🆔 💶 🥙 Cómo la edición genómica cambiará la agricultura. Si permitimos ... 🈂️ 🚋 👩‍👩‍👦‍👦

A la luz de la prohibición recientemente adoptada de los OGM ( ayuno ), el tema de la ingeniería genética es ampliamente escuchado. Le ofrezco una traducción de un excelente artículo que describe la historia de la biotecnología en la agricultura y plantea la cuestión de la aplicabilidad del término OGM a los productos de las técnicas de nueva generación. Esto da esperanza para el uso de nuevos organismos sin el infierno de la burocracia y el pánico entre la población.

Tecnología

La edición del genoma es básicamente una idea simple: hacer un cambio significativo en un área específica del genoma del cuerpo, generalmente en un gen. Esta mutación (un cambio en la secuencia de ADN de un gen) conduce a un cambio en la proteína codificada por este gen, lo que resulta en una característica físicamente notable en el cuerpo. En los últimos 4 años, la edición genómica se ha vuelto famosa y famosa; Casi todos los medios de comunicación de Guardian a KP mencionaron esto, hubo varias conferencias TED , artículos en sitios técnicos y, quizás, aún más importantes en Buzzfeed .

En la comunidad científica, la edición genómica se ha convertido en un imán para las subvenciones, publicaciones y citas: la santísima trinidad de la ciencia moderna. La razón de este interés significativo radica en el reciente descubrimiento y mejora de la tecnología CRISPR / Cas9, una herramienta simple que ha hecho que la edición genómica esté disponible para la mayoría de los laboratorios biológicos de todo el mundo. Durante los 4 años desde su debut, CRISPR se ha utilizado para editar células humanas, cereales, insectos (como mariposas), levaduras y muchos otros.

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Los científicos de la Universidad de Cornell editaron recientemente el genoma de las mariposas del género Vanessa para buscar la base genética en la formación de "ojos" en las alas.

Antes de CRISPR, era prácticamente imposible crear una mutación solo en el gen objetivo y hacerlo con relativa facilidad. Es difícil para un lego explicar cómo se compara CRISPR avanzado con las técnicas de edición del genoma anteriores; Esto se puede comparar con el salto tecnológico de los antepasados de los motores al motor de combustión interna. Por supuesto, toda esta charla sobre mutaciones objetivo plantea la pregunta: "¿Por qué deberíamos hacer esto?"

Desde el momento en que se conoció el genoma humano, los biólogos lograron aprender mucho sobre la genética de las enfermedades. Por ejemplo, sabemos que la enfermedad de Huntington (un trastorno genético incurable) es causada por demasiadas bases CAG en la secuencia del gen HTT. O que la anemia falciforme es causada por una sola sustitución A-> T en el gen de la hemoglobina (una proteína que hace que la sangre se enrojezca y se una al oxígeno). Sin embargo, no se puede hacer nada especial con esto, a excepción del diagnóstico y la consulta genética. Imagine la frustración que deberían sentir los médicos al conocer la causa de la enfermedad y no poder hacer nada. Y con CRISPR, podemos comprender cómo editar adecuadamente estos genes y corregir las mutaciones que causaron la enfermedad.Y esto es solo una pequeña parte de las capacidades de edición, sin mencionar las enfermedades oncológicas y virales.

Como en el caso de cualquier nueva técnica de bioingeniería, CRISPR se trata en primer lugar de ser aplicado a la medicina. Pero, aunque estas capacidades se están desarrollando rápidamente en laboratorios de todo el mundo, aún están lejos de ser aplicaciones reales. Pero la industria, que se puede cambiar casi de inmediato CRISPR y la edición, en principio, es la tecnología agrícola.

Variabilidad natural

La historia de la edición genómica en la agricultura debería comenzar con una historia sobre la variabilidad genética natural y sus límites. La mayoría de las plantas tienen un porcentaje muy significativo del ADN total; Este hecho parece obvio si observa cuántas funciones fisiológicas básicas (desde la fotosíntesis hasta la reproducción) combinan diferentes especies de plantas (y, en términos generales, la mayoría de los seres vivos tienen mucho ADN común) Sin embargo, los mismos genes, incluso dentro de la misma especie, pueden diferir; Esta diferencia puede ser tan pequeña como el reemplazo de un nucleótido con otro, o tan grande como la pérdida de una parte completa del gen. Los genes se pueden representar como una o más copias en el genoma o estar ausentes por completo (lo que también es esencialmente una mutación, solo que más grande). Lo que estoy tratando de transmitir aquí es que aunque muchos genes son iguales dentro de las especies y entre especies, la mayoría de ellos todavía tienen pequeñas diferencias o mutaciones. Estas mutaciones son principalmente el resultado de la evolución, y estas diferentes versiones del mismo gen se llaman alelos . Esta variedad de alelos puede cambiar las funciones de los genes de varias maneras, desde desactivarlo por completo hasta cambiar lo que este gen hace realmente.

En este sentido, toda la historia de la agricultura es un intento de seleccionar los más adecuados y descartar alelos menos útiles para el trabajo de cría.

Por lo general, los agricultores y los mejoradores hacen esto dolorosamente y no de la manera más efectiva: estudian grandes poblaciones de plantas y las cruzan entre sí hasta que obtienen una planta que tiene la combinación correcta de alelos "útiles" de diferentes genes. Y, naturalmente, lo que es bueno para una población puede ser malo para otra, lo que hace que el acceso a la diversidad genética sea muy importante.

Mantener la diversidad

Almacenamiento mundial de semillas en aproximadamente. Svalbard, uno de los más grandes del mundo (Foto: Mari Tefre / Svalbard Globale frøhvelv) La

existencia de una amplia variedad y variación de alelos es fundamental para el proceso de cruce. De hecho, sin un gran conjunto de diferentes variantes del material genético, el cruzamiento no tendría ningún sentido (obtendríamos lo mismo aprox.) La buena noticia es que los agricultores y los científicos comprenden la importancia de la biodiversidad, y aproximadamente 13 millones de variedades de plantas (variedades y especies) de semillas se encuentran en aproximadamente 1300 instalaciones especiales de almacenamiento. Por todo eso, mantener la variabilidad no es lo mismo que usarlo. Los criadores a menudo usan parientes “silvestres” de plantas cultivadas y viejos resultados de cruzamiento como fuente de nuevos alelos, mientras que una gran cantidad de material en los almacenes de semillas permanece sin describir y sin usar.

Nueva iniciativa DivSeek(dirigido por científicos y expertos en biodiversidad de 65 organizaciones de todo el mundo) tiene como objetivo resolver este problema. DivSeek implica una descripción del genoma y el fenotipo (cómo se implementa este genotipo en una planta en particular) de las muestras presentadas en los repositorios y la presentación de los datos obtenidos en el dominio público. Este es un proyecto muy ambicioso, incluso elegir cuál de los millones de muestras para analizar ya es una pregunta difícil. Los subproductos de esta tarea pueden ser 1) reducir el costo de la secuenciación del ADN 2) tuberías automatizadas para el estudio de fenotipos con alto rendimiento y 3) la difusión e intercambio de información entre los agricultores. Esta reciente iniciativa está diseñada para durar mucho tiempo y ha comenzado a funcionar recientemente, pero su éxito podría significar una nueva era en el estudio de la diversidad de plantas cultivadas.

Creando diversidad

Cartel de propaganda del programa Eisenhower Atoms for Peace. Según los archivos nacionales, se

sabe poco que se obtuvo un número significativo de especies de plantas agrícolas modernas y populares como resultado de un programa de estudio de mutagénesis a principios y mediados del siglo XX; Esto es en parte un subproducto del desarrollo de la tecnología nuclear y del programa del gobierno de los Estados Unidos Atoms for Peace .

La mutagénesis clásica para crear variabilidad en las plantas es crear mutaciones en las semillas, ya sea por rayos X / radiación gamma o mediante el uso de mutágenos químicos. Estos mutágenos causan daños al ADN de la planta y la restauración de estos daños conduce a la creación de nuevos alelos mutantes. Los alelos obtenidos pueden ser únicos y en realidad ya existentes en plantas naturales (por ejemplo, no en aquellas donde se realiza la mutagénesis). La mutación que utiliza esta tecnología es inexacta, se producen varios millones de eventos mutacionales en el genoma, mientras que solo unos pocosparte de ellos es necesaria para cruzar. Por lo tanto, los productos primarios de la mutagénesis deben someterse a una selección y una serie de cruces para seleccionar alelos potencialmente útiles e introducirlos en un tipo existente de planta cultivada; Este proceso es largo y puede llevar décadas. Por lo tanto, la selección de la mutación es costosa y lleva mucho tiempo, pero al mismo tiempo crea alelos adicionales y, en consecuencia, diversidad. Algunos de estos productos de esta selección mutacional todavía se usan ampliamente, por ejemplo, el trigo enano, famoso por la Revolución Verde, el arroz enano en California, el coco resistente a virus en Ghana y los cereales que mejor pasan la malta en Europa.

La edición genómica es otra forma de mutagénesis. Una diferencia importante aquí es que los métodos antiguos se basan en eventos aleatorios, mientras que la edición genómica es precisa y enfocada, lo que conduce a una fuerte reducción en el tiempo dedicado a la mutación para plantar plantas experimentales.

Nueva agricultura

El fitomejoramiento se describe incluso en los libros de texto como "arte y ciencia" . En gran parte porque depende de las habilidades de un especialista en selección para seleccionar varias propiedades de la planta: el llamado ojo de obtentor. El cruce tradicional también requiere una gran cantidad de tiempo y recursos, ya que utiliza enfoques exhaustivos para buscar nuevas propiedades de las plantas y crear diversidad de especies.

En muchos aspectos, todo sucede solo porque tenemos lagunas en la biología de ciertas propiedades, estas lagunas serán cubiertas por las próximas generaciones de biólogos, pero a pesar de la falta de tal conocimiento en el pasado, esto no impidió que los obtentores hicieran un trabajo increíble para crear una variedad de plantas y aumentar los rendimientos.

La historia del fitomejoramiento es un desarrollo desde la "caja negra" hasta una comprensión más completa de lo que hace la planta y la mejor manera de usar sus propiedades únicas. Nuestros antepasados se dieron cuenta de que plantar semillas de plantas que tenían más frutas o menos enfermedades les daba un mayor rendimiento en la próxima temporada, pero permanecieron ciegos en materia de biología de la reproducción. Mucho más tarde, en el siglo XVII, entendimos más sobre cómo se reproducen las plantas y comenzamos a realizar cruces artificiales. ¡Poco después, Darwin y Mendel vinieron y nos dieron ideas de selección natural y las leyes de la genética y todo esto durante 50 años! Y ahora, con la reciente proliferación de la tecnología ómica, podemos leer el ADN de las plantas, estudiar cómo todosel gen responde a varias condiciones ambientales y predice cuán eficientemente una planta puede producir químicos para los cuales los comemos. Este conocimiento se vuelve aún más útil en el caso de la edición genómica.

Tan pronto como el obtentor o el científico haya encontrado un alelo útil, con la ayuda de la edición genómica podrán transferirlo a otra variedad o incluso a una especie de plantas casi de inmediato sin la necesidad de una serie de generaciones.

En el futuro, la edición genómica puede cambiar el proceso de obtención de nuevas propiedades (alelos) como tales. La edición genómica basada en CRISPR se puede usar para editar simultáneamente cada gen en el genoma de una planta (o cada gen de un tipo en particular, por ejemplo, genes R que son responsables de la resistencia a enfermedades) creando así una gran cantidad de información y potencialmente revelando alelos útiles que pueden insertarse nuevamente en variedades vegetales ya utilizadas. El pináculo real de la edición del genoma usando CRISPR es la capacidad de crear diferentes alelos, separados de la reproducción sexual.

Creo que la edición genómica puede proporcionar un modelo plug-and-play para el fitomejoramiento.

Según mis estimaciones, la tubería de selección del futuro será similar a los transportadores modernos. Utilizando datos de 1,000 artículos e iniciativas científicas como DivSeek, los investigadores probarán varias combinaciones de alelos en variedades de plantas modelo editando directamente su genoma, posiblemente con la ayuda de expertos en análisis predictivo y modelos matemáticos. Después de seleccionar alelos basados en estos resultados, los científicos podrán usar estos cambios en una gran cantidad de variedades de plantas no modelo, realizar pruebas de campo y comenzar la producción de semillas de nuevas variedades. Aunque hay muchos factores que influyen en el proceso, el mayor efecto en la agricultura se logrará al reducir el número de generaciones requeridas para probar una nueva variedad. En otras palabras, una creación de producto más rápida.

Los estudiantes que estudian la inmunidad de las plantas están familiarizados con el modelo en zigzag de la coevolución de plantas y plagas. Este modelo describe la carrera armamentista entre una planta y los patógenos que la atacan, y muchos de ellos adquieren cambios evolutivos más rápido que una planta. La tarea de la agricultura moderna es similar a esta. La industria necesita alimentar a una población cada vez mayor de personas, para hacer frente al impacto del cambio climático (un número creciente de fenómenos naturales extremos a corto plazo y el cambio climático global en las perspectivas más lejanas) además de hacer frente a las plagas que cambian rápidamente y todo esto con un requisito para la estabilidad del sistema resultante.

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¿Cuándo habrá una sociedad de prosperidad?

La agricultura, por supuesto, ha encontrado problemas similares en el pasado, por ejemplo, la Revolución Verde, que refutó las predicciones de Paul Erlich , es especialmente conocida . Esta revolución solo fue posible porque fue dirigida por el ganador del Premio Nobel de la Paz, Norman Borlaug , quien introdujo nuevas variedades de plantas y herramientas de mecanización para los agricultores.

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Ahora nos hemos enfrentado a los mismos obstáculos, pero con obstáculos aún más grandes, y permanecer en su lugar significa retroceder.

Mucho de lo que se discutió fue discutido anteriormente, en el momento del advenimiento de las nuevas tecnologías agrícolas: desde la hibridación de cereales y la ingeniería genética hasta la selección usando marcadores. Algunas de estas tecnologías han sido adoptadas; pero la ingeniería genética sigue siendo monopolizada por varias grandes empresas, rechazada por muchas naciones y considerada solo en un futuro lejano. ¿Qué destino le espera a la edición genómica?

Espera, ¿es este OGM?

Esta pregunta se me hace constantemente cuando hablo de edición genómica, y desde el punto de vista de la regulación estatal, esta es la pregunta que determina por completo el destino de esta tecnología en la agricultura (no quiero entrar en el debate sobre la regulación de los OMG en este artículo, y supongo que la situación aún no ha cambiado en el futuro cercano, especialmente en Europa).

Respondiendo a la pregunta original: No lo creo, por la sencilla razón de que no puedes distinguir la diferencia entre la planta editada y la versión natural que se encuentra en la naturaleza. El resultado de la edición genómica generalmente no contiene ningún transgen (los genes que se toman de otro organismo no aparecen en la naturaleza en el modificado) y, con toda probabilidad, yno habrá rastros de la aplicación del método por el cual el tipo de ediciónplantas Esto plantea un problema sorprendente para los reguladores y grupos públicos que deseen considerar la edición como una forma de crear OGM (es decir, aplicarle las mismas leyes). ¿Cómo puede regular esta área si no sabe a qué plantas (¿es natural o creada?) A la que pertenece la ley y a cuál no? Por supuesto, puede verificar las compañías de cría y los laboratorios o tratar de hacer que el proceso de obtención de reactivos básicos sea muy difícil (un trabajo difícil), pero ¿necesita esto la sociedad para monitorear las empresas privadas y los científicos que no están relacionados con los negocios? Organizaciones como Greenpeace o Friends of the Earth, como la "industria orgánica", quieren regular los productos de edición genómica, pero no he visto una sola sugerencia inteligible sobre cómo podría organizarse esto.

Y ahora en un nivel más fundamental, ¿en qué se diferencia exactamente la edición genómica de la mutagénesis aleatoria? La edición se lleva a cabo utilizando agentes bioquímicos (ARN y proteínas), que actúan con mayor precisión que los agentes mutágenos UV o químicos; Lo principal es que el producto final es el mismo : una planta con un nuevo alelo. Ahora, es posible que desee considerar la mutagénesis aleatoria como un proceso de modificación genética. Y tendrá toda la razón, ya que hay una modificación del material genéticoplantas Pero es importante entender que los países hacen excepciones para la mutagénesis aleatoria por dos razones: a) esta es la parte de la agricultura moderna que no se puede evitar en absoluto (incluida la agricultura orgánica) yb) tampoco se puede distinguir el resultado de la variación natural. Por lo tanto, no estamos discutiendo sobre nada , tratando de clasificar el resultado de una tecnología como OGM, y la segunda como no OGM. Para los científicos, es obvio que la división en OMG / no OMG no existe en la naturaleza.

Volviendo a nuestra pregunta:
"¿Es OGM?" - técnicamente, sí (como muchas plantas cultivadas por agricultores "orgánicos" en todo el mundo).
"¿Es importante?" No

¿Quién será el dueño de estas plantas?

Otra pregunta común que me hacen cuando describo mi proyecto actual para crear una planta transgénica es "¿Será patentada?". Muchas críticas apuntan a proteger la propiedad intelectual (variedades de plantas) como Greenpeace: "Los organismos vivos existentes: plantas y animales, como sus genes, no son invención de nadie y, por lo tanto, nunca deben patentarse ni controlarse de forma privada". Esta declaración implica implícitamente que esas culturas que estamos utilizando actualmente son "desarrollos de nadie". En respuesta a esto, espero haber mostrado claramente cuánto depende la agricultura de las habilidades y el ingenio de los agricultores, criadores y, sí, las empresas biotecnológicas modernas. En la imagen del maíz, puede ver cómo el ingenio humano creó un sistema que puede alimentar a más personas todos los días.

Theosinte se muestra a la izquierda: el precursor genético del maíz, y a la derecha se encuentra el maíz domesticado habitual. (c) John Dobley

El derecho a la propiedad intelectual es extremadamente importante en el desarrollo de tecnologías modernas y las circunstancias legales jugarán un papel importante en la aplicación de la edición genómica en la agricultura.

Breve descripción de los sistemas de seguridad IP en los EE. UU. Y Europa

El inventor de una nueva variedad vegetal generalmente tiene dos opciones de protección: la protección de la variedad vegetal (PVP) o una patente (generalmente una patente de EE. UU.). Las patentes implican un gran grado de novedad científica y son utilizadas principalmente por corporaciones biotecnológicas para proteger el material de semilla con una patente para una secuencia de ADN o para una propiedad que se ha agregado a una planta. PVP es utilizado por los criadores utilizando métodos tradicionales; Hay criterios menos estrictos para la novedad, pero también un poco menos de grado de protección. Por ejemplo, una patente no permite a los agricultores utilizar semillas para la siembra, o los mejoradores para crear nuevas variedades basadas en la patentada, mientras que PVP sí. En los Estados Unidos, a diferencia de muchos países, se permiten patentes para variedades genéticas, así como métodos para crear plantas,ya que satisfacen el criterio de novedad y no evidencia.

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Definitivamente hay una demanda de patentes! Solicitudes: línea azul; patentes recibidas: rojo. Según NoPatentsOnSeeds,

en Europa, los mejoradores generalmente reciben PVP, ya que allí no emiten patentes para el "proceso de selección esencialmente biológica". Sin embargo, la situación no es tan simple (ver el gráfico) y la reciente decisión de la Oficina Europea de Patentes (EPO) introduce la diferencia entre el proceso de obtención de nuevas variedades (no pueden ser patentadas) y los resultados (pero parecen ser lo mejor posible). Por ejemplo, la OEP emitió una patente al Ministerio de Agricultura de Israel para un tomate tolerante a la sequía obtenido mediante métodos de mejoramiento tradicionales. Vale la pena esperar la decisión de la Comisión Europea, que prometió lidiar con esta situación, en este momento están trabajando en una interpretación legalmente vinculante, que puede prohibir las patentes de variedades derivadas.

En la actualidad, los resultados de la ingeniería genética en Europa pueden patentarse, pero el resultado de la selección tradicional no. Esta situación es un tanto desconcertante, porque si los reguladores consideran que la edición genómica no es una técnica de OGM, ¿será posible patentar o limitarse a PVP? Por un lado, si esto se considera una modificación genética (por lo tanto, patentada), ¿cómo demostrará el solicitante que su cuerpo es único (es decir, no hay un alelo en la naturaleza que coincida con el organismo reclamado)?

Otro punto es cómo las patentes afectan la prevalencia de ciertas tecnologías. Las patentes otorgan al inventor el monopolio durante cierto tiempo (20 años en los EE. UU.). Esto no limita el uso de ADN genéticamente modificado en otras variedades de plantas por parte de otros obtentores, a menos que otro obtentor compre una licencia para hacerlo. Pero si las plantas "editadas" son adecuadas para los requisitos de PVP, entonces los alelos de estas plantas pueden (y muy probablemente serán) ampliamente utilizados por otros criadores y agricultores. Por lo tanto, la pregunta de si la industria requerirá inversiones iniciales para lanzar proyectos con un genoma editado sigue siendo válida.

¿De dónde vendrá el dinero?

Casi todas las empresas de agrobiotecnología invierten en la edición de al menos algunas plantas. Por ejemplo, una pequeña empresa estadounidense, Cibus , ya planea lanzar este año una violación resistente a los herbicidas. Aunque esta planta en particular se desarrolló utilizando otra tecnología más antigua, podemos decir con confianza que los nuevos desarrollos se basarán en la tecnología CRISPR. Por el momento, las patentes para CRISPR son del Broad Institute MIT y del Harvard Institute, DuPont y varias otras organizaciones. Según tengo entendido, DuPont y Caribou Biosciences (spin-offs de Berkeley) tienen las posiciones más fuertes en agrobiotecnología . Pero, por otro lado, la tecnología se está desarrollando rápidamente.y nuevos métodos provienen de otras universidades y empresas.

El punto clave aquí es que si la protección por patente se aplica solo al método de obtención del producto, pero no al producto en sí, ¿están las empresas listas para invertir en la edición? En los Estados Unidos, donde los productos pueden patentarse, la situación es diferente, pero, por ejemplo, Monsanto recibe ~ 40% de los ingresos que no están en los Estados Unidos, por lo que este sigue siendo un problema urgente incluso para Estados Unidos. Para las compañías fuera de los Estados Unidos, todo esto es aún más importante. Es posible que se requiera una protección de la propiedad intelectual más reflexiva para alentar la innovación en este entorno.

Primeros pasos

Algunos puntos en el artículo son algo especulativos, pero sorprendentemente la mayoría de ellos no lo son. La edición del genoma utilizando CRISPR se llevó a cabo en una amplia variedad de plantas: arroz y trigo , tomates y lechuga . Las plantas editadas se están acercando a la entrada en el mercado: tanto Cibus como DuPont ya están probando en el campo.

Con todo esto, los especialistas en plantas aún necesitan desarrollar más herramientas que permitan el desarrollo del modelo "plug and play", que se describió anteriormente. El primer paso en la edición genómica es la transformación genética sostenible.y la regeneración de células vegetales "desvestidas" (protoplastos) y, en mi opinión, insuficientes proyectos científicos están trabajando en esta tarea básica de cultivar tejidos vegetales de varias especies. También necesitamos mejorar los sistemas para predecir los resultados de las intervenciones genéticas en un gen particular o región genómica; quizás los modelos de genoma completo podrían ayudar. Necesitamos sistemas de fenotipado más potentes, como los sistemas unicelulares para evaluar las respuestas inmunitarias. En esto debemos tomar un ejemplo de la comunidad biomédica, donde, por ejemplo, los sistemas microfluídicos para el cultivo de cultivos celulares, ¿pero para las plantas? El costo de secuenciar el genoma humano se ha reducido a $ 1,000 por genoma y aún se reduce a $ 100 / genoma. Se necesita un progreso similar para las plantas, tal vez incluso más, ya que sus genomas son más complejos que en los humanos.

Está absolutamente claro que el uso generalizado de la edición genómica en la agricultura depende de cómo se regule esta tecnología. Como partidario de esta idea, creo que Estados Unidos está en el camino correcto con sus sistemas de regulación y protección de la propiedad intelectual. Los debates en la Comisión Europea también son muy importantes en vista del importante papel de la UE en la FAO y la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual, incluso si Europa no produce tanta comida.

Dado el crecimiento de la población y la dinámica del cambio climático, está claro que las tecnologías actuales no alimentarán al mundo. El golpe más severo vendrá de los países más pobres del sur cuyas economías no pueden subsidiar la agricultura como en los países desarrollados. Es posible que para crear una agricultura más sostenible valga la pena estar más abierto a las nuevas tecnologías y no concentrarse en las menos eficientes . Lo más probable es que no funcione para reducir la cantidad de alimentos consumidos, pero puede aumentar la eficiencia con la que los producimos.

Cómo la edición genómica cambiará la agricultura. Si permitimos ...