Tecnología CRISPR: ¿Qué es y cómo puede ayudar a combatir el cambio climático?

Un equipo de expertos en plantas y suelos usa la edición del genoma CRISPR en algunos cultivos comunes para aumentar y acelerar el almacenamiento de carbono.

Por Madeleine Stone
Publicado 21 jul 2022 12:01 GMT-3
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La ecologista microbiana de la Universidad de California, Berkeley, Jill Banfield (derecha), con los miembros del laboratorio Jack Kim y Bethany Kolody, estudian los microbios del suelo en los campos de arroz en la Estación Experimental del Arroz en Biggs, California. Los científicos trabajan para identificar los microbios responsables de las emisiones de metano, así como los que pueden almacenar carbono en el suelo.

Fotografía de Andy Murdock Innovative Genomics Institute

Para evitar niveles críticos de calentamiento global, los científicos advierten que no alcanzará con dejar de quemar combustibles fósiles que liberan carbono en el aire. Dado que es prácticamente imposible que la humanidad lo haga tan rápido como se requiere, se estima que habrá que extraer el carbono del aire e intentar almacenarlo.

Las plantas son una de las mejores herramientas que tenemos para hacerlo, ya que estos colectores solares vivos capturan cada año miles de millones de toneladas de dióxido de carbono de la atmósfera mediante la fotosíntesis. Aproximadamente la mitad de ese carbono va a parar a las raíces y, finalmente, al suelo, donde puede permanecer durante cientos o miles de años.

¿Pero qué pasaría si pudiéramos crear plantas y suelos que fueran aún mejores en la captura de carbono? Con la edición del genoma CRISPR (un nuevo y revolucionario conjunto de herramientas de biología molecular que permite a los científicos realizar ediciones rápidas y precisas en el código de ADN que sustenta toda la vida) eso podría ser posible.

El mes pasado, el Innovative Genomics Institute (IGI), un consorcio de investigación del área de la Bahía de San Francisco (Estados Unidos) fundado por la pionera de CRISPR, Jennifer Doudna, comenzó a explorar la idea en serio. Con una donación de 11 millones de dólares del Instituto Chan Zuckerberg, un equipo de genetistas de plantas, científicos del suelo y ecologistas microbianos se embarcó en un esfuerzo de tres años utilizando CRISPR para crear nuevas variedades de cultivos que hagan la fotosíntesis de forma más eficiente y canalicen más carbono hacia el suelo. 

Con el tiempo, los investigadores esperan crear semillas de arroz y sorgo editadas genéticamente que, si se plantan en todo el mundo, podrían extraer más de 1000 millones de toneladas adicionales de carbono del aire cada año.

Las plántulas de plantas editadas genéticamente crecen en el Instituto de Genómica Innovadora, donde se han desarrollado protocolos para editar genéticamente más de 30 cultivos alimentarios mundiales.

Fotografía de Benton Cheung Innovative Genomics Institute

Se trata de un objetivo tremendamente ambicioso, y es probable que el equipo se enfrente a numerosos retos en el laboratorio antes de que sus plantas que absorben el CO2 puedan ser plantadas. Otras consideraciones sociales, políticas y éticas determinarán si esos cultivos son adoptados ampliamente por los agricultores. Pero los investigadores creen que su ambicioso proyecto responde a la urgencia de la crisis climática.

"El cambio climático es un problema muy serio", afirma Brad Ringeisen, director ejecutivo del IGI y principal investigador del proyecto. "Está amenazando al mundo entero. CRISPR puede utilizarse para lograr efectos positivos en el clima, así que vamos a por ello".

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¿Cómo funciona la tecnología CRISPR?

La capacidad de las plantas para secuestrar carbono de forma natural comienza en el interior de unos diminutos compartimentos celulares llamados cloroplastos. Allí, la energía de la luz solar se utiliza para extraer electrones de las moléculas de agua y añadirlos al dióxido de carbono, transformándolo en glucosa, un azúcar simple. A continuación, la planta utiliza el carbono orgánico para hacer crecer nuevas hojas, brotes y raíces.

La maquinaria bioquímica de la fotosíntesis tardó cientos de millones de años en evolucionar. Pero en las últimas décadas, los biólogos de plantas han descubierto que el proceso es sorprendentemente ineficiente. Por ejemplo, cuando hace mucho sol en el exterior, las plantas suelen desactivar las proteínas clave que participan en la recogida de fotones de luz. Esto ayuda a garantizar que no dediquen demasiados recursos a la recolección de luz solar cuando otros factores, como el agua y los nutrientes, podrían limitar su crecimiento.

Pero no es necesario que las plantas hagan eso, explica David Savage, biólogo vegetal de la Universidad de California en Berkeley y miembro del equipo de investigación del IGI. Las plantas "pueden mantener la fotosíntesis al máximo" y convertir esa luz solar en carbono almacenado si los humanos se aseguran de que están bien regadas y fertilizadas.

Durante años, los investigadores han intentado mejorar la fotosíntesis utilizando la ingeniería genética tradicional: introduciendo trozos de ADN de bacterias, o de otras plantas, con rasgos deseables, en los genes que codifican las proteínas que recogen la luz y otra maquinaria bioquímica.

 La edición de genomas mediante el uso de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente espaciadas, o CRISPR, es diferente. El sistema CRISPR, que evolucionó de forma natural en las bacterias para luchar contra los virus, es como un par de tijeras moleculares que los científicos pueden utilizar para realizar ediciones de cortar y pegar en el genoma de un organismo sin introducir ningún tipo de ADN extraño.

Más rápida y precisa que las anteriores técnicas de ingeniería genética, la edición del genoma con CRISPR abre la puerta a rápidos avances. "Podemos empezar a optimizar las vías (de la fotosíntesi) de una forma que ha sido completamente imposible", enfatiza Savage.

Trabajando primero con células individuales, Savage y sus colegas utilizarán CRISPR para realizar millones de pequeñas ediciones genéticas en el arroz, un cultivo que es relativamente fácil de manipular genéticamente, en parte porque ha sido muy bien estudiado para la ingeniería genética en el pasado. A continuación, los investigadores analizarán las células en busca de mutaciones que puedan hacer más eficientes los pasos clave de la fotosíntesis. Finalmente, tomarán las líneas celulares más prometedoras y cultivarán plantas de arroz reales para ver cómo se comportan sus modificaciones.

Sobre la base de estimaciones publicadas anteriormente, Savage cree que la acumulación de múltiples modificaciones genéticas beneficiosas podría aumentar la eficiencia de la fotosíntesis (y, por tanto, la cantidad de carbono que las plantas de arroz capturan en sus tejidos) en un 30% o más.

Más profundo

Sin embargo, para aumentar el secuestro de carbono en las tierras de cultivo, parte de ese carbono adicional debe llegar al subsuelo. En una investigación paralela dirigida por la genetista de cultivos Pamela Ronald, de la Universidad de California (Davis), los investigadores examinarán una biblioteca de 3200 cepas mutantes de arroz alojadas en el IGI en busca de variedades con rasgos radiculares beneficiosos. Entre ellas se encuentran cepas de arroz de raíces largas que pueden canalizar el carbono hacia las capas más profundas del suelo, así como cepas cuyas raíces liberan más moléculas ricas en azúcar, llamadas exudados, que alimentan el crecimiento de las comunidades microbianas del suelo.

Una vez que Ronald y sus colegas hayan identificado cepas de arroz con rasgos radiculares interesantes, esperan utilizar la edición genómica CRISPR para optimizar aún más esos rasgos.

Wolfgang Busch, biólogo de plantas del Instituto Salk y quien dirige la iniciativa Harnessing Plants, un esfuerzo independiente para diseñar cultivos con un mayor potencial de secuestro de carbono en el suelo, afirma que muchos rasgos radiculares beneficiosos ya existen en la naturaleza. Su equipo, por ejemplo, ha identificado variedades naturales de sorgo que producen más raíces y más largas. Es "incuestionable", destaca Busch, que estos rasgos pueden manipularse aún más utilizando CRISPR.

Pero Busch advierte que editar esos rasgos de forma que produzcan beneficios inequívocos será un reto. Las manipulaciones genéticas que dan resultados prometedores en una placa de Petri o en un invernadero pueden no dar los mismos resultados en el campo, donde las condiciones ambientales son más variables.

 Las modificaciones que ofrecen ventajas específicas, como un enraizamiento más profundo, también podrían tener efectos secundarios no deseados, como la alteración del momento de desarrollo de las semillas. Todas estas cuestiones son las que los científicos esperan tener que resolver durante el proceso de investigación. Busch sostiene que es importante tenerlo en cuenta a la hora de calcular el tiempo que se tardará en comercializar las nuevas semillas.  

"Básicamente prevemos que la mayoría de las cosas que descubrimos en el invernadero y en el laboratorio no producirán" los efectos deseados en el campo, alcara Busch. "La solución es identificar muchas de ellas para que algunas lleguen a buen puerto".

La última frontera

Si la ingeniería de las plantas para canalizar más carbono bajo tierra será un desafío, garantizar que ese carbono permanezca en el suelo a largo plazo sumerge el proyecto en un territorio científico desconocido. "Esa es la parte más difícil", asegura Ringeisen.

Una compleja comunidad de microorganismos y hongos descomponen el carbono que las plantas depositan en el suelo, transformándolo en una enorme variedad de compuestos diferentes. Parte de ese carbono es un combustible de rápida combustión para los microbios, que lo engullen y devuelven el dióxido de carbono a la atmósfera. Pero otra parte del carbono no es tan fácil de descomponer para los microbios, debido a su química, su ubicación dentro de grandes partículas llamadas agregados o su tendencia a adherirse a las superficies minerales. Estas moléculas forman una reserva de carbono estable en el suelo que puede durar décadas o más.

Los científicos siguen tratando de entender cómo la diversidad física, química y biológica de los suelos da forma a esa reserva de carbono estable. Los expertos en suelos del equipo de investigación del IGI esperan contribuir a esta base de conocimientos y, en última instancia, utilizar lo que aprendan para mejorar el secuestro de carbono.

En cuanto a la biología, la ecologista microbiana de la UC Berkeley Jill Banfield y sus colegas utilizarán herramientas de secuenciación genómica para investigar los microbios específicos y los rasgos del ciclo del carbono en el suelo que rodea a los cultivos editados con CRISPR. Banfield dice que está especialmente interesada en buscar especies microbianas que, al igual que las plantas, utilicen el dióxido de carbono directamente para crear su propio alimento, y aquellas que produzcan polisacáridos extracelulares (sustancias pegajosas y azucaradas que actúan como pegamento), potenciando la formación de agregados en el suelo que atrapan el carbono. 

El objetivo principal del trabajo microbiano, continúa Banfield, es desarrollar "conocimientos básicos sobre lo que ocurre en el suelo" y cómo la edición de plantas con CRISPR lo transforma. Pero en el futuro también será posible modificar directamente los microbios del suelo. 

La investigación que Banfield, Doudna y otros publicaron a principios de este año demuestra un enfoque basado en CRISPR para realizar ediciones de ADN dentro de una comunidad microbiana diversa. Se trata de un enorme salto adelante con respecto al funcionamiento actual de la edición genética microbiana, por eso los investigadores deben aislar primero las especies individuales y cultivarlas en el laboratorio, un proceso que requiere mucho tiempo y es propenso a los fallos.

Aún así, es demasiado pronto para saber si este novedoso método de edición comunitaria puede utilizarse para mejorar de algún modo los suelos. "El suelo es la última frontera de eso", dice Ringesein. "Pero es algo que vemos como una posibilidad".

Contando con los átomos

Mientras se lleva a cabo la investigación microbiana, la científica del suelo del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore Jennifer Pett-Ridge y sus colegas tienen una tarea muy importante: contar los átomos de carbono para asegurarse de que todo el concepto, desde las células vegetales hasta los suelos, realmente funciona.

Colocando los cultivos modificados genéticamente en cámaras de crecimiento especiales e inundándolas con CO2 que contiene un isótopo raro y pesado conocido como carbono-13, los investigadores podrán ver exactamente cuánto carbono toman sus plantas y dónde va a parar.

"En cada uno de esos depósitos, ya sean hojas o raíces o exudados o células microbianas o incluso ADN microbiano, podemos ver ese carbono-13", dice Pett-Ridge. "Y podemos cuantificar cuánto se ha añadido y cuánto acaba en cada piscina". El equipo de Pett-Ridge también medirá un isótopo radiactivo aún más raro conocido como carbono-14, que puede utilizarse para estimar tanto la edad del carbono del suelo como la rapidez con la que se está ciclando.

Las técnicas de contabilización de carbono de Pett-Ridge son "herramientas realmente críticas que tienen que ser desplegadas para demostrar la atribución", dice Jane Zelikova, directora del Centro de Soluciones de Carbono del Suelo de la Universidad Estatal de Colorado. Zelikova no participa en la investigación del IGI.

"Mucha gente hace afirmaciones sobre el aumento del carbono del suelo, pero faltan pruebas sobre la atribución", dice Zelikova. "¿Puedes demostrar que la solución que has desarrollado tiene un impacto medible en las reservas de carbono del suelo, especialmente en las moléculas que tienden a permanecer durante mucho tiempo? Hacerlo de forma rigurosa es clave".

Del laboratorio al campo

Si los investigadores consiguen crear una variedad de arroz editada genéticamente que mejore la captura de carbono en el suelo, con el tiempo (y con más financiación) esperan realizar esas mismas ediciones en el sorgo, un cultivo alimentario básico en África y el sur de Asia. Mientras que el arroz es un cultivo útil para perfeccionar las técnicas de edición genética, los parientes de raíces más profundas como el sorgo pueden añadir más carbono a las regiones del suelo que tienen la capacidad de absorberlo.

En última instancia, los investigadores pretenden lanzar ensayos de campo internacionales que pongan en manos de los agricultores tanto las semillas de arroz como las de sorgo editadas con CRISPR en un plazo de 10 años, un calendario ambicioso que, según Zelikova, "se ajusta a la urgencia del problema y a la escala a la que necesitamos encontrar soluciones". 

La directora de Impacto Público del IGI, Melinda Kleigman, afirma que lo ideal es que el equipo pueda ofrecer a los agricultores semillas que no sólo mejoren la captación de carbono, sino que también aporten beneficios añadidos, como un mayor rendimiento o una mayor fertilidad del suelo. "No creo que vayamos a tener un programa exitoso si todo lo que hace es secuestrar carbono", cuenta Kleigman. "Tiene que haber algún beneficio añadido para el agricultor".

Incluso si el equipo es capaz de producir semillas que proporcionen múltiples beneficios, conseguir que los agricultores las adopten podría no ser fácil. "Los agricultores tienden a ser, como comunidad, un poco resistentes a las cosas nuevas y al cambio", dice Zelikova. "Quieren ver las cosas realmente bien probadas y desprovistas de riesgos antes de implementarlas en sus propias hectáreas".

Algunos agricultores, y algunos de sus clientes, podrían desconfiar de un cultivo alterado mediante la edición del genoma con CRISPR, una tecnología todavía muy nueva. Aunque los cultivos editados con CRISPR no están necesariamente regulados como "OGM" (una etiqueta normalmente restringida a los organismos que contienen ADN extraño), la percepción de que son menos deseables que los cultivos convencionales podría frenar la aceptación del público. A medida que la edición del genoma con CRISPR se generaliza, es esencial que las organizaciones que la promueven sean transparentes en cuanto a la forma en que los organismos fueron alterados, dice Kleigman. "Si la gente no quiere esto en sus comunidades, deberíamos darles la opción de no participar".

Pero Kleigman sospecha que muchas comunidades querrán cultivos diseñados para luchar contra el cambio climático y prosperar en un mundo más caliente. "En mi opinión, vamos a llegar a un punto en el que no habrá muchas otras opciones disponibles", concluye.

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