Mediante la tecnología CRISPR

La investigación llevada a cabo por Embrapa Agroenergy ha dado como resultado las variedades de caña de azúcar Flex I y Flex II que ofrecen, respectivamente, una mayor digestibilidad de la pared celular y una mayor concentración de sacarosa en los tejidos vegetales.

Investigadores de Embrapa Agroenergy, centro de investigación vinculado al Ministerio de Agricultura de Brasil, han desarrollado las primeras cañas de azúcar editadas genéticamente que son consideradas no transgénicas en el mundo (a través de la edición del genoma sin ADN), según la Resolución Normativa 16 (RN 16) de la Comisión Técnica Nacional de Bioseguridad de Brasil (CTNBio) publicada el 9 de diciembre de 2021.

Se trata de las variedades de caña Flex I y Flex II, que ofrecen, respectivamente, una mayor digestibilidad de la pared celular y una mayor concentración de sacarosa en los tejidos vegetales. Responden a uno de los mayores retos del sector: aumentar el acceso de las enzimas a los azúcares aprisionados en las células, lo que facilita la producción de etanol (de primera y segunda generación) y la extracción de otros bioproductos.

La caña de azúcar Flex I es el resultado de silenciar el gen responsable de la rigidez de las paredes celulares de la planta. Esta estructura fue modificada y mostró una mayor “digestibilidad”, es decir, permitió un mayor acceso a los ataques enzimáticos durante la etapa de hidrólisis enzimática, un proceso químico que extrae compuestos de la biomasa vegetal.

Las nuevas variedades de cañas de azúcar Flex responden a los desafíos del sector y facilitan la producción de etanol (de primera y segunda generación) y la extracción de otros bioproductos. En la imagen, campo de ensayo de Flex II. Foto: Hugo Molinari.

Por otro lado, la segunda variedad se generó silenciando un gen en el tejido de la planta, lo que provocó un aumento considerable de la producción de sacarosa en los tallos de la planta modelo, Setaria viridis.

“Una vez identificado este rasgo de acumulación de azúcar en la planta modelo, trasladamos este conocimiento a la caña de azúcar, el objetivo de nuestra investigación. De nuevo se observó un incremento de sacarosa de alrededor del 15% en los tallos de la caña de azúcar, junto con un aumento de otros azúcares que están presentes en la planta como la glucosa y la fructosa, tanto en la planta como en el tejido vegetal fresco”, explica el investigador de Embrapa, Hugo Molinari.

El equipo también observó incrementos de alrededor del 200% en el azúcar de las hojas de la caña de azúcar. “También hicimos pruebas para ver si el gen tenía acción para mejorar la sacarificación, que es la conversión de la celulosa en azúcar industrial, y observamos un incremento de alrededor del 12%”, añade el investigador.

Foto: Hugo Molinari (Flex I).

Molinari enumera algunas de las ventajas de la caña Flex II: el aumento de la eficiencia en la producción de bioetanol, el descubrimiento de una variedad más apta para el procesamiento industrial, la obtención de bagazo con mayor digestibilidad para su uso en la alimentación animal y la agregación de valor a la cadena de producción de la caña de azúcar en su conjunto.

“En 2020-2021, la producción total de azúcar estimada en el mundo era de 188 millones de toneladas, y Brasil era responsable de 39 millones de toneladas, el equivalente al 21% de la producción mundial”, afirma Molinari.

Otro punto destacado por el investigador es la contribución de la caña de azúcar a un mix energético más limpio. “Hoy sabemos que más del 45% del mix energético brasileño es renovable y que la caña contribuye con una cuota superior al 30% de esas fuentes renovables”, informa.

Embrapa Agroenergy ya venía estudiando genes relacionados con las aciltransferasas, enzimas responsables de la formación y modificación en la estructura de las paredes celulares de las plantas y que permiten el acceso al azúcar. “Concretamente en el caso de la caña de azúcar Flex II, nuestro grupo identificó un gen candidato perteneciente a la familia de las aciltransferasas que resultó ser un activo biotecnológico muy prometedor y viable para aumentar la producción de azúcares en las gramíneas”, explica el investigador.

Ambos estudios utilizaron CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Shorts Palindromic Repeats), una técnica revolucionaria para manipular genes descubierta en 2012. La tecnología utiliza la enzima Cas9 para cortar el ADN en puntos determinados, modificando regiones específicas. El descubrimiento valió el Premio Nobel de Química 2020 a los investigadores que publicaron el primer artículo sobre el tema: Emmanuelle Charpentier y Jennifer A. Doudna.

El desarrollo tecnológico de los cultivos de caña de azúcar a lo largo del tiempo fue el principal factor responsable de la expansión del sector. Foto: Hugo Molinari.

Por lo tanto, el desarrollo de las cañas Flex I y II no implicó la modificación del ADN de la planta, sino sólo el silenciamiento de los genes. Por eso, la Comisión Técnica Nacional de Bioseguridad (CTNBio) clasificó las nuevas variedades como no transgénicas o no modificadas genéticamente.

“La controversia en torno al uso de plantas transgénicas en la agricultura ha hecho que cada país del mundo cree una regulación específica sobre el tema, lo que disparó el costo de insertar variedades genéticamente modificadas (GM) en el mercado. Hoy en día hemos asistido al auge de una nueva tecnología, la edición del genoma, con la que ya no es necesaria la introducción de secuencias exógenas de otras especies en el genoma de la especie objetivo”, informa Molinari.

Según el científico, aunque los transgénicos siguen siendo una estrategia importante para resolver innumerables problemas en la agricultura y para añadir valor a las especies, la edición del genoma con técnicas como CRISPR permite una manipulación del ADN más precisa, rápida y económica en comparación con los transgénicos.

“La tecnología CRISPR ha permitido democratizar el uso de la biotecnología en la agricultura, no sólo desde el punto de vista de que más empresas e instituciones participen en el desarrollo de productos que llegan al mercado, sino también permitiendo que más especies de interés se beneficien de ella”, explica Molinari. Según él, el coste estimado para el desarrollo de una planta de transgénicos es de unos 136 millones de dólares y entre el 30% y el 60% de esta cantidad se destina a las fases de desregulación.

Molinari recuerda que el desarrollo tecnológico de los cultivos de caña de azúcar a lo largo del tiempo fue el principal factor responsable de la expansión del sector. Durante décadas, diferentes grupos de investigación en el mundo han dedicado esfuerzos de investigación básica hacia una mejor comprensión del metabolismo de los azúcares en las plantas y su control durante el desarrollo de las mismas en especies modelo. “El metabolismo del azúcar es bien conocido hoy en día, ya que se ha desvelado la integración de varias enzimas y los procesos metabólicos de transporte y acumulación”, observa el investigador.

Según el jefe adjunto de Investigación y Desarrollo de Embrapa Agroenergía, Bruno Laviola, el desarrollo de nuevos cultivares de caña de azúcar mediante la técnica CRISPR está en la frontera del conocimiento. “Estos cultivares son sólo el comienzo y allanan el camino para el desarrollo y entrega de otros cultivares para el sector productivo con características que impactarán directamente en la productividad de la caña de azúcar y reducirán los costos de producción”, anuncia.