apuntes de biología

Tendencias en las «ómicas» de plantas

El avance de la Genética Molecular y Celular y el poder de las tecnologías de la información ha permitido que la genómica, junto con la bioinformática, estén generando catálogos completos de todos los genes, además de su localización y función. Este avance de la ciencia ha sido exponencial en los últimos 30 años.

Las aproximaciones tradicionales para aislar genes de plantas implicaban la utilización de técnicas moleculares y genéticas, incluyendo la prospección de genotecas, clonación basada en la homología y el mapeo, así como la selección de mutantes fisiológicos y de desarrollo. La mayoría de estas estrategias experimentales van encaminadas a la caracterización de un sólo gen y su aislamiento es un prerrequisito para llevar a cabo cualquier estudio posterior. Con echar un vistazo a las últimas publicaciones en Biología Molecular de plantas podemos darnos cuenta de que este enfoque está cambiando. Cada vez es más frecuente arrancar un proyecto de investigación con una secuencia de ADN encontrada en una base de datos. Se pueden identificar nuevos genes por búsqueda directa en las bases de datos en virtud de su similitud con genes conocidos, una aproximación bioinformática análoga a la prospección de una genoteca usando hibridación con sondas de ácidos nucleicos. Las iniciativas «genoma» y los recursos de la internet que contienen información de secuencias han cambiado de forma drástica la biología experimental en plantas proporcionando a los investigadores nuevos caminos para el descubrimiento de genes. Los proyectos de secuenciación de genomas enteros permiten obtener información sobre la estructura génica, la organización del genoma y sobre su evolución. El gran tamaño de muchos de los genomas de plantas hace que esta aproximación se haya limitado, sin embargo, a unas pocas especies.

Arabidopsis thaliana es la primera planta cuyo genoma (130 Mb) se ha secuenciado completamente. No obstante, a pesar de la importancia de este hecho y la aplicabilidad de esa información a secuencias en otras especies (incluidas plantas de interés agrícola), su utilización presenta algunas limitaciones que la comunidad científica está tratando de subsanar rápidamente. La secuenciación del genoma de arroz, que se está completando, es particularmente importante, ya que permitirá disponer de un genoma de monocotiledónea de referencia. En contraste con Arabidopsis y otras plantas,Medicago truncatula tiene la habilidad de fijar nitrógeno y sirve como organismo modelo de la familia de las leguminosas. Para revelar el programa genético de la fijación simbiótica de nitrógeno y por su relevancia no sólo biológica sino agrícola, el genoma de Medicago truncatula también se está secuenciando en la actualidad. La secuenciación del genoma de maíz también está en curso ya que su tamaño del genoma es como el de otras plantas (2500 Mb), aunque considerablemente mayor que los de Arabidopsis y de arroz. Por ultimo, acaba de completarse la secuenciación del genoma de chopo, constituyendo la primera referencia en árboles.

Con el aumento de secuencias de genes en las bases de datos, se ha producido una explosión en la aplicación de herramientas a gran escala para analizar perfiles de expresión en los sistemas biológicos. La capacidad de analizar cualitativa y cuantitativamente poblaciones de ARNm (transcriptómica) y proteínas (proteómica) suscita la tentadora posibilidad de descifrar las rutas reguladoras y funcionales que representan el puente entre el genotipo y el fenotipo.

En términos prácticos, el perfil transcripcional de un organismo se puede determinar usando micromatrices generadas a partir de ADNc u oligonucleótidos mediante tecnologías de miniaturización y automatización, lo que está masificando el estudio de todo el genoma y no sólo de unos pocos genes. Esta técnica ha avanzado tanto en los últimos años que es una realidad rutinaria en muchos laboratorios de biología vegetal, como lo prueba el que aparezcan cada vez más artículos científicos que recogen este tipo de enfoque experimental. La perspectiva transcriptómica es particularmente atractiva ya que el ARN es químicamente homogéneo y relativamente fácil de extraer, manipular in vitro, amplificar y secuenciar. Esto permite analizar cuantitativamente distintas situaciones fisiológicas, de desarrollo o en distinta localización tisular de muchos miles de productos génicos distintos de forma simultánea, lo que representa un estudio amplio del transcriptoma.

Una estrategia alternativa es abordar el siguiente eslabón en la cadena de información entre el genotipo y el fenotipo y evaluar el proteoma. El término proteómica se está convirtiendo en algo ambiguo que engloba casi cualquier aspecto de la expresión de proteínas, el estudio de su estructura o su función. Sin embargo, en términos generales, deberíamos definirlo como el estudio del perfil del conjunto de proteínas complementarias del genoma que sería análogo al perfil de transcritos en una situación dada. A diferencia de los estudios de transcriptómica en los que el ARN se extrae y manipula con facilidad, los estudios con proteínas presentan múltiples desafíos: su heterogeneidad fisicoquímica y complejidad estructural, lo que complica su extracción, solubilización, manejo, separación e identificación. Además, no existe ningún tipo de tecnología similar a la PCR que permita amplificar aquellas proteínas que son poco abundantes. Algunos de estos problemas son particularmente críticos cuando se trabaja con tejidos vegetales. Hay ya algunas bases de datos disponibles que contienen datos sobre perfiles de proteínas. La segunda categoría en el análisis de proteómica es la llamada proteómica comparativa, donde el objetivo no es ya identificar todas las proteínas presentes en una situación concreta, sino caracterizar las diferencias entre distintas poblaciones de proteínas en dos situaciones biológicas diferentes. Este tipo de enfoque es en cierta medida análogo a los perfiles comparativos de micromatrices de ADNc.

Aunque gran parte del esfuerzo en proteómica se ha realizado en la puesta a punto de métodos de alta resolución para separar e identificar proteínas, uno de los pasos críticos es la extracción y preparación de muestras. Los tejidos vegetales son usualmente más complicados a la hora de preparar extractos de proteínas que otras fuentes biológicas. Tienen menor contenido de proteínas, usualmente contienen más proteasas y otros compuestos que interfieren en la estabilidad de las proteínas —polisacáridos, lípidos y compuestos fenólicos—, además de toda una colección de metabolitos secundarios que pueden interferir no sólo en el proceso de extracción, sino también en el fraccionamiento y posterior análisis.

Debido a la cantidad y calidad de datos que la transcriptómica está generando, se han depositado muchas esperanzas en la obtención de datos de proteínas a gran escala. Sin embargo, y a pesar de los grandes progresos que se han realizado en proteómica de plantas, hay que tener en cuenta una serie de limitaciones teóricas y prácticas particularmente relativas al coste y al material muy especializado necesario para llevar a cabo este tipo de estudio.

Para acabar de complicar el panorama, algunos investigadores se han lanzado en pos de un nuevo objetivo: el metaboloma, un territorio poblado de enormes cantidades de pequeñas moléculas que gobiernan los seres vivos.

La metabolómica aparece como una nueva herramienta funcional de la genómica que contribuye a nuestra comprensión de las complejas interacciones moleculares en los sistemas vivos. Al ser una de las últimas «ómicas» aparecida, presenta todavía muchos campos metodológicos que se pueden y se deben mejorar antes de que aparezcan bases de datos que nos permitan integrar las concentraciones de metabolitos con el resto de recursos de la genómica. La metabolómica representa la progresión lógica desde los estudios a gran escala de micromatrices de ADNc y proteómica hasta el tratamiento en conjunto de un sistema biológico completo (sisteómica o biología de sistemas).

Los metabolitos de las plantas son importantes para muchas de las respuestas de resistencia al ataque de patógenos, en condiciones de estrés y contribuyen al color, sabor y olor de flores y frutos. El fenotipo bioquímico de una planta es el resultado de la interacción entre el genotipo y el entorno. Por tanto, se necesita identificar y cuantificar los metabolitos para estudiar la dinámica del metaboloma y analizar los flujos metabólicos. El reto de la metabolómica reside en encontrar cambios en las cantidades de metabolitos que se puedan correlacionar con el estado fisiológico y de desarrollo de una célula, de un tejido o de un organismo.

La enorme diversidad bioquímica que existe en las plantas hace que los metabolitos distintos que pueden encontrarse en plantas se estimen que sean más de 200 000. Esto hace que una aproximación en gran escala al estudio de los metabolitos presentes en las plantas sea un tremendo reto. La necesidad de utilizar tecnologías diversas para caracterizar los metabolitos presentes en plantas refleja el grado de complejidad para abordar este tipo de estudio. La deducción de cómo es el contexto biológico de una planta dada a partir de datos obtenidos por la medida de las concentraciones de metabolitos requiere, por tanto, que la identificación y cuantificación de los mismos se realice con gran fiabilidad. El puente necesario que debe existir entre la metabolómica y las otras aproximaciones de la genética funcional: transcriptómica y proteómica, permitirá el desarrollo de bases de datos que almacenen, integren, relacionen y permitan establecer relaciones causales entre genes, transcritos, proteínas y metabolitos.

Para obtener un conocimiento global de cómo funciona un sistema biológico es esencial saber cómo responde utilizando los tres niveles de expresión, lo que permitirá deducir asociaciones relevantes entre macromoléculas, identificar correlaciones funcionales con fenotipos y construir modelos que describan de forma cuantitativa la dinámica de un sistema biológico. Estos análisis fenotípicos a gran escala permitirán en un futuro predecir como será el comportamiento de una planta dada en un determinado contexto medioambiental.

Plantas transgénicas y servicio a la humanidad

Un organismo transgénico es aquel que ha recibido uno o más genes de forma artifical. En el caso de las plantas la incorporación del gen (transgén) al genoma ha ocurrido de forma independiente a la polinización y, en la mayoría de los casos, su adquisición se ha realizado mediante un protocolo que implica el empleo de diferentes especies de Agrobacterium, bacteria que produce de forma natural el desarrollo de tumores en plantas gracias a la transferencia a su genoma de varios genes. Desde que en los primeros años de los 80 se describió la transformación de tabaco, el listado de las especies que pueden ser modificadas gracias a la transferencia porAgrobacterium se ha incrementado notablemente. En algunos casos la evolución de este listado ha dependido de la capacidad de los investigadores para cultivar in vitrodiferentes especies, y para establecer protocolos adecuados para la regeneración de plántulas a partir de callos gracias a la totipotencialidad de las células vegetales. Aunque la modificación genética es de gran importancia en estudios de investigación del papel biológico de un gen o de una proteína, las aplicaciones potenciales de los organismos modificados genéticamente van habitualmente más allá de lo puede inicialmente pensarse. Hoy existen plantas modificadas que expresan o reprimen genes de interés en la mayoría de los procesos de interés para los investigadores y las industrias, y cualquier base de datos está repleta de artículos en los que se describe la producción de plantas transgénicas. Los intereses de los investigadores se mezclan con los de empresas y grandes multinacionales, haciendo difícil identificar cómo las plantas transgénicas pueden ayudar a los problemas básicos de la humanidad, como el aumento de la producción vegetal para evitar la escasez de alimentos en países en vía de desarrollo. En realidad, la introducción de variedades con mayor valor nutricional, la creación de vacunas comestibles, la producción de pasta de celulosa y madera, la generación de plantas resistentes a estreses bióticos y abióticos o la producción de plásticos y otros productos, podrían considerarse de interés nacional para muchos países y organizaciones gubernamentales. Sin embargo, el empleo de nuevas variedades transgénicas es todavía de difícil ayuda para la humanidad. Por un lado, las nuevas variedades deben pasar estrictos controles de seguridad, especialmente para evitar una posible fuga del transgén —o transgenes— a las poblaciones naturales —introgresión—; y por otro lado, las multinacionales podrían interesarse más en una explotación comercial de las nuevas variedades que en paliar problemas del tercer mundo. El problema de la introgresión puede salvarse gracias al empleo de variedades estériles, incapaces de ser polinizadas o de producir polen, o bien incapaces de producir semillas viables, lo que reduce en gran medida la capacidad de posible transferencia vertical de genes. La posible transferencia horizontal de los transgenes o de los marcadores a otras especies, incluidas la nuestra, durante su consumo es un aspecto de especial sensibilidad para los consumidores finales (y ecologistas). En muchos casos el transgén se transfiere a la planta junto con un gen marcador que confiere resistencia a un antibiótico. Este segundo transgén es de gran utilidad dado que permite la selección de las células que han integrado los nuevos genes —células recombinantes o transgénicas—, pero también plantea la posible transferencia de la resistencia a poblaciones bacterianas durante el transcurso de la digestión del nuevo alimento transgénico. En realidad, esta transferencia horizontal es igual de probable que cuando se consumen alimentos no modificados, es decir, es prácticamente nula. Por tanto, las principales limitaciones del uso de plantas transgénicas para paliar problemas de nuestro planeta se deben al empleo de variedades de interés para los investigadores, que se manipulan fácilmente en el laboratorio, pero que presentan menor valor comercial en comparación con variedades ya empleadas en agricultura, o bien porque se desconoce el comportamiento de las nuevas variedades transgénicas en las condiciones propias de las explotaciones agrícolas. A éstos problemas tendríamos que añadir que la apuesta por los transgénicos para paliar los problemas de la humanidad es difícil y choca con varios factores relevantes para su éxito como la falta de información en muchos sectores de la sociedad, las prioridades de los gobiernos de los países desarrollados, y la necesidad de la realización de largos estudios que permitan anticipar el éxito del empleo de las nuevas variedades modificadas, lo que conlleva al encarecimiento final del nuevo producto. En varios casos, la introducción en el mercado de alimentos transgénicos se ha interrumpido tras el análisis de los productos y de su evolución en el mercado, dado el rechazo general de la sociedad a su consumo (en países desarrollados), o la pérdida parcial de las nuevas características que habían llevado a su comercialización inicial. Por tanto, la apuesta por los transgénicos para el consumo humano es en realidad una apuesta arriesgada. A los factores anteriores hay que añadir el hecho de que la introducción de transgénicos puede modificar las prácticas agrícolas habituales en los países en desarrollo, lo que también es necesario evaluar antes de poder establecer el impacto de las nuevas variedades sobre los problemas presentes en éstos países (http://www.colostate.edu/programs/lifesciences/TransgenicCrops/index.html)

Entre las principales aplicaciones para los países en desarrollo destaca el proyecto Golden Rice que intenta dar solución al problema de la deficiencia de vitamina A en la dieta de ciudadanos de 118 países, especialmente en el sureste asiático y en África, que se debe a una alimentación basada en el arroz, y al empleo de variedades de arroz que poseen un contenido muy bajo de carotenoides. La deficiencia en vitamina A es en la actualidad la primera causa de ceguera en niños y aumenta considerablemente el riesgo de muerte por enfermedades e infecciones. Se ha determinado que entre 100 y 140 millones de niños presentan deficiencias de vitamina A, de ellos, entre 250 000 y 500 000 quedan invidentes cada año, falleciendo la mitad de ellos antes de su primer año de vida. También cerca de 600 000 mujeres mueren cada año tras dar luz debido a la carencia de esta vitamina (http://www.who.int/nut/vad.htm). El trabajo de dos investigadores europeos, I. Potrykus (Federal Institute of Technology, Zurich) y P. Beyer (Universidad de Freiburg, Alemania) ha conducido a la sobreproducción de enzimas implicadas en la síntesis isoprenoides y al aumento en la síntesis de beta-carotenos en el endospermo de arroz (Potrykus, I, 2001, Golden rice and beyond. Plant Physiology 125:1157-1161). El resultado fue la generación de variedades que producían granos de arroz dorados por los altos contenidos en caroteno. Aunque los resultados son de gran interés, la utilización real de las nuevas variedades se ha encontrado con un gran número de obstáculos desde su anuncio en 2000. Al margen de la baja aceptación por sectores más conservadores, uno de los principales obstáculos es lograr una distribución gratuita de las nuevas variedades y, especialmente, lograr un consumo más variado de otros alimentos vegetales en los países de destino con el objeto de mejorar la absorción de carotenos. Estos problemas indican que es primordial la contribución conjunta de investigadores, empresas (multinacionales) y gobiernos a largo plazo para aprovechar adecuadamente los progresos de la investigación en plantas en problemas básicos para la humanidad.