Callos

Suspensión de células

Protoplastos

Explantos: trozos hojas, tallos, meristemos, etc.

Microesporas/gametos

Planta donante

Regeneración de plantas a partir de embriones de cebada por cultivo in

vitro

Potencialmente, posibilidad de introducir cualquier gen en

cualquier planta cualquier tejido Dificultad: desconocimiento procesos básicos de Fisiología y Bioquímica Vegetal Laboratorio Avanzado de Fisiología Vegetal 2.12.2005

OMGs (Organismos Modificados Genéticamente)

Microorganismos Plantas Animales mejorados mediante técnicas de ingeniería genética UAM

Mejora clásica genoma 1

genoma 2

X

1200 guías telefónicas 1400 páginas cada una UAM

variedades híbridas

+

Selección laboriosa Resultados inciertos Opciones limitadas

Ingeniería Genética

+ 0,005 páginas de cualquier origen

OMG

Agrobacterium: un biotecnólogo natural Agrobacterium GENES TUMORALES

Proliferación de células transformadas

Célula vegetal UAM

Plantas Transgénicas GEN que se quiere introducir

AGROBACTERIUM desarmado (no tumores) CÉLULA VEGETAL UAM

Plantas Transgénicas El nuevo gen: se comporta y se hereda como los genes vegetales

GEN

confiere un carácter adicional Infección natural

célula vegetal Transgénica Regeneración

Planta Transgénica

UAM

Se regeneran muchas plantas, pero la mayoría NO son transgénicas

¿Cómo seleccionar sólo las transgénicas?

UAM

GEN que se quiere introducir

Marcador seleccionable

Resistencia a kanamicina

gen que se quiere introducir UAM

sin kanamicina

+ kanamicina

La planta transgénica contiene un gen de resistencia a un antibiótico

Planta transgénica portadora del gen testigo luc

Expresión del gen luc dirigida por un promotor activo en raíces, tallo y tejido vascular de tabaco.

Transformación biolística (con microproyectiles)

SECTORES DE APLICACIÓN 1. AGRICULTURA Y AMBIENTE 2. INDUSTRIA 3. MEDICINA y FARMACIA

1. AGRICULTURA Y AMBIENTE Mejora en la producción Resistencia a enfermedades

por patógenos (estrés biótico) conservación medio ambiente

por factores químicos etc

El desarrollo de las poblaciones humanas está ligado a la Agricultura

Paradójicamente, la Agricultura es la actividad humana más lesiva para el Medio Ambiente UAM

El desafío de la agricultura del futuro:  Alimentar a 2000 millones más con menos suelo  Limitar el impacto ambiental de la actividad agrícola

Agricultura productiva y respetuosa con el Medio Ambiente UAM

Las Academias Nacionales de Ciencias de seis países urgen a Gobiernos e Industria que propicien el desarrollo de alimentos transgénicos para los países en vías de desarrollo, sobre todo en -resistencia a plagas -mejor calidad nutricional

UAM

La Biotecnología ha perseguido una mayor productividad desde sus orígenes en la agricultura neolítica

UAM

Todas las especies agrícolas son el resultado de una biotecnología: la Mejora Genética Maíz silvestre Maíz cultivado (2000 veces más nutritivo) UAM

CONTROL DE MALAS HIERBAS Hechos Malas hierbas el mayor factor limitante de agricultura (competición nutrientes ) • Esfuerzo y tiempo importante en eliminación manual • Países "desarrollados", eliminación con herbicidas selectivos (ventajas económicas). > 60% fitosanitarios • Importancia en mejora vegetal: malas hierbas más eficientes en utilización nutrientes

ESTRATEGIAS DE CONTROL ACTUALES

Herbicidas • En los casos más avanzados, fitosanitarios para exportación o cosechas de alto precio • En la mayoría, imposibilidad por el bajo coste productos agrícolas graves problemas sociales (ej. emigración a ciudades) • Adopción variedades rentables arroz y trigo ( Asia y Africa "revolución verde", empleo fertilizantes, gasto rentable) demandan uso herbicidas

Biotecnología ¿Por qué? Estrategias 1. Plantas resistentes a herbicidas Pueden en ciertos casos resolución problemas geopolíticos causados por mala nutrición 2. No dependencia herbicidas (-∆ ∆ coste cosechas, aparte de -∆ ∆ contaminación ambiental) 2 ejemplos 1. Malas hierbas parásitas en África: Orobanche y Striga ("escobas") (Asia, Mediterráneo) Acción: Importante detrimento cosechas Parásitos estrictos. Drenaje importante de nutrientes en la planta y efecto fitotóxico

Ejemplos

Resistencia a herbicidas

Round up

Tabaco resistente a clorosulfuron

Colza resistente a glifosato

Ej.: Nigeria: afectados 70% de 180.000 km2 África Subsahariana, la peor peste pérdidas, a veces < 30%

abandono tierra

Orobanche spp y Striga spp, "escobas". 2.

Arroz en India

Plantas de cultivo más competitivas en la utilización de nutrientes Con transgenes fitotóxicos (más alelopáticas) Ej.: sorgo y sorgenolona

Aumento por transgénesis de capacidad controladora en agentes biológicos (hongos p ej) Ej.: hongo Colletotrichum coccoides transformado con NEP-1, tóxico para la mala hierba Abutilon theophrasti

Plantas parásitas y resistencia

Orobanche aegyptiaca

Control de Striga en maiz con imidazolinona

Sorgo excretando gotas de sorgonelona fitotóxica

“Malherboleando” con transgenes Fitotoxicidad de NEP1

Las plantas son atacadas por muchos tipos de patógenos:

bacterias hongos insectos nemátodos

Plantas Bt Producen la proteína Cry de Bacillus thuringiensis, que es un insecticida natural y específico contra lepidópteros que constituyen plagas (taladro)

UAM

Eliminan o reducen el uso de insecticidas inespecíficos Se aprobaron en EEUU tras la evaluación preceptiva Se les atribuyen numerosos riesgos ambientales 1. Polinización cruzada 2. Transferencia horizontal del transgen 3. Efectos ecológicos (mariposa monarca) 4. Toxicidad de proteínas Bt en el ambiente

Re-evaluación en base a publicaciones científicas y experimentos independientes

Atacan las raíces de muchas cosechas: Hortícolas, intensivas, arbóreas….

Resistencia transgénica a nematodos fitopatógenos

Métodos alternativos de control

Plantas resistentes a nematodos Abordaje 1: producir nematicidas en la raíz o en los sitios de alimentación

RIP Abordaje 2: programar la autodestrucción de los sitios de alimentación RIP RIP

Tomates con un gen de resistencia a nematodos formadores de agallas Lycopersicon peruvianum, un tomate silvestre no comestible, posee el locus Mi, que confiere resistencia a muchas estirpes de Meloidogyne  La mayoría de los tomates comerciales contienen el locus Mi (primera introducción en tomate por mejora genética por Smith, 1944) El gen responsable , Mi-1.2, se ha clonado e introducido mediante ingeniería genética en tomate (grupo de Williamson, 1998)

Resistant (Mi+) and Susceptible (Mi-) tomato

(Milligan et al., The Plant Cell 1998)

Retraso putrición en tomates con poco etileno

Bajo etileno

Control

2. INDUSTRIA Alimentaria Grasas Hidratos de carbono Proteínas Espesantes Enzimas Plásticos Colorantes

Biotecnología en semillas Modificación de sustancias de reserva (grasas y proteinas)

Grasas

Aceites

• Triacilgliceroles • Propiedades químicas y funcionales dependen de longitud de los ácidos grasos y del grado de insaturación • Gran parecido de los aceites vegetales: en 95% de 10.000 plantas, sólo 6ácidos grasos • La mayoría en climas templados, con 16 y 18 C saturados (palmítico, 16:0; esteárico, 18:0) con 1 = oleico (18:1) ∆9 2 = linoleico (18:2) ∆9,12 n, lugar de insaturación 3 = linolénico (18:3) ∆n

Grasas a partir de plantas transformadas  Aceites no colesterogénicos

Con ácidos grasos de cadena corta Con diferente grado de insaturación mejora estabilidad dieta enfermos sistema circulatorio (relación con Medicina)

GGPP

Arroz amarillo (relación con Medicina)

fitoeno sintasa fitoenodesaturasa caroteno desaturasa licopeno ciclasa

β-caroteno

Cotransformación con distintos plásmidos pB19hpc psy (Fitoeno sintasa narciso, péptido tránsito, promotor glutelina) crtI (Fitoeno desaturasa bacteria:: pép. tráns. SSU0 rubisco:: promotor 35S)

formación licopeno en plástidos endospermo, donde se forma GG-diP pZpsC como pB19hpc, pero sin gen testigo seleccionable

1

2

3

4

5

6

7

8

Fenotipos de semillas transgénicas de arroz

pZLcyH licopeno ciclasa de narciso,pép.tr.:: promotor glutelina ::gen testigo::35S 1. Control no transformada 2-4. Transformadas sencillas pB19hpc 5-7. Cotransformadas pZpsC/ pZLcyH

Patata amarilla

The Sunday Times, November, 21, 2004

Focus: Golden wonder A yellow genetically modified potato grown in Scotland is being hailed as the answer to Third World hunger and the nation’s poor health (Kenny Farquharson)

Modificaciones genéticas en la vid •

Se enfocan tanto a cultivos como a los productos, en busca de :

• •

mejora de la calidad adaptación a condiciones adversas

• Resistencia a patógenos y plagas, reduciría el uso de fungicidas y plaguicidas • Mejor aprovechamiento de nutrientes por la planta

Dianas de mejora genetica • Salud del fruto Interacción patógeno-hospedador Productos con actividad antipatogénica Resistencia derivada de patógenos

• Mejora de cultivos-adaptación a condiciones adversas Estrés salino Intensa luz Resistentes a bajas temperaturas

• Procesos complejos

• Calidad de la uva Industria del vino: buen color,azúcar,... Fruta:de mayor tamaño,buena apariencia

• Producción de pigmentos • Acumulación y transporte de azúcares • Aroma

Otros productos comestibles Patatas con más cantidad de almidón • se pudren menos • rebrotan menos • absorben poco aceite al freir

Cambios en la composición de azúcares • Inulina en lugar de sacarosa (para diabéticos) • Fructanos (polímeros de fructosa, útiles dieta fibra..) etc

No comestibles Plásticos

3. MEDICINA y FARMACIA Compuestos farmacológicamente activos Enzimas Anticuerpos, vacunas

Arroz enriquecido en hierro

¿Qué es la ferritina? Funciones Proporciona hierro para la síntesis de proteínas. Previene daños ocasionados por radicales libres debido a las interacciones hierro/oxígeno.

Proteína que comprende 24 subunidades que se ensamblan para formar un largo complejo que almacena más de 4500 átomos de hierro en su cavidad central. La regulación de su síntesis depende de los niveles de hierro y se realiza a nivel transcripcional en las plantas.

Oralmente, puede ser una fuente de hierro para el tratamiento contra la anemia

Producción de enzimas humanas Limitación de tejidos y fluidos humanos en la terapia actual o futura con proteinas • fuentes reducidas • peligro contaminación

Alternativas: •Fermentación bacteriana: rentable económicamente, pero inadecuada frecuentemente para procesado adecuado •Células animales transfectadas: difícil escalado en producción •Plantas transgénicas

Plantas transgénicas, en principio cubren los aspectos requeridos: • Producción a gran escala y económica • Mantenimiento fácil de plantas con caracteres deseados estables • Similitud de modificaciones proteicas postraduccionales • Mayor seguridad (plantas no hospedadores de agentes infecciosos de animales) Planta adecuada: tabaco, cultivos densos

Proteína C humana (hPC) • Serín proteasa, anticoagulante. Actividad crucial, hPC inactiva dependiente de vitamina K. Proteolisis

Ca2+, P-lípido

hPC activa Factores de coagulación Va y VIIIa •Síntesis, proenzima. Modificación co y postraduccional dependiente de vit. K. •Proteolisis: escisión péptido señales, un dipéptido interno 2 heterosubunidades. Activación por trombina, escisión 12 aa de subunidad grande.

Enzimas para tratamiento de enfermedades congénitas Un ejemplo: Glucocerebrosidasa (hGC) •En su ausencia ∆ grasas especcíficas (cels. Médula, bazo, hígado etc), Enfermedad de Gaucher: ∆ descontrolado médula, deterioro óseo, visceromegalia; en niños y jóvenes, SNC y SR.

•Éxito tratamiento enzimático •Inconveniente: costo enorme tratamiento (30 años, 1520000 euros) •Origen costo: materia prima, placenta humana (1 mg hCG/10-20 kg •Riesgo adicional: infección patógenos (evitable, cultivos lineas celulares animales; pero coste muy alto)

•Alternativa: tabaco transgénico •Producción en procesamiento postranscripcional sencillo Hechos •Transformación con Agrobacterium •Promotor patentado •Integración estable en bastantes lineas de plantas transgénicas; expresión inducible Proteina de tamaño y procesado correctos. Lo más importante: ACTIVA para el tratamiento

Anticuerpos = Planticuerpos Düring etal., 1990

expresión en tabaco  cadenas ligera y pesada inmunoglobulinas  ensamblaje proteína funcional

En los 90, hasta ahora:   

anticuerpos monoclonales contra cáncer de colon sIgA anti S. mutans, causante caries anticuerpos monoclonales contra herpes genital

Estado actual de la Biotecnología Vegetal: investigación y aplicación

(finales 2004)

Impacto de los OMGs

salvar vidas mejorar la salud preservar el ambiente ahorrar dinero mejorar la calidad de vida ofrecer nuevos productos

BENEFICIOS AMBIENTALES Menos suelo agrícola/mayor productividad Menos pesticidas Menos agua. Materias primas renovables Nuevos hábitats colonizables Procesos industriales limpios Mejor monitorización ambiental Limpieza de contaminantes UAM

RIESGOS AMBIENTALES •Pérdida de biodiversidad •Invasión del medio natural •Contaminación genética •Trasvase horizontal de genes •Polinización de especies silvestres

•Efectos ecológicos impredecibles UAM

Nueva Tecnología Sectores productivos

Gobiernos, expertos y consumidores

Riesgos/Beneficios

Maximizar los beneficios Minimizar los riesgos UAM

OMGs falta información sobre la tecnología faltan estudios de impacto ambiental falta legislación sobre estándares

Fase cautelosa

X

Fase de comprensión y aceptación

International Conference. on Biotechnology in the Global economy (Harvard, 1999)

UAM

Percepción Del Riesgo Biotecnológico EMOCIONES Emociones EMOCIONES HECHOS Hechos • Conocimiento de la Tecnología • Evaluación Riesgos-Beneficios • Factores científicos • Factores político-económicos • Factores sociales • Factores culturales UAM

blue rose July 1, 2004 at 07:00 JST TOKYO

Suntory Ltd said Wednesday it has developed the world's first biotechnology-driven blue roses. ... By extracting blue-pigment genes from other plants, such as petunias, and implanting them into roses.

It´s a good thing genetic science is being put to such great uses. Maybe they can make cats blue.

Italian Scientists Introduce the Patopo Pescara (Italy), 01/04/2003 - A group of scientists at the University of Pescara has announced that they genetically engineered a potato to express the mouse gene responsible for body shape. The results has been described as "remarkable" by the team and other scientists.

01/04, “Fool´s Day” (parecido a Santos Inocentes