El curioso caso de las patatas transgénicas, avances y fracasos a la par.

Hace unos días, un adolescente al que voluntaria y buenamente ayudo con sus tareas escolares (e intento inculcar una buena cultura de conocimientos), me comentó que iba a presentar un trabajo para su clase de biología, sobre la patata, sus variedades y sus características principales. He de confesar que, automáticamente me emocioné (no os lo voy a negar) ya que esta ocasión suponía, una buena oportunidad para introducirle de lleno en el mundo de la divulgación de los conocimientos científicos. Así que, me dispuse con él a buscar bibliografía y a partir de ahí, surgió la idea de esta entrada, dedicada a las patatas transgénicas.  Pues allá vamos con ella; ya si eso, luego me decís si al igual que él, me merezco el notable o el sobresaliente.

Planta de la patata

La patata (Solanum tuberosum), es una planta de la familia de las solanáceas, cultivada en más de 125 países y regiones del mundo y con un rendimiento total de 40 millones de dólares por cosecha. Este tubérculo, no es más que un tallo subterráneo engrosado y desarrollado para acumular los nutrientes de reserva para la planta de la patata. Estos nutrientes de reserva, son fundamentalmente agua (78%) y almidón (18%). El 4% restante, se completa con cantidades variables, según la especie, de proteínas, minerales, vitaminas y grasas. Es sobre el almidón y el contenido de proteínas principalmente sobre los cuales se han centrado los estudios de ingeniería genética destinados a modificar y/o mejorar la calidad nutricional de las patatas. 

El almidón es un homopolisacárido presente en forma de gránulos de tipo cristalino en los tubérculos de la planta de la patata, representando el polisacárido más abundante e importante para la industria, del conjunto de hortalizas y vegetales. Aunque se trata de  un homopolisacárido, está compuesto por la mezcla de dos tipos de polisacáridos, presentes en distintos porcentajes según la variedad de patata estudiada:

a) Amilopectina -> polisacárido altamente ramificado (con ramificaciones cada 25 o 30 monómeros de glucosa y enlaces éster fosfato en posición O-6), con elevado peso molecular, que representa el 75% del almidón de la patata (el 100% en las semillas de cereales). Es la principal responsable de la cristalinización del gránulo de almidón en los amiloplastos.                                                              b) Amilosa -> polisacárido no ramificado, con un peso molecular menor que el de la amilopectina, que representa entre el 20 al 25% del total del almidón presente en las patatas y el 50-75% en las semillas de cereales. Es la principal responsable de las características reológicas (gelatinización y retrogradación) del almidón durante su procesamiento hidrotérmico.

Amilosa y amilopectina

El almidón presenta unas propiedades funcionales de gran importancia y excelentes para muchos procesos de las industrias alimenticias (como aditivo alimentario en sopas, purés o pasteles) pero también para otras industrias como la papelera, la textil, la química o la del envasado/embalaje (gran potencial como productor de polímeros de naturaleza degradable). No obstante, el almidón de las patatas por algunas de sus características, requiere de una serie de modificaciones químicas a realizar antes de usarse en la industria; en dicha modificación, se requiere energía y presencia de agua, lo que lleva a que se pueda aumentar los costes económicos, de producción y medioambientales en su uso y aplicación en las industrias.

Uno de los primeros avances biotecnológicos realizados sobre la patata, fueron los destinados a mejorar el proceso de síntesis del almidón, para mejorar su calidad, de cara a su aplicación a nivel industrial o su uso como aditivo alimentario. La primera empresa biotecnológica que abordó este aspecto, fue la empresa alemana Basf Plant Science, quién diseñó después de años de ensayo en sus centros de investigación al sur de Alemania, la variedad de patata transgénica EH92-527-1, conocida como patata tipo “Amflora”.

Esta variedad de patata presenta en su composición, un almidón de mayor calidad y más resistente, debido al porcentaje de amilopectina presente (prácticamente del 100%) así como la ausencia de amilosa, en los gránulos de almidón; se evita con ello posibles interferencias que se pueden desarrollar en numerosos procesos de la industria de uso del almidón.

Patata Amflora

En la síntesis de almidón intervienen una serie de enzimas, pero es la  almidón-sintasa alfa-1,4-D-glucano- 4-alfa-glucosil transferasa (GBSS) que está asociada con los gránulos de almidón de los amiloplastos, la principal responsable de la síntesis de amilosa. Se observó, que en los granos de maíz, existía una enzima GBSS mutante generada por la expresión de un gen amf, que al estar bloqueada su actividad, implica que la amilosa no esté presente en la composición final del almidón presente en los amiloplastosEn la patata, no se ha encontrado dicho gen amf, pero sí se ha conseguido bloquear la actividad de la enzima GBSS mediante radiacion X de las hojas de una planta monohaploide (n=12)El almidón aislado de los tubérculos de estas plantas, no contiene ni protena GBSS funcional, ni amilosa en su composición. Este tipo de manipulación, aunque permite aumentar la proporción de amilopectina en la composición final del almidón, desencadena una serie de efectos negativos sobre las plantas de patata. Para evitar esto, se utilizó la ingeniería genética cómo la forma más óptima y segura para la planta a la hora de inhibir la acción de la enzima GBSS. Es así como surge la patata “Amflora”.

La patata Amflora se ha obtenido mediante la construcción antisentido del gen de la enzima GBSS (incluyendo intrones, exones, región promotor y secuencia líder, la señal de inicio de la traducción y remolque en la dirección antisentido), para la cual, crearon un clon de DNAc del gen de la GBSS, usaron promotores específicos para los tubérculos (se asegura así que el fragmento se transcriba sólo en esa región, evitando la generación de efectos negativos sobre otras regiones) y procedieron a  realizar una transformación directa posterior a discos de las hojas de las plantas de patata, a través de la bacteria Agrobacterium rhizogenes (cepa LBA4404) mediante métodos de congelación/descongelación (el T-DNA de la bacteria entra en el DNA de la planta, se eliminan las bacterias y el tejido de patata se transfiere a un medio sólido para la inducción del crecimiento de los brotes). El objeto de esta manipulación genética, es la de generar una supresión prácticamente completa de la formación de amilosa en los tubérculos de la patata.

Construcción antisentido gen GBSS

Estudiada por el comité científico de la EFSA para evaluar su uso en el cultivo y la producción de almidón así como su seguridad, en el 2010 la patata Amflora consiguió el visto bueno; los científicos de la EFSA llegaron a la conclusión, que la patata “Amflora” no representaba ningún riesgo adicional para la salud humana o el medio ambiente (no hay posibilidad de transferencia o flujo horizontal de genes), así como para el uso de sus subproductos de extracción (pulpa y zumo) en la alimentación de animales. De esta forma, pasaba a ser la primera patata transgénica que la Unión Europea, autorizaba como válida para su comercialización entre los países miembros desde 1998. 

Los beneficios que aportaba la Amflora eran sobre todo referidos al mayor rendimiento del almidón y la reducción de costes de modificación del mismo, sin que fueran necesarias las modificaciones de tipo químico (no implica un cambio en el sabor o en las propiedades nutricionales de la patata). Pese a todo esto, la empresa creadora de la variedad Amflora, Basf Plant Science, dejó en 2012 de comercializar esta variedad de patata transgénica, debido a la poca aceptación pública que tuvo entre los agricultores y comerciantes de la zona.

No sería este el único avance biotecnológico con más o menos gloria que protagonizó la patata. El siguiente paso, fue la modificación vía ingeniería genética, de la cantidad total de almidón para tratar de reducir la absorción de aceite al freír las patatas, y por tanto, mejorar su tratamiento culinario. Las patatas con más almidón contienen menos agua, de modo que absorben menos aceite al ser freídas (las patatas convencionales absorben hasta un 36% del aceite al freírlas, frente al 30% observado en las patatas modificadas para aumentar su concentración de almidón) y resultan mucho más beneficiosas en su consumo. Además, requieren menos energía para cocinarse, ya que la energía que se utiliza al freír, se consume en la eliminación del agua.

French Fries

La creacción de estas patatas transgénicas consistió, en la incorporación al tubérculo de la patata, de un gen mutante (glgC-16) que codifica por la enzima ADP- glucosa- pirofosforilasa (ADP-G-PP) de la bacteria Escherichia coli, que al expresarse en el interior de los amiloplastos (vía promotor específico de los tubérculos, patatina I, y una secuencia líder SSU), incrementa hasta un 30% el contenido total de almidón presente en los tubérculos de la patata. Realizando una construcción antisentido del gen que codifica por la ADP-G-PP,  y continuando con el proceso descrito para la creacción de la patata Amflora, se observa una disminución de los niveles de activación de la ADP-G-PP en tubérculos y hojas, una disminución de los niveles de almidón pero, sin embargo se ven aumentados los niveles de la glucosa y la sacarosa (se inhibe por el fosfato inorgánico y es menos sensible a la activación de la fructosa 1,6-bisfosfato). Se concluye que, la ADP-G-PP es una enzima clave en la biosíntesis del almidón, con participación también en la formación de los tubérculos (su inhibición genera un aumento en el número total de tubérculos por planta). 

Imagen resumen

Hay numerosos estudios acerca de esta mejora en diferentes variedades de patata, pero no se dispone de información acerca de su comercialización. En alguna bibliografía se habla de una comercialización de estas patatas transgénicas por parte de Monsanto y de su uso para las “french fries” por parte de McDonalds, pero no se dipone de datos fiables que confirmen esta sentencia.

El Instituto Max Planck de fisiología vegetal molecular de Golm, desarrolló un nuevo tipos de patata transgénica por medio de la introducción de dos genes, el  1-SST y el 1-FFT, que codifican, respectivamente, por las enzimas sacarosa 1-fructosil transferasa (síntesis de la 1-Kestotriosa a partir de sacarosa) y la fructano 1-fructosiltransferasa (transfiere residuos fructosilo), y son las encargadas de la síntesis de este fructano. Estos genes se toman del genoma de la alcachofa (Cynara scolymus) y posteriormente, se transfieren al genoma de la patata, provocando que la patata resultante contengan hasta un 5% de fructano en su composición nutricional. El fructano así sintetizado, muestra un mayor peso molecular, una mayor concentración, pero menor longitud de la cadena monómeros de fructosa (factor determinante del grado de calidad industrial de la misma) que el sintetizado en la raíz de las alcachofas.

Ruta fructanos

Este fructano o inulina, es un polisacárido de almacenamiento alternativo en la vacuola celular, (en el 15% de las plantas con flores) cuyo componente básico es la fructosa, unida entre sí mediante enlaces glucosídicos beta 1->2. Es altamente soluble y resulta una fibra de pocas calorías (hecho que hace aumentar su interés a nivel industrial y comercial). A diferencia del almidón, su digestión se ve dificultada (presenta unos enlaces químicos de difícil ruptura por parte de las enzimas amilasa de la saliva y jugo pancreático); es por eso que, los fructanos pasan por el estómago y el intestino delgado sin sufrir modificaciones, siendo en el intestino grueso, dónde llevan a cabo su efecto prebiótico, responsable, mayoritariamente, de sus beneficios saludables:  carácter anti dislipémico, mejora en la absorción de minerales o descenso del riesgo de cáncer de intestino grueso, entre otros.

Molécula de inulina

Inulina

El proceso de ingeniería genética empleado por el Instituto Max Planck de Golm, consistió en la construcción del ADNc de los genes de ambas enzimas, con secuencias endógenas para su localización vacuolar, que se insertaron entre el promotor ARN 35S del virus del mosaico de la coliflor y una secuencia de terminación de la enzima octopina sintasa. Primero se transfirió la construcción del gen de la 1-SST y luego se seleccionaron los transformantes con actividad 1-SST positiva, para ser de nuevo transformados con la construcción del gen de la enzima 1-FFT. En las líneas transgénicas obtenidas, no se observaba ninguna alteración visible de crecimiento, forma y color, ni en el número de tubérculos o síntesis de otros hidratos de carbono solubles, en comparación con las plantas no modificadas, pero sí se llegaba a ver una leve reducción en el contenido de almidón, lo que indica que la síntesis de inulina, se lleva a cabo a expensas de la producción de almidón, siendo así una vía alternativa la síntesis de inulina.

Aunque está lejos de introducirse en el mercado, esta patata transgénica del Instituto Max Planck de Golm supone un modelo interesante para el estudio de la seguridad de los alimentos modificados genéticamente.

La otra patata transgénica que está tratando de hacerse un hueco, es la patata “Protato”, diseñada en 2010 por un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Investigación Genómica de Plantas (NIPGR), en colaboración con el Instituto Central de Investigación en Patata (CPRI) de la India.

Patata Protato

Patata Protato

La calidad nutricional de la patata es, en gran medida, comprometida desde el punto de vista proteico, debido a que ciertos aminoácidos como la lisina, tirosina, así como otros aminoácidos de azufre, presentan niveles bajos. La proteína AmA1 (albúmina amaranto 1) del grano del amaranto, es una buena candidata para mejorar esta situación, ya que se trata de una proteína bien equilibrada en términos de la composición de aminoácidos. Así fue como, los investigadores de la India diseñaron esta nueva patata “Protato”, incorporando la expresión del gen de la AmA1 en el genoma de las patatas, provocando con ello, el incremento de hasta el 60% del contenido proteico total (sobre todo de aminoácidos esenciales) de los tubérculos.

Aunque se han llevado a cabo ensayos en campo, estas patatas “Protato” aún no se comercializan debido a problemas de autorización por parte de las autoridades dedicadas al estudio de la seguridad alimentaria, pero se cree que podrían tener una buena aceptación a nivel comercial.

Espero que os haya gustado y que el trabajo sobre la patata lleve la nota que se merece, que para eso trabajamos duro día a día (y lo mucho que me aguanta el chico jejeje).

¡Nos leeemos en la próxima entrada!

Tatiana DC

Fuentes:

Chakraborty et al. “Next-generation protein-rich potato expressing the seed protein gene AmA1 is a result of proteome rebalancing in transgenic tuber” PNAS  nº 41 vol. 107 (2010)   ;   Hellwege et al. “Transgenic potato (Solanum tuberosum) tubers synthesize the full spectrum of inulin molecules naturally occurring in globe artichoke (Cynara scolymus) roots” PNAS  nº 15 vol. 97 (2000)  ;  Aranceta Bartrina, J y Gil Hernández, A. “Alimentos funcionales y salud en la etapa infantil y juvenil” Ed. Medica Panamericana (2010) pp 134-135 ; Renneberg, R “Biotecnología para principiantes” Ed. Reverte (2008) pp 194-195   ;  Nottingham, S. “Come tus genes. Como los alimentos transgénicos están en nuestra dieta” (2004) Ed. Paidos Ibérica pp 162-163   ;   Sweetlove L. J. et. al. ” Characterization of transgenic potato (Solanum tuberosum) tubers with increased ADPglucose pyrophosphorylase” Biochem. J. (1996)  ;   Muller-Rober, B. et. al. “Inhibition of the ADP -glucose pyrophosphorylase in transgenic potatoes leads to sugar-storing tubers and influences tuber formation and expression of tuber storage protein genes”  The EMBO Journal  nº4  vol. 11 (1992)  ;  Shewmaker and Stalker “Modifying Starch Biosynthesis with Transgenes in Potatoes” Plant Physiol. (1992) http://ec.europa.eu/food/fs/sc/scp/out129_gmo_en.pdf                       http://www.gmo-safety.eu/science/potato/263.amflora-potato-industrial-applications-starch-potatoes-renewable-raw-material.html       http://www.argenbio.org/index.php?action=notas&note=5348

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