Cloroplastos: pequeños gigantes verdes

Abr 2012

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Los cloroplastos son organelos –órganos pequeñitos– que están presentes en las células de las plantas, y en ellos se lleva a cabo la reacción bioquímica más importante sobre la tierra: la fotosíntesis, función de suma importancia a partir de la cual los cloroplastos utilizan el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera para construir las estructuras de las plantas, la base de la cadena alimenticia.

Cuando los animales ingieren plantas y utilizan el carbono –ya convertido en compuestos llamados carbohidratos, como almidón, glucosa, sacarosa o fructosa–, obtienen la energía necesaria para la realización de sus funciones vitales. Es así como los cloroplastos llevan a cabo una tarea gigante: mantener vivos a muchos de los organismos que habitan nuestro planeta.

Los cloroplastos son sólo una parte de los varios organelos que conforman el grupo de los llamados plástidos, los cuales constituyen el remanente de lo que un día fue una célula independiente (bacteria) capaz de llevar a cabo el proceso de fotosíntesis. Los cloroplastos –plástidos de color verde– están presentes tanto en las hojas como en los tallos de las plantas, y son responsables de realizar la fotosíntesis; el color verde es conferido a la planta por la molécula directamente responsable de captar la luz del sol en el proceso de fotosíntesis: la clorofila. Los plástidos encargados de sintetizar y acumular pigmentos –presentes en las frutas y las flores– son los cromoplastos, los cuales aportan el característico color rojo al tomate y el naranja, amarillo o blanco a los diferentes tipos de flores.

Los plástidos que se encuentran en tubérculos como la papa o el camote reciben el nombre de amiloplastos y se encargan de almacenar el almidón en éstos.

Hace aproximadamente mil millones de años, una bacteria formó una asociación simbiótica (simbiosis) con otra célula, dando así origen a las células que conforman las plantas, las cuales son autótrofas, es decir, son capaces de sintetizar moléculas complejas (como los carbohidratos) a partir de moléculas sencillas (como el CO2), utilizando la energía de la luz solar.

Actualmente, los plástidos han perdido su independencia y se han convertido en organelos semiautónomos, pues tienen una estrecha relación con el núcleo de la célula vegetal, del cual reciben ciertas señales moleculares, al tiempo que envían instrucciones precisas para ser provistos de los elementos necesarios para su eficiente funcionamiento.

De genes y genomas 

Hoja

Los plástidos, al igual que otros organelos, como el núcleo celular y las mitocondrias, contienen sus propios genes, los cuales están contenidos en una molécula de ADN circular llamada genoma plastídico o plastoma. Este genoma plastídico se presenta en más de una copia en cada cloroplasto, característica conocida como poliploidía. Es decir, así como los humanos tenemos dos copias de cada cromosoma, los cloroplastos pueden tener hasta 100 copias de su genoma.

Una célula en la hoja de una planta puede llegar a tener en total hasta 10,000 copias del mismo plastoma circular distribuido entre los 10 y 100 cloroplastos que contiene; por si fuera poco, los plástidos tienen también la maquinaria necesaria para descifrar la información incluida en los genes que contiene, es decir, pueden llevar a cabo el proceso de transcripción, que consiste en la producción de una molécula mensajera (ARNm), la cual es transferida después a los ribosomas, donde permite establecer el orden preciso en el que se unirán las moléculas componentes de las proteínas, en un proceso celular llamado traducción.

En el plastoma de una planta típica (maíz, arroz, tomate, etc.) están contenidos, aproximadamente, 130 genes que permiten la traducción de muchas proteínas involucradas en la fotosíntesis; el resto de las proteínas necesarias para que los plástidos sean funcionales (en el caso del cloroplasto, unas 3,000 proteínas más) son producidas desde el núcleo e importadas
al interior de los plástidos.

Entre los diferentes tipos de plástidos, se ha observado que los metabólicamente más activos son los cloroplastos, los cuales se encargan de producir la proteína más abundante sobre la Tierra, la RuBisCO (ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa), que permite la incorporación del CO2 presente en la atmósfera a las estructuras celulares y, por tanto, es la proteína responsable de que la planta crezca. Dependiendo de la planta, el contenido de RuBisCO puede ser de hasta 50% de la proteína soluble total (PST) de esa planta. Estas ventajas –la presencia de hasta 10,000 copias del genoma y la alta capacidad de producir y almacenar proteínas– pueden ser explotadas al máximo por el ser humano con el fin de obtener proteínas útiles para resolver problemas de diversa índole, por ejemplo, la producción de proteínas de interés médico. Utilizando ingeniería genética, el genoma de los plástidos puede ser modificado para convertir las plantas en fábricas de producción de proteínas, tales como vacunas, hormonas, factores de coagulación, etcétera.

Modificación genética de los cloroplastos 


Mediante la utilización de micropartículas de oro o tungsteno –aceleradas a alta velocidad–en una técnica conocida como biobalística o bombardeo de micropartículas, se puede introducir genes exógenos al cloroplasto (figura 1). Basta implantar un solo gen exógeno para que éste se integre en una de las copias del genoma y luego se propague, hasta obtener 10,000 copias del gen introducido.


La presencia de un gran número de genes exógenos representa un enorme potencial, pues en el cloroplasto, los niveles de acumulación podrían incrementarse hasta 10,000 veces, en comparación con los niveles obtenidos cuando se introduce tan sólo un gen en el núcleo celular. Así, los niveles de acumulación de proteínas en casos extremos se puede incrementar hasta alcanzar 70% de la proteína heteróloga (recordemos que RuBisCo se acumula hasta 50%) en plantas con cloroplastos modificados (también conocidas como transplastómicas).

En estos casos, los cloroplastos prácticamente dejan de producir RuBisCO para comenzar a producir únicamente la proteína heteróloga. Esto puede tener una consecuencia negativa: como la RuBisCO se encarga de asimilar CO2 para incorporarlo a estructuras de la planta, cuando esa proteína se deja de producir, la planta crece muy lentamente. Setenta por ciento en acumulación de proteínas heterólogas es un caso extremo, no obstante, en casos más realistas se puede obtener de 40 a 45% de la proteína soluble.


Una de las muchas ventajas que tiene la producción de proteínas recombinantes en plantas es que, como se mencionó anteriormente, éstas son organismos autótrofos y no requieren de nutrientes complejos para crecer. En el caso de cultivos de células animales –un sistema que en la actualidad es ampliamente usado para la producción de proteínas con propiedades terapéuticas (ejemplo: eritropoyetina, factores de coagulación, vacunas…)–, el elevado costo de los medios de cultivo se refleja en el costo final de la proteína (medicamento). Otra desventaja de producir proteínas terapéuticas con células animales es que en este tipo de cultivos también se producen sustancias tóxicas para el ser humano, lo que se convierte en un problema adicional para la obtención de proteínas-medicamento de alta pureza.

En caso de utilizar las plantas como biorreactores, los costos de producción se reducirían de manera importante, ya que para producir una proteína en plantas basta hacer germinar la semilla en tierra y proveerla de luz y agua.

La posibilidad de producir alguna proteína de interés en los frutos y semillas facilitaría su manejo y transporte; así, se ha observado que las proteínas acumuladas en las semillas de las plantas son muy estables y pueden ser sometidas a largos periodos de almacenamiento. De manera similar, las proteínas pueden ser producidas en tubérculos, como la papa; también las hojas de lechuga pueden ser secadas y molidas sin que la proteína heteróloga pierda su funcionalidad.

Además de servir como biorreactores en la producción de proteínas, las plantas generadas por modificación genética de cloroplastos pueden ser utilizadas en otras aplicaciones; así, es posilble generar plantas resistentes a patógenos y herbicidas, lo cual permitiría aumentar la productividad de los cultivos, ya que disminuirían pérdidas por el ataque de insectos o debido al uso de herbicidas.


Si bien es cierto que hay variedades con tales características, éstas han sido obtenidas mediante la modificación genética del núcleo y, en las variedades resultantes de esta forma, existe el riesgo de dispersión de los genes a través del polen, el cual es transportado por el viento, polinizando así otros cultivos, lo que propicia la posibilidad de transmitirles características –para bien y para mal– que hasta entonces no tenían. En cambio, la ventaja de las plantas obtenidas por modificación genética de plástidos consiste en que los genes introducidos al plastoma no son heredados vía paterna; es decir, no están presentes en el polen, por ello disminuye el riesgo de propagar genes exógenos a cultivos cercanos, de forma no intencional.

Beneficios de la biotecnología vegetal 


Plantación de tabaco/Foto: Intef
Las plantas obtenidas por modificación genética de plástidos disminuyen el riesgo de propagar genes exógenos a cultivos cercanos de forma no intencional, ya que los genes introducidos al plastoma no son heredados vía paterna, y no están presentes en el polen.
Aunque gran parte de la tecnología abocada a la modificación genética de plástidos ha sido desarrollada en la planta del tabaco, debido a la facilidad de manipulación in vitro que presenta recientemente, se ha iniciado la investigación para modificar los plástidos de otras especies, como tomate, papa, algodón, soya, etc.2 La relevancia de transferir esta tecnología a especies comestibles radica en que la producción de ciertas proteínas o vacunas podría lograrse sin el riesgo de contaminación por toxinas (como la nicotina) presentes en la planta de tabaco y en la producción mediante cultivo de células animales.3


No se puede subestimar la contribución que tendrá la biotecnología vegetal en el aumento de la producción agrícola; más aún, como se ha expuesto, ciertas especies de plantas pueden convertirse en fábricas productoras de fármacos y nutrientes a costos relativamente bajos. La posibilidad de alcanzar altos niveles de producción de proteínas a base de fármacos y vacunas, mediante la introducción de genes a cloroplastos, hace de estos pequeños gigantes verdes el compartimiento ideal para la producción de proteínas con alto valor agregado, de una manera económica y con el beneficio adicional del control en la diseminación de los genes externos a la planta.

Lecturas recomendadas 

» Yukawa, M., T Tsudzuki and M. Sugiura. “The 2005 Version of the Chloroplast DNA Sequence from Tobacco (Nicotiana tabacum)”. Plant Mol. Biol. Rep., 23, (2005): 359–365.

» Maliga, P. and R. Bock. “Plastid Biotechnology: Food, Fuel, and Medicine for the 21st Century”. Plant Physiol. 155, (2011): 1501-1510.

Autores

Jesús Agustín Badillo Corona es ingeniero biotecnólógo por la UPIBI-lPN y doctor en Biología molecular por la Universidad de Cambridge, Reino Unido. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores y actualmente es profesor de Biología molecular en la UPIBI-IPN, donde desarrolla investigación para la producción de vacunas en plantas, mediante la modificación genética de cloroplastos. C. e.: jbadilloc@ipn.mx


Juan Silvestre Aranda Barradas es ingeniero biotecnólogo por UPIBI-IPN, y doctor en Ingeniería de procesos biológicos por el Institut National Polytechnique de Toulouse, Francia. Es Investigador Nacional, nivel I y, actualmente, es jefe del Laboratorio de Investigación en Bioingeniería de la UPIBI-IPN, donde realiza investigaciones sobre la estimación de flujos metabólicos en diversos sistemas celulares. C. e.: jaranda@upibi.ipn.mx
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