BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
Introducción
1. Introducción : concepto
La Biotecnología es el conjunto de técnicas que utilizan organismos vivos o partes de ellos para obtener productos o modificarlos, para mejorar plantas o animales, o para desarrollar microorganismos con fines bien determinados, es decir, para la obtención de bienes y servicios. La biotecnología vegetal es la específica de las plantas.
Según el Convenio sobre la Biodiversidad Biológica CDB de 1992: toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos y sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos, para usos específicos.
La biotecnología comprende conocimientos de muchas áreas de la ciencia como agricultura, bioquímica, biología celular y molecular, inmunología, virología, industria de alimentos, fisiología vegetal, salud.
1. Biotecnología clásica frente a biotecnología moderna
Como la biotecnología comprende conocimientos de distintas áreas de la ciencia, como fisiología vegetal, celular y molecular, inmunología, bioquímica… podemos considerar tres etapas conceptuales, relacionadas con los avances de conocimientos en estas ciencias:
1. Biotecnología tradicional: es la que no tiene base científica. Se ponía en práctica con el vino de Mesopotamia en el 5000-4000 ac, con la fabricación de la cerveza de los sumerios en el 6000 a.c, o la fabricación de pan en 4000-3000 a.c gracias a los egipcios.
2. Biotecnología clásica: es la considerada de los siglos XIX- XX cuando empiezan a entenderse los procesos de la biotecnología tradicional. Implica, por ejemplo, la regeneración de plantas a partir de partes de ellas mismas.
3. Biotecnología moderna: desde 1970 donde se conoció la tecnología del DNA recombinante, que consiste en una molécula de ADN artificial formada de manera deliberada in vitro por la unión de secuencias de ADN y que proviene de dos organismos de especies diferentes que normalmente no se encuentran juntos.
Clásica | Moderna |
Se conoce desde los principios de la humanidad. Iniciada con el desarrollo de la agricultura (domesticación: transformación de las especies silvestres en cultivables, implica una selección artificial). Se eligen las mutaciones beneficiosas para nosotros, no con ventajas evolutivas | Se inicia con la aplicación de técnicas del DNA recombinante. |
Se cruzan genomas completos de las especies seleccionadas. Se generarán individuos con una característica de interés concreta. | Se trabaja con uno o varios genes. Estos genes son transferidos a variedades a las que queremos añadir dicho gen. |
La generación de la variabilidad genética se realiza a través del cruzamiento y selección posterior. Este proceso es difícil y engorroso; no es sencillo que se transfieran todos los genes que queremos. | Se obtienen menos individuos por lo que el proceso de selección es mucho más fácil, y además la adición de genes aumenta la variabilidad. |
Es óptima para el manejo de características que dependen de la interacción entre muchos genes (clonar 20 genes es complicado). | Ofrece mejoras para caracteres que dependen de uno o varios genes. |
Estas etapas conceptuales de la biotecnología no son excluyentes, sino complementarias ya que en las investigaciones actuales primero hay un proceso de selección mediante la clásica y una vez encontrada una variedad interesante con la que trabajar, se aplica la biotecnología moderna.
CONCEPTOS BÁSICOS DE BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
Durante siglos la humanidad ha introducido mejoras en las plantas que cultiva a través de la selección y mejora de vegetales y la hibridación — la polinización controlada de las plantas.
La biotecnología vegetal es una extensión de esta tradición de modificar las plantas, con una diferencia muy importante — la biotecnología vegetal permite la transferencia de una mayor variedad de información genética de una manera más precisa y controlada.
Al contrario de la manera tradicional de modificar las plantas que incluía el cruce incontrolado de cientos o miles de genes, la biotecnología vegetal permite la transferencia selectiva de un gen o unos pocos genes deseables. Con su mayor precisión, esta técnica permite que los mejoradores puedan desarrollar variedades con caracteres específicos deseables y sin incorporar aquellos que no lo son.
Muchos de estos caracteres desarrollados en las nuevas variedades defienden a las plantas de insectos, enfermedades y malas hierbas que pueden devastar el cultivo. Otros incorporan mejoras de calidad, tales como frutas y legumbres más sabrosas; ventajas para su procesado (por ejemplo tomates con un contenido mayor de sólidos); y aumento del valor nutritivo (semillas oleaginosas que producen aceites con un contenido menor de grasas saturadas).
Estas mejoras en los cultivos pueden contribuir a producir una abundante y saludable oferta de alimentos y proteger nuestro medio ambiente para las futuras generaciones.
BIOTECNOLOGÍA CLÁSICA VEGETAL
Se inicia con el desarrollo de la agricultura, domesticación de especies salvajes para obtener especies cultivables y comestibles. La finalidad principal de la biotecnología clásica vegetal es la mejora de distintas plantas para obtener variedades con
Características deseadas.
Mejora vegetal (concepto, objetivos, técnicas y métodos, resultados y logros, retos)
1. Concepto: consiste en la introducción consciente de diversidad genética en las poblaciones, normalmente cruzando progenitores con características notables. Para ello tenemos unos requisitos mínimos que cumplir, como la existencia de variabilidad o la posibilidad de crearla, capacidad de detectar dicha variabilidad y conocimientos para manipularla.
2. Los objetivos que persigue la mejora vegetal es aumentar el rendimiento de la planta, mejorar su calidad nutritiva y tecnológica, que se haga resistente a plagas y enfermedades y a condiciones difíciles o no adecuadas del suelo y el clima.
3. Las técnicas que utiliza podemos clasificarlas en básicas o en métodos. Las básicas son:
§ Selección: cualquier fuerza capaz de modificar el número de descendientes y su contribución génica a la generación siguiente. Si la selección es por parte de la naturaleza, lo llamamos la selección natural, mientras que si los seres humanos intervenimos de alguna forma, selección artificial.
§ Cruzamiento artificial: consiste en el apareamiento forzado de dos organismos que de forma natural no lo harían. Solo es posible entre individuos de la misma especie o muy cercana.
Las plantas mejoradas son un éxito en cuanto a su rendimiento y productividad, ya que por ejemplo se han llegado a obtener tomates 50 veces más pesados que los silvestres ; presentan mayor variabilidad (existen 500 variedades de arroz, 3000 de café, la existencia de la Col ( Básica oleácea); se han modificado su método de dispersión en cereales y leguminosas de grano; también cambios en el sistema de polinización, por ejemplo en tomates, que han pasado de ser alagamos a autógenos, es decir, de reproducirse sexualmente entre individuos genéticamente diferentes a reproducirse sexualmente pero entre individuos de distinto sexo pero formados en un mismo individuo. Con estos avances las plantas se han hecho más resistentes a plagas, enfermedades a ambientes adversos y se han adaptado a la mecanización.
Este tipo de desarrollo de la biotecnología nos aporta muchos beneficios pero sin embargo, carecemos de unas mejoras básicas que harían que fuese mucho más productivo y nutritivo, más resistentes aún a estreses bióticos y abióticos, que pudiésemos aprovechar mejor la capacidad su fisiológica e incrementásemos partes de la propia planta que utilizamos. Para ello requerimos de otras técnicas más modernas, la biotecnología moderna.
BIOTECNOLOGÍA MODERNA VEGETAL
La biotecnología moderna se apoya básicamente en la puesta en práctica de la ingeniería genética, consistente en introducir información genética nueva en un organismo para dotarlo de capacidades que no poseía para su posterior reproducción obteniendo individuos modificaciones y dotados para ese uso o función. Las técnicas principales de esta ingeniería genética sonSecuenciación_de_ADN, ADN_recombinante, Reacción_en_cadena_de_la_polimerasa.
APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
1 Control de enfermedades
Podemos conseguir un control de las enfermedades gracias a numerosas técnicas:
§ Cultivo in vitro: por el que se puede proteger a especies cercanas a través de cruzamientos convencionales y por retro cruzamiento me quedo sólo con el gen deseado.
§ Creando resistencia a hongos mediante la sobreexpresión de los genes que son tóxicos para el patógeno, genes que neutralicen sus componentes, mejoren las defensas estructurales, participen en las vías de señalización de las defensas, es decir, que preparen con anterioridad a la planta para la llegada del patógeno, genes que sean de resistencia.
§ Obteniendo resistencia a las bacterias: se introducen nos genes que produzcan enzimas que maten a la bacteria. También lo podemos conseguir haciendo a la planta insensible a la toxina bacteriana. Aumentando sus defensas naturales por sobreexpresión de genes o provocando una muerte celular artificial en el sitio de la infección.
§ Debemos asegurar la resistencia a virus gracias a, aparte de las técnicas tradicionales de tratar con insecticidas e insertar genes de resistencia, a la sobreexpresión mediada por :
§ proteínas, que generan resistencia a virus Cásida viral (CP)Replicases virales (RP), Proteínas de movimiento (MP);
§ RNA, Silenciamiento génico postranscripcional (PTGS). También podemos obtener resistencia por la inclusión de genes no virales
§ Incluyendo genes no virales: anticuerpos antivirales, proteínas inhibidoras del ribosoma (Reps) o genes R de resistencia natural.
§ Otra de las soluciones posibles es producir plantas libres de virus, cultivando meristemos, ya que éste no suele estar infectado con el virus porque su sistema vascular no está muy desarrollado por lo que el virus no puede viajar por su floema o xilema y porque tienen una alta tasa metabólica que impide la infección.
§ También podemos aplicar técnicas de termoterapia, quimioterapia o electroterapia que erradican o por lo menos disminuyen la concentración del virus, pero no erradican completamente la infección.
Otra de las formas de evitar el daño a la planta es el control de las plagas: Mediante insecticidas tradicionales, genes de resistencia a las bacterias ( por ejemplo, Célula de Bacillos thuringiensís esporulante), genes de resistencia a animales (inhibidores de proteasas, colesterol oxidasa, quitinosas...), de resistencia a plantas (inhibiendo sus enzimas digestivas o mediante lactinas), expresando ciertos genes de virus de insectos en plantas para que las proteja de ese insecto, mediante liberación de hormonas que repelan al insecto o atraigan a los depredadores de éstos (aunque tiene algunos problemas medioambientales). Controlando las malas hiervas gracias a herbicidas.
2 Tolerancia a estreses abióticos
Las plantas son sometidas frecuentemente a estreses debido a condiciones desfavorables en el ambiente físico o químico con las que intentan sobrevivir mediante diferentes respuestas. Sin embargo, nosotros podemos favorecer esa tolerancia gracias a la biotecnología:
§ haciendo que produzcan más solutos compatibles beneficiosos para la planta
§ mediante la sobreexpresión de proteínas LEA que generan más resistencia,
§ controlando la bomba de NA+/H+ intentando reducir el incremento del Na+ que es el que provoca el estrés
§ cambiando las propiedades de las membranas (las más resistentes son las que tienen mayor composición de grasos insaturados con dobles enlaces) para que toleren mejor las bajas temperaturas
§ Expresando genes que codifiquen proteínas que actúan como anticongelantes (gen de la AFP)
Gracias a la capacidad de las plantas de absorción de sustancias tanto esenciales como no esenciales, podemos llevar a cabo la fitorremediación, que consiste en el uso de plantas para degradar, asimilar, metabolizar o desintoxicar metales pesados, compuestos orgánicos y radiactivos de ambientes contaminados por Cr, Cu, Fe, Ni, Zn, Pb, combustibles, armas químicas, pesticidas y herbicidas, solventes orgánicos...
Existen diferentes tipos dependiendo de qué tipo de contaminación trate y el proceso por el que la elimine: fitoestabilizació, fitoestimulación, fitovolatilización, biodegradación.
Las ventajas de esta práctica son su bajo costo y su rapidez comparada con microorganismos, se puede implantar en grandes extensiones y genera pocos residuos.
Sin embargo el proceso se limita a la profundidad de la penetración de las raíces de las plantas y que a veces, si el área está muy contaminada el proceso no puede producirse. También hay que tener en cuenta que los contaminantes no deben pasar al siguiente nivel de la cadena trófica.
4 Producción de compuestos de interés industrial
Si queremos producir compuestos que son demandados por la sociedad actual, podemos modificar:
El metabolismo, mediante manipulación genética para producir más o menos cantidad de producto deseado, aumentando o disminuyendo el flujo de la ruta biocinética, del catabolismo o del número de células productoras.
Las rutas metabólicas, mediante ingeniería genética: sobre expresando los genes de enzimas de biosíntesis de ese compuesto, importando un gen de otra especie, haciendo una reacción unidireccional para evitar que los compuestos se desvíen por otra rama o por el contrario una reacción para que los productos de las ramificaciones vuelvan a la vía deseada o sobre expresando factores de transcripción que aumenten la expresión.
Por ejemplo, de los hidratos de carbono obtenemos celulosa, almidón, azúcares que utilizamos para papel, textiles, cartón, fármacos, pinturas, plásticos, cosméticos, biocombustibles...
5 Producción de metanolitos secundarios
Los metanolitos secundarios son metanolitos que regulan las relaciones de la planta con el medio que le rodea. En esta tabla encontramos algunos ejemplos:
Nombre | Tipo | Origen | Uso terapéutico |
Codeína, morfina | Alcaloide | Papa ver somnífera | Analgésico |
Nicotina | Alcaloide | Nicotina spa | Terapia antitabaco |
Quitina | Alcaloide | Chinchona spa | Antialérgico |
Tazol | Di terpenos | Taxis brevifolia | Antitumoral |
Dioxinas | glucósidos esferoidales | Digitales spa | Cardiotónico |
Sennósidos A y B | Antracenos | Casia angustifolia | Laxante |
Estos metanolitos tienen interés comercial ya que determinan la calidad de alimentos (color, sabor y aroma) y la calidad de las plantas ornamentales (color y aroma). Son utilizados en la producción comercial de colorantes, fragancias e insecticidas y se usan en medicina con actividad antioxidante y antitumoral. Por ejemplo el tomate con más aroma (debido al s-lináloe), la menta con más aroma y gusto (supresión de la expresión del enzima mentofurano sintetiza), aumento de provitamina A en arroz que solucionaría la ceguera, xeroftalmia y muerte de millones de personas, desarrollo de las líneas de Golde Rice que contiene muchos β-carotenos (precursor de la provitamina A), ayudan a la síntesis de flavonoides que poseen muchos antioxidantes, antitumorales, anti arterioescleróticos y antiinflamatorios. También se modifica genéticamente el color de las flores para ornamentación. En alcaloides podemos modificar la síntesis de éstos, por ejemplo en Atropa Belladona, que acumula gran cantidad de hiosciamina que produce escopa lámina, de gran interés en medicina ya que es un importante anti colinérgico. También podemos investigar con las plantas para obtener café con bajo nivel de cafeína para obtener descafeinado o incluso conseguir que las plantas de tabaco produzcan cafeína transformándolas con las tres metiltransferasas.
6 Plantas como birreactores
Buscamos modificar plantas para usarlas como factorías de aditivos alimentarios, biopolímeros (algodón, lino, bioclásticos y biopolímeros proteínicos), producción de péptidos recombinantes con interés biofarmacéutico para la síntesis de vacunas y anticuerpos, producción de enzimas aplicables a la industria textil, papeleras, piensos...
Los sistemas que se utilizan para la producción de proteínas recombinantes a gran escala son los cultivos de bacterias, levaduras y células animales.
Sin embargo, esta actividad tiene una serie de ventajas: permiten una alta producción de biomasa, existe la posibilidad de fácil conservación, transporte y distribución ya que las proteínas recombinantes se almacenan en semillas y tubérculos, lo que supone un coste más bajo. Tampoco implican riegos de contaminación con patógenos animales o toxinas microbianas. Si se quiere aumentar la escala de producción es sencillo y barato.
A pesar de todo esto también encontramos inconvenientes para su aplicación ya que existe la posibilidad de contaminación genética por parte de otras plantas con las que los cultivos modificados genéticamente coexisten, o que aparezcan pesticidas como resultado del metabolismo secundario...
Las estrategias tecnológicas para optimizar la obtención de proteína recombinantes en plantas deben cumplir tres premisas:
· Aumentar los niveles de expresión: buscaremos la síntesis más óptima e inhibiremos la degradación del producto.
· Disminuir los costos de purificación, paso que encarece el proceso.
· Conseguir un producto de características idénticas al sintetizado en el sistema de origen, (humanizar el producto).
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