Modificación genética de plantas: plantas transgénicas

Desde el inicio de la agricultura la humanidad ha seleccionado las plantas que le proporcionaban un mayor rendimiento en alimentos o materias primas necesarias para la obtención de numerosos productos útiles como drogas, medicinas, colorantes y especias. Los primeros agricultores aumentaban la producción guardando para la siguiente siembra las semillas de las plantas más deseables. En los últimos cien años, con el descubrimiento de las leyes de la Herencia por Mendel y el avance de la biología vegetal, la mejora de las plantas se ha incrementado considerablemente. 

La mejora se realiza e forma tradicional mediante cruzamientos entre individuos de la misma especie o especies próximas hasta obtener individuos híbridos portadores de la característica deseada, sin embargo hay un factor que limita este proceso: la incompatibilidad sexual entre las especies progenitoras. Los programas de mejora actuales utilizan las técnicas de la ingeniería genética para obtener variedades modificadas genéticamente que superen en calidad y resistencia a los conseguidos por métodos tradicionales. 

Durante los últimos años se han aplicado las técnicas de manipulación de ácidos nucléicos a las plantas. La Ingeniería genética permite el acceso y manipulación directa de los genes. El proceso consiste en aislar un fragmento de DNA (con uno o más genes) de un organismo y su inserción en células de otro organismo, en el que se expresarán y darán lugar a unas nuevas características en esa planta. El resultado es la producción de plantas modificadas genéticamente (OGM), portadoras de un gen “extraño” que procede de otra planta de su misma especie, de diferente especie, o de cualquier otro organismo como animales, levaduras, hongos, bacterias o virus.

Se puede obtener ADN de un organismo y unirlo a un plásmido

         

Para obtener estas plantas, necesitamos:


1º Identificar el gen de interés y aislarlo, utilizando enzimas de “restricción” (que cortan trozos del DNA) y nos permiten separa el trozo de nuestro gen

2º Unirlo a un plásmido mediante otras enzimas denominadas “ligasas” (que pegan trozos de DNA) y multiplicarlo 

3º Integrar los genes en los cromosomas de las células vegetales

4º Identificar las células que tiene el gen extraño

5º A partir de estas células, y mediante técnicas de cultivo de tejidos y regeneración, obtener plantas

6º Desarrollo y puesta en cultivo de las plantas transgénicas

                

Métodos para lograr plantas modificadas genéticamente

Uno de los métodos utilizados se basa en el mecanismo natural de infección de la bacteria del suelo Agrobacterium tumefaciens. Esta bacteria es capaz de transferir un gen desde un plásmido propio (un plásmido es una estructura circular de pequeño tamaño formada por DNA que no forma parte del cromosoma) hasta las células de la planta que infecta. Mediante ingeniería genética se introduce en el plásmido de la bacteria los genes que queremos introducir en la planta, sustituyendo los que causan la enfermedad. El gen que se transfiere se integra en el genoma de la planta expresándose y heredándose como cualquier otro gen de la propia planta. Se aplicó con éxito por primera vez en 1984 en tabaco y girasol. Sin embargo, las gramíneas y en general todas las monocotiledóneas presentan gran resistencia a Agrobacterium por lo que este método no es válido para ellas.

                         

Esquema para transformar mediante Agrobacterium tumefaciens

Otro método se desarrolló en el año 1987, este otro método de transformación no requiere de ninguna bacteria, es el método del microcañón o cañón de partículas y logra transformar cualquier planta, incluidas las gramíneas. Este método consiste en bombardear tejidos de la planta con micropartículas de oro o platino recubiertas con fragmentos de DNA que contienen el gen que interesa transferir a la planta, las partículas son “disparadas” por un pequeño cañón, de esta forma pueden atravesar la pared celular y la membrana citoplasmática y liberar los fragmentos de DNA, alguno de los cuales puede insertarse en algún cromosoma y expresarse. 

Método de transformación mediante el cañón de partículas

    Las plantas transgénicas tienen múltiples aplicaciones, muchas de ellas con una importante implantación en el mercado agrícola en el siglo XXI:

- Incremento de la productividad, al proteger los cultivos contra:

plagas, enfermedades, herbicidas, sequía y salinidad del suelo, así como otras condiciones ambientales desfavorables.

- Incremento en la calidad de las cosechas:

al modificar plantas que se destinan para alimentación y que estarán enriquecidas en vitaminas, aminoácidos y metabolitos secundarios de interés, como las antocianinas (protegen frente al cáncer y envejecimiento).

- Producción de medicamentos como anticuerpos monoclonales, vacunas y otras proteínas terapéuticas.

- Creación de plantas con su propio "sistema inmunológico" al poder fabricar ellas mismas anticuerpos ("planticuerpos").

- Retraso de la maduración de los frutos para conseguir dilatar el tiempo de almacenamiento.

- Regeneración de suelos contaminados por metales pesados con plantas transgénicas tolerantes a concentraciones elevadas de estos elementos.

Plantas de maíz modificadas genéticamente y no modificadas frente al ataque de insectos

Tomates púrpura productores de antocianinas

Estructura del DNA

El ácido desoxirribonucleico (DNA) forma junto a una serie de proteínas, las histonas, los cromosomas,  que son las estructuras donde se almacena la información genética. El DNA es el material genético de todos los organismos celulares y casi todos los virus. El DNA es un polímero de alto peso molecular formado por núcleotidos.

La estructura del DNA propuesta por James  Watson y Francis Crick en 1953 muestra que la molécula de DNA está formada por dos cadenas de nucleótidos que se retuercen una sobre otra formando una doble hélice.

Watson y Crick con un modelo de DNA

La unión de un azúcar pentosa denominado desoxirribosa por el carbono 1´ mediante un enlace O-glucosídico con una base nitrogenada, bien púrica (guanina y adenina) o pirimidínica (tiamina y citosina) forma los núcleosidos. Cuando un núcleosido se une a una molécula de ácido fosfórico por un grupo hidroxilo del carbono 5´ de la desoxirribosa mediante un enlace fosfodiéster se forma un núcleotido.

Una cadena sencilla de DNA está formada por núcleotidos que se unen entre sí mediante enlaces covalentes, formando un esqueleto de azúcares-fosfato. El carbono 3´de un azúcar se une al carbono 5´del azúcar adyacente formando un enlace 5´fosfodiéster. Como resultado se obtiene una larga hebra de núcleotidos. Esta es la estructura primaria del DNA.

Composición de un nucleótido

Doble hebra de DNA con los puentes de hidrógeno entre las bases

La estructura secundaria del DNA está definida por las dos cadenas que lo forman orientadas en sentidos opuestos  (son antiparalelas), lo que permite que se unan mediante puentes de hidrógeno las bases nitrogenadas complementarias que forman los núcleotidos: Adenina-Timina se unen por dos puentes de hidrógeno  y Guanina-Citosina que se unen por tres puentes de hidrógeno. En esta doble hélice, las bases nitrogenadas quedan dispuestas hacia el interior de la hélice y las pentosas-fosfato hacia el exterior.

Bases complementarias: A-T, G-C

Esta doble hélice se asocia con histonas y  conforma la estructura terciaria, que sufre plegamientos y empaquetamientos formando la estructura denominada solenoide.

Antes de Watson y Crick

Experimento de Griffith

En 1953 Watson y Crick propusieron el modelo de estructura del DNA y esto les llevo a recibir el Premio Nobel, sin embargo otros investigadores habían sido muy importantes en este descubrimiento.

En 1928, Frederick Griffith realizó un experimento con ratones y neumococos (bacterias) que sirvió para que posteriormente Oswald T. Avery en 1944, junto con su colaborador Maclyn McCarty, obtuviese evidencias de que el ADN es el material que forma los genes y los cromosomas. Anteriormente se creía que eran la proteínas las portadoras de los genes.

Los neumococos son bacterias que cuando no tienen cápsula, crecen en el laboratorio, formando colonias con superficie rugosa; si tienen esa envoltura su apariencia se torna lisa, y estas bacterias son capaces de provocar la infección y muerte de ratones. Esto era lo que sucedía cuando se inyectaban estas bacterias vivas a los ratones. Por el contrario, las cepas rugosas no eran virulentas y no provocaban la muerte de los ratones. Griffith  descubrió que al inyectar a ratones con pequeñas dosis de neumococos no infecciosos junto con grandes cantidades de neumococos infecciosos pero «muertos» por calentamiento, los animales no sólo mueren de neumonía sino que muestran en su sangre bacterias con cápsula y vivas.  Es decir, en estas condiciones experimentales el neumococo no infeccioso adquiere la información para sintetizar la cápsula en el cuerpo del ratón y, con ella, la capacidad de producir enfermedad.

Griffith pensó que había “algo” que transformó las cepas rugosas (R) en lisas (S). Cuando Avery leyó los resultados de Griffith se interesó en identificar este agente transformador. Para ello usaron detergentes para descomponer las células lisas muertas por calor creando una rompiendo las membranas celulares y obteniendo el contenido de las bacterias y con este extracto realizaron ensayos de transformación, obteniendo la transformación de rugosas en lisas. Es decir, el agente transformante estaba en algún componente del extracto.

Experimento de Avery

Probaron cada uno de los componentes y comprobaron que los extractos sin proteínas seguía trasformando, por lo que el agente o principio trasformador no eran las  proteínas. Cuando probaron con el lisado que contenía DNA obtuvieron la transformación, y cuando el DNA se rompía por calor comprobaron que no había transformación. Con ello demostraron en 1944 que el DNA era el material que se intercambiaba entre las bacterias.

En 1952 los investigadores americanos Alfred Hershey y Martha Chase realizaron una serie de experimentos que resultaron claves para demostrar que el DNA era el portador del material genético ya que entonces se discutía si era el DNA o las proteínas. En sus experimentos utilizaron virus que infectan bacterias, los denominados bacteriófagos. Ellos conocían que los bacteriófagos se reproducen en el interior de las bacterias y que sólo una parte del bacteriófago entraba en la bacteria para multiplicarse, y que por tanto, en esa porción que entraba debía estar la información genética. ¿Era DNA o proteínas el material que entraba y contenía la información?

Experimento de Hershey y Chase

Para comprobar dónde se encontraba la información genética marcaron a unos bacteriófagos con ³⁵S (azufre radiactivo, para marcar las proteínas) y a otros con ³²P (fósforo radiactivo, para marcar el DNA). Infectaron con ellos a dos poblaciones de bacterias. Los bacteriófagos se unieron a las bacterias  y después de eliminarlos mediante agitación, centrifugaron las células. En las bacterias infectadas con los bacteriófagos marcados con ³⁵S  no se obtenía radiactividad, pero sí en las bacterias infectadas con bacteriófagos marcados con ³²P, lo que indicaba que el material vírico que había entrado para reproducirse, y por tanto responsable de la información genética, era el DNA y no las proteínas.

Entre 1952 y 1953, Rosalind E. Franklin, que era especialista en el estudio de las estructuras biológicas mediante la utilización de la difracción de rayos X, trabajaba junto a otro investigador, M. Wilkins, en la utilización de estas técnicas de imagen para conocer la estructura del DNA. La relación con su compañero era muy competitiva y cuando obtuvo la imagen de difracción de rayos X del DNA (a partir de la que dedujo que eran dos cadenas y comenzó a medir las distancias de las hélices) sin su conocimiento, Wilkins enseñó la imagen a Watson y Crick, que rápidamente fueron capaces de imaginar la estructura química del DNA que ellos conocían con aquella fotografía. Lo que posibilitó que poco después publicasen su artículo con la estructura tridimensional del DNA. Franklin había muerto de cáncer poco antes sin saber que su estudio había sido clave para desentrañar la estructura interna del DNA.  En su cuaderno había escrito antes: la estructura del DNA está compuesta por dos cadenas.