30 anys d'R+D CSIC
El cost de seqüenciar genomes costa un milió de vegades menys que fa una mica més de dues dècades. La dada impressiona. Si l'any 1998, la seqüenciació d'un tros de genoma únic de la planta Arabidopsis va ser una fita, ara les coses han canviat radicalment. Parlem amb alguns dels investigadors pioners en aquesta àrea.
Pere Puigdomènech, en un dels hivernacles del CRAG
"Ara es publiquen múltiples genomes alhora", apunta Pere Puigdomènech, professor de recerca del CSIC. “El cost de la seqüenciació ha estat dividit per un milió, gràcies a les tècniques de seqüenciació massiva i al tractament de dades per ordinador. És un enorme avenç tecnològic i el nostre coneixement ara és infinitament més gran”.
Tal com explica aquest científic, ara es disposa d'eines per saber quines bases es vol modificar, perquè i en quina part del genoma, i aquestes comencen a ser utilitzades de forma general a les empreses del sector.
Puigdomènech és investigador emèrit del CSIC al Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG), un consorci del CSIC, l'IRTA, i les universitats UAB i UB. L'origen del centre es remunta a l'any 2003, encara que l'edifici no va ser inaugurat fins a l'any 2011. Les seves instal·lacions de 9000 metres quadrats acullen hivernacles, càmeres de cultiu, laboratoris i oficines per a un equip d'investigadors i un equip tècnic de més de dos centenars de persones, que investiguen amb l'objectiu de comprendre els caràcters demandats i essencials de les plantes en relació amb l'alimentació.
Els inicis
L'origen del CRAG, el primer centre del seu tipus a Espanya, va néixer als laboratoris del CSIC i de l'IRTA. En el cas del CSIC, a l'àrea de biologia del Centre de Recerca i Desenvolupament (CID). Aleshores era un equip de només una desena de persones, en què es va integrar el mateix Puigdomènech, que havia tornat d'Alemanya el 1981.
L'any 1985 es va publicar la seqüenciació d'una proteïna del blat de moro, la glutelina-2; el treball va ser pioner a Espanya i la primera seqüència d'ADN publicada des de Catalunya. En canvi, actualment, es publiquen múltiples genomes alhora
“Comencem llavors a treballar en ADN recombinant en plantes. Es va unir a nosaltres un grup del CSIC que estava localitzat a la Universitat de Barcelona i que treballava en la millora del blat de moro”. Entre el 1982 i el 1983 van abordar la seqüenciació d'una proteïna del blat de moro, la glutelina-2, treball que es va publicar el 1985. El treball va ser pioner a Espanya i la primera seqüència d'ADN publicada des de Catalunya. Des d'aquelles primeres publicacions, els resultats s'han accelerat progressivament.
Exemples de progressió accelerada
A la dècada dels 90, investigadors del CSIC que eren aleshores al Centre d'Investigació i Desenvolupament (CID), van participar juntament amb un consorci europeu en la seqüenciació d'un primer tros del genoma d'Arabidopsis, publicat el 1998. Arabidopsis és, des de fa anys, el principal model de laboratori per raons pràctiques, com ara la senzillesa i la facilitat de manipulació. D'aqui l'interès a obtenir el seu genoma.
El genoma complet d'Arabidopsis es va publicar l'any 2000 (2), gairebé alhora que el genoma humà. Van participar a la feina els investigadors del CSIC, juntament amb equips d'Europa, els Estats Units i el Japó. El projecte, llançat des de Brussel·les el 1991, va suposar una inversió de 100 milions d'euros, aportats per la Comunitat Europea, la National Science Foundation (EUA) i l'Institut Kazusa (Japó). Els resultats, publicats a Nature, van revelar que aquesta planta herbàcia té un genoma parcial de 119 milions de parells de bases (Mb) que contenen uns 26.000 gens.
Salomé Prat, professora d'investigació del CSIC en el CRAG
Una altra fita del mateix grup, llavors ja a l'Institut de Biologia Molecular integrat al CID, va ser descobrir el 2001 la proteïna armadillo de patata, la qual es mobilitza el nucli en presència de giberelines i que més tard va donar peu a identificar com funcionen els repressors DELLA, proteïnes amb una activitat clau en la senyalització daquestes hormones. El treball va ser liderat per Salomé Prat, professora de recerca del CSIC, i va aparèixer a la prestigiosa revista Cell (3). "Aquest segon descobriment va ser clau per entendre per què les plantes mostren un aspecte més allargat en absència de llum o també el motiu de la correlació existent entre una tolerància més gran a estrès i la inhibició del creixement de la planta", explica la investigadora.
El 2012 es va obtenir el genoma complet del meló (4), d'uns 450 milions de parells de bases i 27.427 gens. Ho va fer un consorci espanyol al projecte Melonics, dirigit per Pere Puigdomènech (CSIC), Jordi Garcia Mas (IRTA), i la col·laboració de 14 grups de recerca de diversos territoris d'Espanya i cinc empreses. El finançament del projecte, impulsat per la Fundació Genoma España, pujava a una mica més de quatre milions d'euros: 25 vegades menys que el cost d'obtenir el genoma d'Arabidopsis dotze anys abans.
Si el setembre del 2001, seqüenciar un genoma s'estimava en una mica més de 95 milions de dòlars, el maig del 2022, aquest cost s'havia reduït a 525 dòlars
Reducció del cost de seqüenciar un genoma
Aquesta aparició constant i progressiva de resultats, genoma a genoma, contrasta amb la situació actual en què la tecnologia ha avançat tant i tan ràpidament que ara es pot obtenir en poc temps i simultàniament els genomes de diferents varietats. Un exemple: el 2021 es va publicar a Science els genomes de 26 línies de blat de moro, obtinguts simultàniament en només dos anys gràcies a la tercera generació de seqüenciació, coneguda com a “long-read sequencing”. Tot i això, els autors reconeixien el mèrit a treballs anteriors: tot això no hauria estat possible, deien, sense el primer genoma del B73, obtingut el 2009 (va aparèixer a Science i va ser un projecte de quatre anys amb una inversió de 31 milions de dòlars, una mica més de 22 milions d'euros).
L'Institut Nacional de Recerca del Genoma Humà (NHGRI) dels EUA fa molt de temps que controla els costos de la seqüenciació d'ADN realitzada en centres de seqüenciació finançats.
L'Institut Nacional de Recerca del Genoma Humà (NHGRI) dels EUA fa molt de temps que controla els costos de la seqüenciació d'ADN realitzada en centres de seqüenciació finançats. Les darreres dades publicades el 2022 mostraven una dràstica reducció dels costos (5). Segons les dades, si el setembre del 2001, seqüenciar un genoma s'estimava en una mica més de 95 milions de dòlars, el maig del 2022, aquest cost s'havia reduït a 525 dòlars. Els costos de seqüenciació dADN en plantes són molt similars.
Millores per a un escenari de canvi climàtic
Al CRAG actualment es treballa en el desenvolupament de plantes que requereixin menys pesticides, menys aigua, que siguin més productives i resilients davant del canvi climàtic, així com per evitar el malbaratament d'aliments a causa del seu reduït marge d'emmagatzematge.
Hi ha diverses línies de treball amb cultius de melca, un cereal més resistent a la sequera, que s'està començant a cultivar a Espanya. També es vol evitar que els fruits de diferents espècies es perdin a causa d'una maduració excessivament ràpida o la incidència de malalties. De fet, al CRAG treballa un dels millors equips a nivell internacional en investigació sobre el préssec, un fruit molt perible: encara que la collita sigui abundant, una gran part es malmet. Els investigadors busquen millorar la planta perquè el fruit es conservi millor.
Línies similars es desenvolupen per al meló i per al tomàquet, per tal que el fruit aguanti bé a la branca, sense necessitat de collir-ho tot d'una vegada. Una dada dóna idea de la situació actual: el 70% de la collita de tomàquet es dedica a la fabricació de salses; és la major part de la collita, que els agricultors estan obligats a recol·lectar perquè no es faci malbé a la mata. També s'hi treballa en genòmica animal, gràcies a la incorporació de grups de recerca de la UAB, i al cultiu d'algues com a font d'aliment o de molècules d'interès.
Un altre dels grans canvis ha estat l'aparició de l'edició genètica mitjançant CRISPR; la seva aplicació a la millora genètica requereix, però, que la Unió Europea modifiqui la normativa actual
Normativa relativa a CRISPR en el cas de les plantes
Un altre dels grans canvis al llarg dels darrers anys és l'aparició de l'edició genètica mitjançant CRISPR, que permet modificar o inactivar gens de manera específica. Aquest editor genètic, apunta Puigdomènech, és una metodologia diferent de la de les línies transgèniques (que va aparèixer el 1993), i que permet introduir de forma dirigida els canvis identificats en altres varietats.
Amb CRISPR es pot suprimir, tallar i enganxar seqüències genètiques al punt desitjat de forma precisa. Això obre la porta a activar, desactivar, o modificar gens del propi organisme (sense gens externs) o, si cal, introduir un gen extern de manera molt controlada. És un gran avantatge davant les tècniques transgèniques convencionals, que no permeten controlar de manera tan precisa el punt d'inserció del transgèn (la qual cosa obliga a una investigació prèvia exhaustiva per garantir que no s'interromp cap procés essencial de la planta).
Camp de cereals
La seva aplicació a la millora genètica requereix, però, que la Unió Europea modifiqui la normativa que s'aplica als organismes modificats genèticament (OMG) perquè les plantes editades amb CRISPR no siguin equiparades a les transgèniques. Des que van aparèixer els transgènics, Europa sempre ha intentat donar la màxima informació al ciutadà i ha establert un estricte control regulatori, com l'EFSA, als òrgans consultors dels quals sempre hi ha hagut algun membre del CRAG, apunta Puigdomènech. Fins ara, Europa només ha aprovat un cultiu transgènic (el del blat de moro BT, resistent a la plaga del trepant); si bé n'hi ha més en el cas d'aliments importats (no cultivats a Europa). L'aprovació d'un transgènic requereix una gran inversió en assajos, que només es poden permetre grans empreses del sector, i garanties per a la identificació i la detecció del transgènic.
En aquest sentit, apunta Puigdomènech, “hem desenvolupat tècniques que permeten detectar fàcilment si una planta o fruit és un transgènic, i així garantir que es compleix amb la normativa. Tot i això, és molt difícil fer aquesta identificació en el cas d'organismes editats amb CRISPR, ja que la planta o el fruit en molts casos no es diferencia de les varietats naturals que han patit modificacions (mutacions) de forma espontània”. A més, afegeix, són aliments que no suposen cap risc alimentari.
En aquest context, diversos milers d'investigadors de 120 institucions van signar el 2019 una carta oberta demanant una regulació diferent per a plantes editades amb CRISPR, perquè la producció agrícola a Europa no es quedi enrere davant d'altres continents.
Tal com deia la carta, investigadors de tot el món ja estan utilitzant el sistema CRISPR per modificar de manera selectiva espècies d'interès agronòmic d'una manera més ràpida, relativament senzilla i molt més dirigida que altres tècniques usuals de fitomillorament, com ara la mutagènesi aleatòria . Igual que amb les tècniques de millora convencionals, “la utilització de CRISPR té com a objectiu introduir mutacions que confereixin característiques avantatjoses a la planta, com ara la resistència a patògens vegetals oa la sequera, o la millora de les característiques organolèptiques dels fruits”.
"D'altra banda, les plantes resultants no poden distingir-se de cap manera d'una planta obtinguda per tècniques de millora convencionals -com la majoria de les que es troben avui al mercat-, i fins i tot algunes de les mutacions introduïdes podrien produir-se de forma natural sense intervenció humana, i per això la legislació actual, que obliga a presentar un mètode específic per detectar-les, serà difícilment aplicable", explicava José Luis Riechmann, investigador ICREA i llavors director del CRAG.
La comunitat científica vegetal, deia la sol·licitud, “alça la veu per subratllar que la resolució del Tribunal de Justícia de la Unió Europea –que equiparava els organismes editats amb CRISP als transgènics– no reflecteix l'estat actual dels avenços científics. A més, apuntava, posava en desavantatge a Europa, davant d'altres països que no consideren les plantes editades com a OMG, i pot frenar l'avenç cap a una agricultura més sostenible. Europa ha obert la porta a canviar la legislació, encara que aquests canvis, ara com ara, encara no s'han aprovat.
El CRAG, ubicat al campus de la UAB.
Investigació actual al CRAG
Actualment, el CRAG ofereix serveis científics a empreses a través de diferents plataformes científiques que estan a disposició de qualsevol institució o empresa. A més, transfereix coneixements a través de contractes de recerca i desenvolupament amb empreses del sector. El centre ha col·laborat amb més de 30 empreses del territori nacional, i ha establert aliances amb empreses de reconegut prestigi internacional.
Una aposta forta del CRAG és la protecció mitjançant dret de patent dels resultats que puguin tenir un impacte a la societat, consolidant el seu know-how i creant propostes de valor que millorin la competitivitat del sector.
Recentment, el CRAG ha llançat la seva primera empresa spin-off, PLANeT Biotech, fet que constitueix una fita quant a la transferència de resultats de recerca desenvolupats al centre. Això contribueix al desenvolupament industrial local i demostra el compliment del propòsit daplicació industrial dels actius protegits intel·lectualment. Al CRAG s'estudia el desenvolupament de les plantes i la transducció de senyals, així com en les respostes a l'estrès, en biologia sintètica i enginyeria metabòlica de plantes, i genòmica de plantes i animals.
Actualment, el CRAG ofereix serveis científics a empreses a través de diferents plataformes científiques que estan a disposició de qualsevol institució o empresa
Des de principis del 2022, el centre està dirigit per la investigadora Maria Lois. El seu equip de direcció aposta per una investigació d'excel·lència juntament amb el desenvolupament de mètodes d'edició gènica adequats per a les espècies cultivades a Espanya i Catalunya, per aconseguir una agricultura competitiva però també sostenible, que tingui un impacte ambiental menor i que no en requereixi una major superfície del planeta dedicada a cultius. Segons declaracions de la directora Maria Lois, "el CRAG és un centre de referència per aportar informació rigorosa sobre l´edició genètica en plantes que ajudi a la presa de decisions estratègiques basades en l´evidència científica".
Referències
(1) Salome Prat, Jordi Cortadas, Pere Puigdomenech and Jaume Palau. Nucleic acid (cDNA) and amino acid sequences of the maize endosperm protein glutelin-2 Nucleic Acids Research, Volume 13, Issue 5, 11 March 1985, Pages 1493–1504, https://doi.org/10.1093/nar/13.5.1493
(2)The Arabidopsis Genome Initiative, Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana, https://www.nature.com/articles/35048692 Nature, volume 408, pages 796–815 (2000)
(3) Gibberellins Signal Nuclear Import of PHOR1, a Photoperiod-Responsive Protein with Homology to Drosophila armadillo, Cell, Open Archive DOI:https://doi.org/10.1016/S0092-8674(01)00445-7
(4) Jordi Garcia-Mas et al. The genome of melon (Cucumis melo L.). PNAS. DOI:10.1073/pnas.1205415109
(5) DNA Sequencing Costs: Data. https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/DNA-Sequencing-Costs-Data
M.Fernández / Comunicació CSIC, Delegació a Catalunya