La próxima cosecha biotecnológica

A primera vista, una sección industrial envejecida de Cambridge, Massachusetts, parece un lugar extraño para buscar el futuro de la agricultura. Las únicas plantas son malas hierbas a lo largo de las vías del tren y arbustos y árboles bien cuidados que salpican las entradas a los negocios de alta tecnología que están rejuveneciendo el área. El corazón agrícola de los Estados Unidos está a mil millas de distancia.



Y no encontrarás invernaderos o macetas de plantas experimentales dentro de Cereon Genomics. Parece cualquier otro laboratorio de genética molecular. Los técnicos preparan muestras con códigos de barras; Cerca, filas de sofisticados instrumentos que fueron desarrollados originalmente para secuenciar genes humanos forman una línea de fabricación de alta velocidad. La diferencia es que las materias primas para esta fábrica de genes son a menudo fragmentos de plantas, y el producto es información sobre el ADN de la planta, sus planos genéticos.

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Esta historia fue parte de nuestro número de septiembre de 1998





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Desde su oficina de la esquina, Roger Wiegand enarca las cejas hacia el equipo automatizado que tiene detrás. Wiegand es el director de tecnología genómica de Cereon, la ciencia de identificar genes y sus funciones. Puede que no haya vegetación alrededor, pero para un biólogo molecular de toda la vida, dice Wiegand, dirigir el laboratorio de Cereon es como ser un niño en una fábrica de dulces.

La emoción se basa en la convicción de que la información genética que se está recolectando en Cereon y en otros laboratorios de genómica de plantas que están surgiendo en todo el mundo ayudará a sembrar una transformación biotecnológica de la agricultura. Monsanto, el gigante agrícola y farmacéutico con sede en St. Louis, se comprometió a fines del año pasado a gastar más de $ 200 millones para crear Cereon, una subsidiaria de propiedad absoluta que formó en una alianza con el cazador de genes Millennium Pharmaceuticals. El trato es uno de los movimientos más audaces en la transformación de Monsanto en una empresa de ciencias biológicas. (En junio, Monsanto anunció planes para fusionarse con American Home Products). Y refleja la profunda creencia de la antigua compañía química de que puede aprovechar el creciente conocimiento de los genes en grandes empresas y, al hacerlo, cambiar la forma en que los agricultores y consumidores piensan sobre plantas.

Otras empresas comparten esta visión. Varios otros gigantes de la química y la droga, en particular DuPont y Novartis (la empresa suiza resultante de la fusión de Ciba y Sandoz en 1996), han invertido miles de millones en el sueño. Si estas empresas tienen razón, dentro de cinco años los agricultores sembrarán algodón de color natural para reducir la necesidad de teñir, así como cultivos que albergan plástico. Los productores estarán armados con cultivos de mayor rendimiento y resistentes a los insectos. Los consumidores recogerán de los estantes de los supermercados alimentos más saludables y nutritivos que provienen de plantas modificadas genéticamente. Más adelante, los niños recibirán vacunas a través de plátanos u otros alimentos, evitando el terror de las agujas (consulte Cómo hacer agujas innecesarias).



Fábricas en el campo

los primeros cultivos transgénicos se plantaron a gran escala en los Estados Unidos hace dos años y rápidamente se han arraigado en la economía. Este año, las plantas genéticamente modificadas constituirán alrededor del 15 por ciento de la cosecha de maíz de EE. UU., Alrededor del 30 por ciento de la cosecha de soja y más de la mitad de la producción de algodón. Esta primera generación se engendró mediante el truco relativamente simple de insertar un gen de una bacteria en una planta para producir un rasgo único; Los resultados de dicho trabajo incluyen maíz y algodón resistentes a plagas específicas, así como cultivos que toleran varios tipos de herbicidas.

Si bien este modesto retoque genético puede parecer algo menos que una revolución biotecnológica, los cultivos de bioingeniería han tomado por asalto a los agricultores. La gente se sorprende de lo importantes que han sido los primeros genes, dice Anthony Cavalieri, vicepresidente de Pioneer Hi-Bred International, con sede en Des Moines, un vendedor líder de semillas y socio comercial de DuPont. Y este es solo el borde frontal. Podría ser fundamental para el funcionamiento de todo el sector agrícola.

De hecho, se espera que la verdadera recompensa se produzca en los próximos años a medida que los biólogos de plantas comiencen no solo a insertar más genes en las plantas, sino también a volver a dibujar los planos genéticos y a redirigir las vías metabólicas de muchos cultivos comunes. La visión es reconfigurar las plantas en unidades de producción baratas que puedan producir de todo, desde alimentos modificados hasta vacunas humanas y productos químicos básicos. ¿La recompensa por diseñar estos rasgos de producción en las plantas? Según John Pierce, jefe de investigación de descubrimientos en agricultura de DuPont, podría significar obtener una parte de los mercados industriales y alimentarios por valor de 500.000 millones de dólares al año.



Incluso para las corporaciones gigantes, estas no son papas pequeñas. Monsanto, por ejemplo, está trabajando en una papa con alto contenido de sólidos, así como en canola y soja con contenido de aceite modificado. Una cepa de canola, por ejemplo, es rica en betacaroteno para combatir la deficiencia de vitamina A, que sigue siendo un problema en muchos países en desarrollo.

Durante los próximos años, DuPont espera comenzar a comercializar semillas de soja de aceite modificado, así como semillas de soja con alto contenido de sacarosa. Trabajando con su socio Pioneer, DuPont tiene media docena de cultivos biotecnológicos que se acercan a la comercialización y espera introducir plantas con varios rasgos agrupados. La compañía también está trabajando en cultivos con alto contenido de proteínas y aceite para alimentos para animales (alrededor del 80 por ciento del maíz de EE. UU. Se alimenta a los animales).

planetas alrededor de proxima centauri

La comida para humanos y animales de granja es un gran negocio. Pero una recompensa aún más lucrativa podría eventualmente provenir del cultivo de cultivos biotecnológicos que producen materiales y productos industriales muy preciados directamente en la planta. ¿Por qué fabricar tintes sintéticos para el algodón utilizando productos químicos altamente tóxicos, se piensa, cuando las propias plantas podrían modificarse genéticamente para producir fibras de colores? ¿Por qué no convertir las plantas en fábricas químicas?

Los biólogos de plantas de Monsanto y una nueva empresa de Cambridge, Mass., Llamada Metabolix, están trabajando por separado en un plástico cultivado en plantas que podrían estar listas para los agricultores en 2002. Prodigene, College Station, Texas, de dos años de antigüedad, spin-off de Pioneer, ya vende enzimas industriales cultivadas en maíz transgénico y está desarrollando otros productos industriales a base de proteínas. Otros laboratorios están intentando crear plantas que produzcan aceites especiales que podrían servir como nuevos ingredientes industriales para revestimientos y lubricantes. También están en la mesa de dibujo las vacunas comestibles a base de plantas para enfermedades como la hepatitis y la diarrea.

Al jugar con el control y la actividad de los genes, se puede producir casi todo en las plantas, dice David Wheat, consultor de biotecnología de plantas y presidente de Bowditch Group, con sede en Boston. Al comprender cómo funciona un organismo a nivel molecular, puede diseñar nuevos tipos de productos, tal vez incluso hacer productos que nunca antes había visto.

Aritmética simple

Las perspectivas de la biotecnología agrícola son lo suficientemente tentadoras como para ayudar a impulsar una reestructuración masiva de las industrias agrícola y química que, en algunos casos, difumina las líneas entre las dos (consulte Sembrando una nueva industria, recuadro). Monsanto y DuPont, en particular, han investigado profundamente las nuevas oportunidades, devorando proveedores de semillas y nuevas empresas de biotecnología de plantas. Impulsada en gran parte por el potencial de la biotecnología, el año pasado Monsanto abandonó sin ceremonias su negocio de productos químicos, adoptando la biología como la ola del futuro. A su vez, esta primavera DuPont se reorganizó, formando un grupo de ciencias de la vida (que incluye sus actividades agrícolas, farmacéuticas y biotecnológicas) y declarando que su crecimiento futuro radica en la integración de la química y la biotecnología.

Incluso el serio Dow Chemical, el gran fabricante de productos químicos, ha manifestado su deseo de ser un actor líder en biotecnología, dirigido al desarrollo de plásticos y productos químicos industriales. Es una tecnología cuyo momento ha llegado, dice Fernand Kaufmann, vicepresidente de nuevos negocios y desarrollo estratégico de Dow. Kaufmann advierte, sin embargo, que tomará tiempo para que los productos químicos cultivados en plantas hagan mella en los enormes mercados de productos básicos, que están dominados por productos derivados del petróleo.

Bases de datos de ADN

Durante los próximos años, la producción de plástico a gran escala permanecerá en la fábrica, no en el campo. Incluso en los proyectos de investigación más avanzados de DuPont para materiales de origen vegetal, reconoce Irlanda, los científicos todavía están desentrañando las vías enzimáticas mientras desarrollan simultáneamente toda la química de los polímeros. Nadie entiende realmente cómo controlar y regular la expresión de genes vegetales.

Pero si la genómica vegetal continúa acelerándose al ritmo actual, puede resultar mucho más fácil alcanzar ese objetivo. Los cultivos más comunes tienen una gran cantidad de ADN y alrededor de 50.000 genes, aproximadamente la mitad del número de los humanos. Pero utilizando máquinas rápidas y automatizadas perfeccionadas para desentrañar el genoma humano, los genetistas de plantas están identificando genes más rápidamente de lo que los botánicos saben cómo cultivarlos.

Scott Tingey, director del programa de genómica de DuPont, dice que la tecnología ha tenido un impacto profundo en el campo. Hace unos años, se necesitaban dos años-hombre para clonar un gen vegetal, dice Tingey. Aproximadamente la mitad de las veces tuvo éxito, la otra mitad cayó de bruces. Hoy la vida es muy diferente. Durante los últimos dos años, DuPont ha creado una base de datos de secuencias de ADN para maíz, soja, trigo y arroz. Elimina el tedioso proceso de descubrimiento de genes. Ese ya no es el paso que limita la velocidad en un proyecto, explica Tingey.

Los biólogos anticipan completar la secuenciación de Arabidopsis (una maleza que es el modelo genético principal para la genética vegetal) para el año 2000, como resultado de una colaboración internacional que comenzó en 1989. Eso podría ser crucial porque todas las plantas con flores tienen esencialmente el mismo conjunto de genes. . En los próximos cinco años, conoceremos la función de todos los genes vegetales en algún nivel, predice Somerville de Stanford. Es un cambio importante. Estaremos en una posición mucho mejor para realizar mejoras racionales en las plantas.

De vuelta en Cereon, recién formado, uno de los objetivos es convertir la secuenciación de material genético interesante en una línea de producción rutinaria de alto rendimiento. En particular, la compañía quiere acelerar el proceso de encontrar una secuencia de ADN responsable de un fenotipo específico o rasgo físico. Estamos estableciendo sistemas que permitirán a los genetistas moleculares pasar de un fenotipo de interés a tener un gen clonado y conocer la secuencia de ese rasgo en muy poco tiempo, dice el presidente de Cereon, William Timberlake. Ahora se necesitan años para llegar a algunos de estos genes, explica Timberlake. Nos gustaría reducir eso a semanas o meses.

Pero recopilar toda esa información genética es solo el primer paso. Oliver Peoples, cofundador de Metabolix, explica: ¿Qué haces con toda la información genética de la genómica? Empieza a diseñar caminos para optimizar el flujo de carbono. Es el uso final de la genómica, es el rompecabezas definitivo. En otras palabras, el sueño es controlar todo el metabolismo de una planta.

Las empresas que intentan convertir plantas de cultivo en fábricas están trabajando en algunos pasos preliminares. DuPont tiene la intención de mejorar sus habilidades en biología haciendo un intermedio plástico a partir del azúcar utilizando microbios modificados genéticamente en un proceso de fermentación. El intermedio es el ingrediente clave en un polímero novedoso que podría competir con el nailon, y la compañía planea tener una instalación de producción a pequeña escala en funcionamiento a finales de 2000. Será el primer intento de DuPont de un proceso de producción de base biológica y, dice Dorsch, guiará los planes de la empresa para utilizar la biología en la fabricación de materiales.

Contra una pared de la oficina de Dorsch hay un diagrama que muestra las vías metabólicas de una bacteria. Se parece a un diagrama de flujo de ingeniería química, del tipo que se ve en todas partes en DuPont, solo que es mucho más complejo. La idea, dice Dorsch, es aprovechar los flujos naturales de carbono en el organismo y diseñar cambios sutiles que le permitan desviar un producto deseado. Los organismos ya están preparados para funcionar muy bien. Si intentas mover una fracción significativa del carbono a través de una ruta diferente, tendrás que rediseñar por completo la bestia. No creo que seamos tan audaces como para creer que eso es algo que sucederá pronto. Agrega rápidamente, pero podríamos llegar allí.

Los laboratorios de investigación de DuPont en las afueras de Wilmington, Delaware, son un terreno sagrado para los científicos y químicos de polímeros. Son el punto cero de la química industrial estadounidense moderna, el lugar donde se inventó el nailon. Y la química basada en el petróleo ha reinado aquí durante mucho tiempo. Ahora, dice Irlanda, la biología está revitalizando la investigación. Los químicos de polímeros están entusiasmados con esto porque ven las posibilidades inherentes a la ciencia. Los biólogos están emocionados porque ven la oportunidad de usar sus talentos para hacer mucho dinero para la empresa.

Las imponentes columnas de destilación son aún más comunes que los campos de maíz en Wilmington. Pero si DuPont y sus rivales tienen éxito, la brecha entre los mercados agrícolas y la industria química pronto podría estar a punto de cerrarse. De hecho, la brecha entre la química industrial y la biología ya se ha abierto.

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