas y eléctricas) para introducir el ADN en las células vegetales. Entonces, los investigadores han desarrollado formas de deshacerse de las paredes celulares de las plantas. Los científicos llaman a las células vegetales sin pared resultantes protoplastos. Los científicos pueden entregar herramientas CRISPR a los protoplastos mucho más fácilmente. Estas herramientas luego alteran o editan el ADN del protoplasto. Después de realizar los cambios deseados, los científicos a veces pueden cultivar plantas completas a partir de los protoplastos alterados, aunque esto sigue siendo un desafío para la mayoría de las plantas.

Con la entrega de protoplastos, los científicos pueden entregar herramientas CRISPR de codificación de ADN, pero también pueden entregar enzimas CRISPR-Cas y moléculas de ARN guía listas para usar. Estas herramientas listas para usar editan el ADN de la planta pero no se insertan en él. Esto evita que los investigadores tengan que tomar medidas adicionales para eliminar estas herramientas de sus plantas alteradas más adelante.

La entrega de protoplastos es efectiva, pero actualmente es difícil recrear plantas completas a partir de protoplastos. Este método no siempre es viable como método para reproducir plantas, pero es una forma eficiente de estudiar diferentes cambios en el genoma en un entorno de laboratorio.

Entrega biolística o por pistola de genes

En la entrega biolística , los investigadores literalmente disparan herramientas CRISPR a las células vegetales usando pistolas genéticas . Los investigadores cargan pistolas de genes con pequeñas partículas de oro recubiertas de herramientas CRISPR. Estas herramientas pueden estar en forma de ADN, ARN y/o enzimas CRISPR listas para usar. Luego disparan las partículas a las células vegetales. Las partículas viajan directamente a través de las membranas de las plantas y las paredes celulares. Las herramientas CRISPR luego se desprenden de las partículas y se ponen a trabajar editando el ADN de la planta.

Los métodos biolísticos se pueden utilizar para muchos tipos de plantas. Sin embargo, si los investigadores entregan ADN con métodos biolísticos, las cosas se complican un poco. Las células vegetales pueden insertar muchas copias del ADN entregado en su propio ADN. Esto puede resultar en una producción inútil o perjudicial de las herramientas CRISPR codificadas. También puede hacer que las herramientas sean difíciles de remover más adelante.

El futuro de la entrega de CRISPR a las plantas

Más allá de estos métodos más comunes, los científicos están desarrollando otros métodos que incluyen nanotubos como vehículos de reparto. Los nanotubos son pequeñas estructuras basadas en carbono que los científicos pueden recubrir con herramientas CRISPR listas para usar. Cuando crecen junto con células vegetales, estos tubos perforan las células. Las herramientas CRISPR luego viajan desde los tubos a las células de las plantas y comienzan a editar el ADN de la planta. A medida que los investigadores refinan sus nanotubos, tal vez usurpen las técnicas anteriores. ¡Tendremos que esperar y ver!

Aplicaciones de CRISPR en plantas

Las herramientas CRISPR podrían usarse en investigación, nutrición, biofabricación, conservación y más

Vocabulario
Biomasa, contención genética, propagación vegetativa

Cambio de rasgos con herramientas CRISPR

Las herramientas de edición del genoma CRISPR tienen muchas aplicaciones en las plantas: los investigadores las usan para aprender más sobre la biología de las plantas. Los fitomejoradores los utilizan para crear cultivos con características deseables. Los científicos pueden incluso usarlos para convertir plantas en frondosas instalaciones de fabricación. Los investigadores encuentran continuamente nuevas aplicaciones de edición de genes en plantas, muchas de las cuales van mucho más allá de la agricultura. ¿Qué otras aplicaciones puedes imaginar?

Herramientas CRISPR en la investigación de plantas

Las secuencias de ADN codifican las proteínas que dan a las plantas sus características específicas. Los agricultores han estado cultivando plantas de forma selectiva para obtener los rasgos deseados durante miles de años, pero todavía tenemos mucho que aprender sobre la genética de las plantas. Los científicos a menudo conocen algunas secuencias de ADN asociadas con rasgos particulares de la planta, pero es posible que no tengan una comprensión precisa de qué hacen las secuencias de ADN individuales o qué otros genes o secuencias también podrían estar involucrados. Las herramientas CRISPR pueden ayudarlos a resolver esto.

Por ejemplo, con las herramientas CRISPR, los investigadores pueden "romper" las secuencias de ADN de las plantas. Luego pueden ver cómo la ruptura afecta los rasgos que les interesan. Esto ayuda a revelar las funciones de las partes codificadas por el ADN roto. Consulte "Rompiendo genes para aprender sobre lo que hacen" en el capítulo de Tecnología CRISPR para revisar este concepto en profundidad.

Mejorar el crecimiento en condiciones estresantes

La población mundial está creciendo. Al mismo tiempo, el cambio climático está dificultando el crecimiento de muchos cultivos alimentarios importantes. Por lo tanto, los investigadores y los agricultores deben descubrir cómo adaptar la agricultura a las condiciones ambientales cambiantes y, a veces, cada vez más duras.

Los investigadores están trabajando activamente en esto y han descubierto algunas variantes de ADN que aumentan la resistencia de los cultivos a ambientes extremos, incluida la sequía. Ellos están usando herramientas CRISPR para hacer estos cambios en importantes cultivos básicos como el maíz, el trigo, el arroz y la caña de azúcar. Algunos de estos cultivos se están probando actualmente en el campo, y habrá más por venir.

Mejorar la resistencia a plagas y enfermedades

Al igual que nosotros, las plantas contraen infecciones. También pueden ser ingeridas por plagas. Juntos, estos causan una enorme pérdida de cosechas e ingresos para los agricultores. Incluso pueden acabar con variedades enteras de plantas. La tecnología de edición del genoma es una herramienta que los agricultores pueden usar para combatir plagas y enfermedades de las plantas.

Los agricultores han estado cultivando cultivos modificados genéticamente resistentes a los insectos durante muchos años. A menudo, estos cultivos producen proteínas bacterianas que matan o repelen insectos, evitando que las plagas de insectos coman los cultivos. Los 'cultivos BT' están diseñados para producir una toxina de la bacteria Bacillus thuringiensis, un insecticida natural que protege los cultivos de plagas pero no es dañino para los humanos.

Los agricultores también cultivan cultivos transgénicos resistentes a los herbicidas. Estos cultivos producen proteínas bacterianas que los hacen resistentes a los químicos que matan las plantas. Esto permite a los agricultores utilizar herbicidas para eliminar las malas hierbas sin dañar sus cultivos. Los rasgos en estos cultivos GM provienen de la adición de ADN bacteriano no vegetal a las plantas. En otras palabras, son transgénicos.

La edición del genoma CRISPR a veces puede crear plantas con rasgos similares mediante la edición dirigida del propio ADN de la planta, en lugar de agregar ADN que no sea de la planta. Por ejemplo, muchos virus necesitan proteínas vegetales para crecer, multiplicarse y propagarse. Los investigadores pueden usar herramientas CRISPR para romper o cambiar las proteínas vegetales que un virus en particular le gusta aprovechar. Como resultado, los virus no podrán propagarse dentro de las plantas editadas. Técnicas similares pueden hacer que las plantas sean resistentes a bacterias, hongos e insectos dañinos. 

Mejora de propiedades comerciales

Muchas de las plantas que tenemos hoy se hicieron con técnicas de mutagénesis de ADN y reproducción selectiva, pero a veces tienen efectos secundarios negativos. Estos efectos secundarios ocurren cuando los rasgos que no deseas vienen junto con los que sí deseas. A nivel molecular, esto puede suceder porque el ADN de un rasgo está al lado del ADN de otro, por lo que se transmiten juntos.

Un ejemplo de los efectos secundarios negativos se encuentra en muchas de las variedades de tomates rojos grandes en el supermercado. Los agricultores criaron estos tomates para que fueran hermosos y se transportaran sin convertirse en papilla, pero han perdido gran parte de su sabor. Las variedades de tomate reliquia más delicadas tienen sabores más dulces y brillantes, pero no se transportan bien.

Los investigadores pueden usar herramientas CRISPR para corregir estos efectos secundarios negativos, mejorando los cultivos de manera que sean más atractivos para los consumidores. Por ejemplo, los investigadores identificaron recientemente las secuencias de ADN responsables de los agradables sabores del tomate. Con las herramientas CRISPR, podrían editar o restaurar estas secuencias, creando versiones más sabrosas de los tomates de los grandes supermercados.

Algunas otras formas en que las herramientas CRISPR podrían cambiar las características de las frutas y vegetales incluyen:

  • Prevención de hematomas
  • Aumento de la vida útil
  • Creando frutas sin semillas
  • Cambio de color/apariencia/sabor
  • Mejora del perfil de nutrientes
  • Café descafeinado

Más allá de estas mejoras amigables para el consumidor, o poco amigables, dependiendo de cómo le guste su café, los investigadores también pueden hacer que las plantas sean más fáciles de cultivar. Por ejemplo, pueden cambiar la altura de los tallos para evitar que los cultivos se caigan o que las plantas esparzan sus semillas.

Hacer que las plantas sean más productivas

Las plantas usan la fotosíntesis para convertir la luz solar en energía que las ayuda a crecer, creando los tallos, hojas, semillas y frutos que forman su biomasa. Para producir alimentos y materias primas para la creciente población mundial, los agricultores necesitan formas de cultivar más biomasa vegetal. Y para proteger nuestro entorno natural, deben hacerlo utilizando menos recursos.

Diferentes tipos de plantas tienen diferentes sistemas fotosintéticos. Algunas bacterias también tienen sus propios sistemas fotosintéticos, y algunos de estos sistemas son más eficientes que otros para convertir la luz solar en energía y biomasa. Los investigadores están utilizando herramientas CRISPR para editar las proteínas involucradas en la fotosíntesis para producir plantas que sean mejores para convertir la luz solar en biomasa, ayudando a los agricultores a alimentar al mundo.

Mejorando la nutrición

Personas de todo el mundo sufren de mala nutrición. Los investigadores pueden usar herramientas CRISPR para crear variedades de plantas más nutritivas. Por ejemplo, pueden hacer que algunas plantas produzcan más vitaminas, como los llamados “plátanos dorados”, que tienen un color más rico debido a su mayor cantidad de betacaroteno. Pueden hacer que algunas plantas sean más fáciles de digerir para los humanos y otros animales. Incluso pueden eliminar alérgenos y toxinas; por ejemplo, los investigadores están trabajando para eliminar las proteínas alergénicas del maní y el cianuro de la yuca. Si se utilizan para estos fines, las herramientas CRISPR podrían poner alimentos más nutritivos y seguros a disposición de más personas.

Convertir las plantas en fábricas biológicas

Los investigadores y las empresas de biotecnología fabrican productos terapéuticos como anticuerpos, insulina y vacunas, así como otros compuestos orgánicos utilizando células. A menudo usan bacterias y células de levadura para estos procesos, pero para ciertos productos, los investigadores usan plantas en su lugar. Por ejemplo, la vacuna experimental contra el ébola, ZMapp, se produjo utilizando plantas de tabaco.

Las herramientas CRISPR pueden hacer que sea mucho más fácil convertir plantas en fábricas terapéuticas. Con estas herramientas, los científicos pueden diseñar e insertar rápidamente ADN que codifica una secuencia terapéutica en las plantas, lo que da como resultado una producción terapéutica eficaz y eficiente.

Los investigadores también pueden usar plantas para crear productos químicos industriales. Por ejemplo, pueden usar herramientas CRISPR para hacer que las plantas produzcan más de sus aceites naturales. También pueden alterar estos aceites para hacerlos más útiles para los humanos, incluidos los ingredientes utilizados en combustibles, lubricantes, sabores y fragancias. También es posible alterar el contenido de azúcar de las plantas, haciendo que las plantas alteradas sean más fáciles de fermentar en productos como el etanol.

Contención genética

A algunas personas les preocupa que las plantas con cambios genéticos modificados propaguen su ADN alterado a las especies silvestres. Esto podría suceder si las plantas alteradas pueden reproducirse con plantas silvestres cercanas. Las plantas de cultivo a menudo son demasiado diferentes genéticamente de sus contrapartes silvestres para poder reproducirse con ellas. Muchas prácticas convencionales de fitomejoramiento, incluido el uso común de cultivos híbridos que son estériles, también impiden que las plantas de cultivo se reproduzcan con parientes silvestres cercanos. Esto se conoce comon como contención genética. Los métodos de contención genética se pueden usar junto con los métodos de contención física que ponen distancia o estructuras físicas como muros entre las plantas alteradas y sus contrapartes silvestres. 

Las herramientas CRISPR podrían usarse para crear nuevos métodos de contención genética para cultivos modificados genéticamente. Por ejemplo, los investigadores pueden crear plantas que no produzcan flores o polen viables. Para las angiospermas, las flores contienen los órganos reproductivos de las plantas y, sin ellos, no pueden reproducirse sexualmente. Por ejemplo, los agricultores orgánicos en el condado de Yolo, California, cultivan girasoles con polen estéril para no cruzar los girasoles cercanos que se cultivan para semilla. Alternativamente, los agricultores pueden propagar muchos cultivos vegetativamente. En la propagación vegetativa, los agricultores cortan partes de las plantas que pueden volver a crecer en plantas completas. Esto permite que las plantas se propaguen sin cruces accidentales con variedades de plantas vecinas o especies silvestres.

EDICIÓN PARA EL CAMBIO CLIMÁTICO Y LA CONSERVACIÓN

El cambio climático es el mayor desafío que enfrenta la humanidad hoy en día, y los investigadores están buscando todas las herramientas posibles para ayudar a la sociedad a adaptarse y revertir los efectos, incluida la edición del genoma CRISPR. Los investigadores están utilizando herramientas CRISPR para abordar el cambio climático en tres formas principales: 

  1. Ayudar a los cultivos a adaptarse a las condiciones climáticas cambiantes: los investigadores están utilizando herramientas CRISPR para desarrollar cultivos que puedan resistir la sequía, el aumento de las temperaturas y el aumento de la salinidad. 
  2. Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de la agricultura. Los microbios son la mayor fuente de emisiones de gases de efecto invernadero de la agricultura. Los investigadores están utilizando herramientas CRISPR para estudiar estas comunidades de microbios, o 'microbiomas'. Aprende más aquí. 
  3. Usar la ingeniería genómica basada en CRISPR para mejorar la capacidad natural de las plantas y los suelos para capturar carbono de la atmósfera y almacenarlo durante largos períodos de tiempo. El aumento de la biomasa vegetal no solo ayuda a que la agricultura sea más eficiente, sino que reduce la necesidad de fertilizantes químicos y captura más carbono de la atmósfera. 

 

Cuando se trata de conservación, varias especies de plantas silvestres están amenazadas por plagas e infecciones, y estas amenazas están aumentando debido al cambio climático.

Por ejemplo, en el oeste de los Estados Unidos, el cambio climático está aumentando las poblaciones de escarabajos descortezadores en las coníferas, lo que, a su vez, empeora los problemas de los incendios forestales. En la costa este de los EE. UU., un hongo patógeno que causa el cancro del castaño mató a más de 4 mil millones de castaños americanos en el siglo 20, devastando ecosistemas silvestres y afectando a las comunidades que dependían de ellos. Las herramientas CRISPR podrían usarse potencialmente para hacer que estas especies sean resistentes a plagas o infecciones, ayudando a restaurar la biodiversidad y ayudar en la conservación de las plantas.  

🎥 | Obtenga más información sobre el castaño americano y los diferentes enfoques para restaurarlo: cruzamiento, ingeniería genética y edición del genoma basada en CRISPR. 

El potencial de las herramientas CRISPR viene con posibles impactos ecológicos y cuestiones éticas. Los investigadores y las comunidades afectadas deben considerar estos impactos antes de liberar especies modificadas en un entorno silvestre. Las preocupaciones son similares a las descritas en profundidad para impulsos genéticos en el capítulo respecto a la Tecnología CRISPR de este recurso e incluyen que las plantas modificadas podrían cambiar especies enteras; impacto en los humanos que viven junto a estas especies y las utilizan con fines alimentarios, prácticos o espirituales; y efectos dominó impredecibles en todo un ecosistema. Cualquier decisión de colocar especies modificadas en ecosistemas naturales debe tomarse en conjunto con las comunidades afectadas.

Aplicaciones futuras de herramientas CRISPR en plantas

Estamos solo al comienzo de los esfuerzos basados ​​en CRISPR para producir plantas que puedan combatir plagas, alimentar a más personas, producir compuestos terapéuticos y más. Es probable que pronto veamos los impactos de estos esfuerzos. En los próximos años aparecerán aplicaciones cada vez más creativas de las herramientas CRISPR.

Ingeniería de animales de granja

Los muchos métodos para producir ganado con las características deseadas

Vocabulario
Crianza selectiva, reproducción convencional, embrión, mosaicismo, mosaico, transferencia/clonación nuclear de células somáticas, clones, células somáticas, núcleo/núcleos, pluripotente

Al igual que las plantas, los esfuerzos de modificación animal (para obtener animales de granja que fueran domesticados, más fáciles de criar y que produjeran más leche o carne) comenzaron miles de años antes de que la gente supiera qué era el ADN. En esta sección, aprenderá sobre diferentes formas de alterar el ADN animal, desde las formas antiguas hasta las modernas, y cómo la edición del genoma CRISPR podría revolucionar la modificación animal para la agricultura. 

Ganadería convencional

Las vacas, los cerdos, las gallinas, las ovejas y las cabras que criamos hoy en día son bastante diferentes de sus ancestros salvajes. Los agricultores mantienen razas separadas de ganado para propósitos específicos. Por ejemplo, las gallinas ponedoras ("ponedoras") producen más huevos que las gallinas productoras de carne ("pollos de engorde"), mientras que las gallinas productoras de carne tienen más masa muscular para el consumo.

Los agricultores, y más tarde las empresas de agricultura industrial, alcanzaron este nivel de especialización ganadera con crianza selectiva. Esto sucede por un proceso similar en el ganado como en las plantas de cultivo: esperan que los rasgos deseados ocurran naturalmente en sus animales. Luego aparean selectivamente animales con el rasgo. Después de muchas generaciones de apareamientos, los granjeros obtienen razas con buenas mezclas de rasgos para fines específicos. Esto también se conoce como reproducción convencional.

Si bien la crianza selectiva ha tenido diferentes formas durante milenios, la agricultura animal industrial es una de las industrias más grandes de los Estados Unidos. El ganado de raza pura, por ejemplo, forma parte de una industria altamente especializada y rastreada. Hay registros de todos los toros productores de esperma junto con su información genética y cualidades únicas. Los granjeros comerciales piden esperma de estos criadores y vacas inseminadas artificialmente, siguiendo el desempeño económico de la descendencia. También existen sistemas industriales similares para otros animales.

El mejoramiento convencional moderno utiliza información genética y, en ocasiones, técnicas más antiguas de edición del genoma. CRISPR recién comienza a ser parte del conjunto de herramientas. Mediante el uso de herramientas CRISPR, las empresas agrícolas están comenzando a generar rápidamente razas de ganado con rasgos deseados o nuevos. Siga leyendo para conocer las diferentes formas en que los investigadores están incorporando herramientas CRISPR en la agricultura animal.

Edición del genoma embrionario

A los investigadores les gustaría cambiar los rasgos del ganado alterando el ADN animal. Cuando un óvulo fertilizado comienza a dividirse, los científicos llaman a la masa resultante de células un embrión. Los investigadores pueden aislar embriones y alterar su ADN con CRISPR. Estos embriones pueden luego implantarse en madres sustitutas y convertirse en animales completos con el rasgo deseado. Los inconvenientes de la edición embrionaria son mosaicismo y edición ineficiente:

  • Mosaicismo - Los embriones están hechos de múltiples células, cada una con dos copias del genoma (generalmente, una copia de cada padre biológico) en el núcleo. Cuando CRISPR u otras herramientas de ingeniería del genoma se aplican a los embriones, generalmente pueden alterar algunas de las copias del genoma, pero no todas las copias en cada célula. Por lo tanto, los animales que crecen a partir de embriones alterados no suelen tener células 100 % alteradas. Tienen algunas células con ADN alterado y otras con ADN inalterado: esta mezcla se llama mosaicismo genético. Los animales de mosaico pueden mostrar el rasgo deseado, pero si pueden o no transmitirlo a su descendencia depende de si sus espermatozoides u óvulos tienen los cambios en el ADN. O es posible que no muestren el rasgo deseado, pero aún así puedan transmitirlo si se alteran sus espermatozoides u óvulos.
  • Edición ineficiente - Al realizar investigaciones de ingeniería genómica, los científicos tienen muchas células con las que trabajar. Pueden intentar alterar el ADN varias veces hasta que lo hagan bien. También pueden examinar células cultivadas en laboratorio para encontrar las únicas con los cambios deseados. Al editar embriones, los científicos solo tienen unos pocos embriones con los que trabajar y es difícil alterar suficientes para producir los cambios de ADN correctos. A medida que las técnicas mejoren y la edición se vuelva más eficiente, más cambios de ADN serán viables.

Clonación

Puede que hayas oído hablar de la clonación. La clonación ha sido durante mucho tiempo de interés para los agricultores y la industria de la agricultura animal como una forma de reproducir animales que ya tienen los rasgos deseados. Por lo general, tanto los criadores como los consumidores prefieren obtener rasgos como una salud robusta, una gran masa muscular y una alta fertilidad a través de la genética, en lugar del uso de antibióticos, hormonas de crecimiento u otras drogas. A través de la clonación, los criadores de ganado pueden crear una copia genética de un animal existente. A nivel genético, esto es como crear un gemelo idéntico.

En la clonación de animales, los investigadores usan células animales adultas llamadas células somáticas para crear clonesidénticos. Este proceso hace uso de una técnica llamada 'transferencia nuclear de células somáticas' (SCNT, por sus siglas en inglés). Los científicos usan SCNT ampliamente en la creación de animales con genoma editado.

Recuerde que las células animales tienen subcompartimentos. Estos son como pequeños "cuartos" en toda la célula. Una de estas habitaciones se llama el núcleo (plural: núcleos) y contiene el ADN de la célula.

Los óvulos y los espermatozoides combinan sus núcleos durante la fecundación. Como resultado, su ADN se mezcla. Los óvulos fertilizados luego crecen y se dividen para formar fetos que eventualmente se convierten en crías. Todas las células de estos animales contienen ADN de los óvulos y espermatozoides de sus progenitores.

SCNT elude el proceso de fertilización. Los espermatozoides y los óvulos no se combinan en SCNT. En cambio, los investigadores extraen el núcleo de un óvulo fertilizado y lo reemplazan con el núcleo de una célula adulta.

El nuevo núcleo del huevo actúa como su nuevo CEO. Una vez implantado en una madre sustituta, el óvulo sigue creciendo hasta convertirse en un animal completo. Pero lo hace bajo la dirección del núcleo donado y su ADN. Así, el óvulo forma un animal genéticamente idéntico al animal que donó el núcleo: un clon. Este es el proceso que creó la famosa oveja Dolly en la década de 1990.

SCNT es técnicamente muy desafiante y, en la mayoría de los casos, los intentos de SCNT no tienen éxito. A veces, los óvulos mueren después de la implantación. Incluso si se implantan con éxito, a menudo mueren durante el desarrollo fetal. Y muchos animales clonados que superan el desarrollo solo viven un corto período de tiempo. Los investigadores continúan refinando sus técnicas para obtener mejores tasas de éxito con SCNT.

A pesar de estos desafíos, a veces es posible que los investigadores creen animales con ADN editado usando SCNT. Primero, aíslan células de animales adultos. Luego cultivan estas células en el laboratorio. En el laboratorio, pueden usar herramientas CRISPR para editar el ADN de las células. Luego, toman los núcleos de estas células editadas y los usan en SCNT. Cualquier animal adulto que resulte tendrá ADN editado y debe mostrar los rasgos deseados codificados en su ADN editado y poder transmitir el rasgo a su descendencia. 

Edición del genoma espermático

En las estrategias descritas anteriormente, los científicos alteran las células antes de implantarlas en sustitutos. La implantación exitosa tiene muchos desafíos logísticos. En particular, las madres sustitutas deben estar biológicamente preparadas para la implantación. Aun así, la tasa de éxito para implantar un óvulo o un embrión fertilizado es mucho más baja que para la fertilización que ocurre a la antigua, a través del apareamiento. 

Para eludir este desafío, en lugar de alterar óvulos o embriones, los investigadores a veces alteran a los machos para que no produzcan su propio esperma. Luego pueden proporcionar a los machos con células madre de esperma que se alteran para producir espermatozoides con el rasgo deseado. Estos machos pueden hacer el trabajo preliminar de encontrar hembras receptivas y aparearse, lo que da como resultado que su esperma cree animales alterados a través de la reproducción convencional. La destacada investigadora en biotecnología animal Alison Van Eenennaam lo ha llamado "inseminación artificial en pie".

Aplicaciones de CRISPR en ganadería

Las herramientas CRISPR podrían usarse para determinar el sexo de la descendencia, aumentar la masa muscular, mejorar la resistencia a las enfermedades, mejorar la tolerancia al calor y más.

Aplicaciones actuales y futuras de la edición del genoma en el ganado

Usando enzimas CRISPR para hacer ediciones específicas de ADN, se puede crear ganado con un rasgo deseado en tan solo una generación. Los investigadores esperan crear razas de ganado con una serie de características nuevas. Muchas de las aplicaciones mencionadas tienen como objetivo hacer que la agricultura industrial sea más eficiente y aumentar los rendimientos y las ganancias, mientras que otras tienen como objetivo los rasgos que los consumidores valoran.

Sexo de la descendencia

  • Ganado que produce descendencia de un solo sexo:
    • Al igual que con los pollos, razas específicas de ganado producen carne de alta calidad. Dentro de estas razas, los machos producen mejor carne que las hembras. Por lo tanto, algunos granjeros preferirían obtener solo crías machos para aumentar la cantidad de carne de alta calidad que producen. Los investigadores están usando herramientas CRISPR para insertar una secuencia de ADN en algunos toros de esta raza para que solo tengan descendencia macho. Todos estos machos deberían producir carne de alta calidad.
    • En India existen leyes que impiden la matanza de ganado, que es sagrado en la religión hindú practicada por la mayoría de los residentes del país, pero las vacas lecheras siguen siendo valiosas. Las personas que tienen toros a menudo los echan a la calle porque alimentarlos y alojarlos es una carga. La edición del genoma para producir solo descendencia femenina se ha propuesto como una posible solución.

 

  • Pollos con huevos que brillan en rojo si contienen machos: Las hembras de las razas de gallinas ponedoras son más valiosas que los machos. De hecho, los granjeros a menudo sacrifican a los machos de estas razas. Si los agricultores pudieran identificar los huevos masculinos antes de que eclosionen, los agricultores podrían conservar preferentemente los huevos femeninos para reproducirlos y vender los huevos masculinos para comer. Investigadores en Australia están utilizando herramientas CRISPR para hacer que los huevos de gallina machos brillen de color rojo bajo un tipo especial de luz para permitir una clasificación rápida.

Incrementar la masa muscular

La masa muscular de un animal determina parcialmente la calidad de la carne que produce. A algunos ganaderos les gustaría aumentar la masa muscular de su ganado para producir más carne de alta calidad utilizando menos recursos.

Los investigadores conocen una secuencia de ADN particular que frena la producción muscular. Planean usar herramientas CRISPR para eliminar o desactivar esta secuencia de ADN. Los animales con esta alteración deberían desarrollar más músculo como resultado. De hecho, los investigadores ya han utilizado herramientas CRISPR para hacer esto en cerdos, conejos y cabras. En algunos casos ha habido compensaciones: los animales resultantes han aumentado la masa muscular, pero también tienen problemas de salud. Otros casos han tenido más éxito: en 2022, Japón aprobó la venta de un besugo editado genéticamente que produce un 20 % más de carne tras la eliminación de un gen mediante CRISPR. La investigación en esta área está en curso.

Mejora de la resistencia a enfermedades

El ganado a veces contrae infecciones. Un patógeno específico, como una bacteria o un virus en particular, usará una proteína específica en el exterior de la célula, como si fuera su propia manija de puerta. Los investigadores están utilizando herramientas CRISPR para eliminar las secuencias de ADN que codifican algunos de estos "mangos" en el ganado, dándoles resistencia a ciertas enfermedades infecciosas. La tuberculosis en bovinos y PRRSv en cerdos, ambas enfermedades respiratorias que pueden propagarse rápidamente cuando los animales se mantienen en espacios cerrados, son dos de los objetivos actuales. 

Mejora de la tolerancia al calor

Las altas temperaturas pueden ser peligrosas para el ganado. En el ganado, las altas temperaturas pueden reducir la producción de leche e incluso provocar la muerte por calor. El ganado "liso", que tiene el pelo más corto y brillante, es una variante natural que vive en el Caribe. Su pelaje inusual les ayuda a mantenerse más frescos a temperaturas más altas. Los investigadores han identificado la variante genética responsable de este rasgo y han utilizado la edición por CRISPR-Cas9 para replicar el rasgo en el ganado de carne estadounidense que puede llegar a los consumidores en los próximos años.

El ganado vacuno modificado puede usarse para adaptar la ganadería a un planeta que se calienta rápidamente, o para establecer poblaciones de ganado en climas cálidos donde el ganado no es nativo.

Eliminación de alérgenos

Los investigadores conocen algunas de las proteínas celulares que hacen que las personas sean alérgicas a los productos animales. Esperan utilizar herramientas CRISPR para eliminar o desactivar el ADN que codifica estas proteínas. Los productos producidos a partir de animales alterados de esta manera deberían ser menos alergénicos.

Preocupaciones éticas sobre la edición del genoma en el ganado

Algunas personas desconfían de la edición del genoma del ganado. Desde la perspectiva del bienestar animal, existe la preocupación de que la edición del genoma se utilice para habilitar aún más las prácticas agrícolas industriales problemáticas. El hacinamiento es un buen ejemplo: dar a los animales un espacio adecuado para moverse y mantenerlos en lugares limpios es una forma eficaz de prevenir la propagación de enfermedades respiratorias, pero los incentivos económicos impulsan a la agricultura industrial a aglomerar a los animales. La edición de los animales para que puedan evitar la propagación de enfermedades comunes puede conducir a que sean hacinados en condiciones más estrictas e insalubres que maximicen las ganancias sobre el bienestar animal. Otras personas tienen preocupaciones éticas sobre si editar animales y humanos es "jugar a ser Dios", y por el hecho de que las técnicas de ingeniería genómica perfeccionadas en otros mamíferos podrían finalmente usarse en humanos. Y aún otras preocupaciones éticas se centran en el daño ambiental y el gran impacto climático de la agricultura animal que ya está ocurriendo. Estas preocupaciones deben discutirse al considerar si CRISPR debe usarse o no para editar ganado.

 

El futuro del ganado transgénico

Esta es solo una muestra de las muchas formas en que podemos obtener nuevos rasgos en el ganado mediante la edición del genoma CRISPR. Otra área de investigación activa es el uso de la edición del genoma para reducir el impacto del ganado en el cambio climático mediante la alteración de las comunidades microbianas que crean metano en los intestinos de los animales.

Históricamente, ha sido difícil conseguir que los animales genéticamente modificados sean aprobados para el consumo humano. Esto se debe en parte al hecho de que los animales modificados genéticamente en el pasado a menudo eran transgénicos, con secuencias de ADN insertadas de otras especies, y se colocan automáticamente en una categoría especial de regulación en algunos países. Por el contrario, muchos de los cambios en el ADN realizados con las herramientas CRISPR podrían provenir de la reproducción convencional, solo que llevaría mucho más tiempo. En este punto, las regulaciones sobre animales editados con CRISPR en los EE. UU. también son estrictas. Por ahora, China está liderando el camino en las aplicaciones de agricultura animal.