🤾🏾 🆗 🍏 Como a edição genômica mudará a agricultura. Se permitirmos ... ✌🏻 👨🏻‍🏭 🐪

À luz da proibição recentemente adotada de OGM ( jejum ), o tópico da engenharia genética é amplamente ouvido. Ofereço uma tradução de um excelente artigo que descreve a história da biotecnologia na agricultura e levanta a questão da aplicabilidade do termo OGM aos produtos de novas técnicas de geração. Isso dá esperança para o uso de novos organismos sem o inferno de burocracia e pânico entre a população.

Tecnologia

A edição do genoma é basicamente uma ideia simples - faça uma alteração significativa em uma área específica do genoma do corpo, geralmente em um gene. Essa mutação (uma alteração na sequência de DNA de um gene) leva a uma alteração na proteína codificada por esse gene, o que resulta em uma característica fisicamente perceptível no corpo. Nos últimos 4 anos, a edição genômica tornou-se famosa e famosa; quase toda a mídia do Guardian ao KP mencionou isso, houve várias palestras do TED , artigos em sites técnicos e, talvez, ainda mais importantes no Buzzfeed .

Na comunidade científica, a edição genômica tornou-se um ímã para doações, publicações e citações - a santa trindade da ciência moderna. A razão desse interesse significativo está na recente descoberta e aprimoramento da tecnologia CRISPR / Cas9, uma ferramenta simples que disponibilizou a edição genômica para a maioria dos laboratórios biológicos do mundo. Nos quatro anos desde sua estréia, o CRISPR foi usado para editar células humanas, cereais, insetos (como borboletas), leveduras e muitos outros.

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Cientistas da Universidade de Cornell recentemente editaram o genoma de borboletas do gênero Vanessa para procurar a base genética na formação de “olhos” nas asas.

Antes do CRISPR, era virtualmente impossível criar uma mutação apenas no gene alvo e fazê-lo com relativa facilidade. É difícil para um leigo explicar como o CRISPR avançado é comparado às técnicas anteriores de edição de genoma; isso pode ser comparado com o salto tecnológico dos ancestrais dos motores para o motor de combustão interna. Obviamente, toda essa conversa sobre mutações alvo levanta a questão: "Por que deveríamos fazer isso?"

Desde o momento em que o genoma humano se tornou conhecido, os biólogos conseguiram aprender muito sobre a genética das doenças. Por exemplo, sabemos que a doença de Huntington (um distúrbio genético incurável) é causada por muitas bases CAG na sequência do gene HTT. Ou que a anemia falciforme é causada por uma única substituição de A-> T no gene da hemoglobina (uma proteína que torna o sangue vermelho e liga o oxigênio). No entanto, nada de especial pode ser feito com isso, com exceção do diagnóstico e da consulta genética. Imagine a frustração que os médicos devem sentir, sabendo a causa da doença e não sendo capaz de fazer nada. E com o CRISPR, podemos entender como editar adequadamente esses genes e corrigir as mutações que causaram a doença.E isso é apenas uma pequena parte dos recursos de edição - sem mencionar doenças oncológicas e virais.

Como no caso de novas técnicas de bioengenharia, o CRISPR é antes de tudo tentado ser aplicado à medicina. Mas, embora esses recursos estejam sendo desenvolvidos rapidamente em laboratórios ao redor do mundo, eles ainda estão longe de serem reais. Mas a indústria, que pode ser alterada quase imediatamente no CRISPR e edição, em princípio, é tecnologia agrícola.

Variabilidade natural

A história da edição genômica na agricultura deve começar com uma história sobre a variabilidade genética natural e seus limites. A maioria das plantas possui uma porcentagem muito significativa do DNA total; Esse fato parece óbvio se você observar quantas funções fisiológicas básicas (da fotossíntese à reprodução) combinam diferentes espécies de plantas (e de um modo geral, a maioria dos seres vivos tem muito DNA comum) No entanto, os mesmos genes, mesmo dentro da mesma espécie, podem diferir; essa diferença pode ser tão pequena quanto a substituição de um nucleotídeo por outro ou tão grande quanto a perda de um pedaço inteiro do gene. Os genes podem ser representados como uma ou mais cópias no genoma ou estar ausentes por completo (o que também é essencialmente uma mutação, apenas maior). O que estou tentando transmitir aqui é que, embora muitos genes sejam os mesmos dentro das espécies e entre as espécies, a maioria deles ainda tem pequenas diferenças ou mutações. Essas mutações são principalmente o resultado da evolução, e essas diferentes versões do mesmo gene são chamadas alelos . Essa variedade de alelos pode alterar as funções dos genes de várias maneiras - desde desligá-lo completamente até alterar o que esse gene realmente faz.

Nesse sentido, toda a história da agricultura é uma tentativa de selecionar os mais adequados e descartar alelos menos úteis para o trabalho de criação.

Geralmente, agricultores e criadores fazem isso dolorosamente e não da maneira mais eficiente - estudam grandes populações de plantas e as cruzam entre si até obterem uma planta que possua a combinação certa de alelos "úteis" de diferentes genes. E, naturalmente, o que é bom para uma população pode ser ruim para outra, o que torna o acesso à diversidade genética muito importante.

Mantenha a diversidade

Armazenamento mundial de sementes em cerca de. Svalbard, um dos maiores do mundo (Foto: Mari Tefre / Svalbard Globale frøhvelv) A

existência de uma grande variedade e variação de alelos é fundamental para o processo de cruzamento. De fato, sem um grande conjunto de variantes diferentes do material genético, o cruzamento não faria sentido (teríamos o mesmo aprox.) A boa notícia é que agricultores e cientistas entendem a importância da biodiversidade e cerca de 13 milhões de variedades de plantas (variedades e espécies) de sementes estão localizadas em aproximadamente 1300 instalações especiais de armazenamento. Por tudo isso, manter a variabilidade não é o mesmo que usá-la. Os criadores costumam usar parentes “selvagens” de plantas cultivadas e cruzamentos antigos como fonte de novos alelos, enquanto uma grande quantidade de material no armazenamento de sementes permanece sem descrição e sem uso.

Nova iniciativa DivSeek(liderada por cientistas e especialistas em biodiversidade de 65 organizações em todo o mundo) visa resolver esse problema. O DivSeek envolve uma descrição do genoma e fenótipo (como esse genótipo é implementado em uma planta específica) das amostras apresentadas nos repositórios e a apresentação dos dados obtidos em domínio público. Este é um projeto muito ambicioso, até escolher qual dos milhões de amostras para testar já é uma pergunta difícil. Os subprodutos desta tarefa podem ser: 1) diminuir o custo do sequenciamento de DNA; 2) pipelines automatizados para o estudo de fenótipos com alto rendimento; e 3) disseminar e trocar informações entre os agricultores. Essa iniciativa recente foi projetada para durar muito tempo e começou a funcionar recentemente, mas seu sucesso pode significar uma nova era no estudo da diversidade de plantas cultivadas.

Criando diversidade

Cartaz de propaganda do programa Eisenhower Atoms for Peace. De acordo com os arquivos nacionais,

pouco se sabe que um número significativo de espécies de plantas agrícolas populares modernas foi obtido como resultado de um programa de estudos sobre mutagênese no início e meados do século XX; isso é parcialmente um subproduto do desenvolvimento da tecnologia nuclear e do programa do governo americano Atoms for Peace .

A mutagênese clássica para criar variabilidade nas plantas é criar mutações nas sementes, quer por radiação de raios X / gama ou usando mutagênicos químicos. Esses mutagênicos causam danos ao DNA da planta e a restauração desses danos leva à criação de novos alelos mutantes. Os alelos obtidos podem ser únicos e já existentes em plantas naturais (por exemplo, não naquelas em que a mutagênese é realizada). Mutação de usar tal tecnologia não é correto, se ocorrer vários milhões de eventos de mutação no genoma, a apenas algunsparte deles é necessária para a travessia. Portanto, os produtos primários da mutagênese devem sofrer seleção e uma série de cruzamentos para selecionar alelos potencialmente úteis e introduzi-los em um tipo existente de planta cultivada; Esse processo é demorado e pode levar décadas. Portanto, a seleção de mutações é cara e leva muito tempo, mas ao mesmo tempo cria alelos adicionais e, consequentemente, diversidade. Alguns desses produtos dessa seleção mutacional ainda são amplamente utilizados, como trigo anão, famoso pela Revolução Verde, arroz anão na Califórnia, coco resistente a vírus em Gana e cereais que melhor passam pelo malte na Europa.

A edição genômica é outra forma de mutagênese. Uma diferença importante aqui é que os métodos antigos dependem de eventos aleatórios, enquanto a edição genômica é precisa e focada, o que leva a uma redução acentuada no tempo gasto desde a mutação até o plantio de plantas experimentais.

Nova agricultura

Atualmente, o melhoramento de plantas é descrito nos livros didáticos como "arte e ciência" . Principalmente porque depende das habilidades de um especialista em seleção para selecionar várias propriedades das plantas - o chamado olho de criador. O cruzamento tradicional também requer uma quantidade enorme de tempo e recursos, pois utiliza abordagens exaustivas para procurar novas propriedades de plantas e criar diversidade de espécies.

Em muitos aspectos, tudo acontece apenas porque temos lacunas na biologia de certas propriedades, essas lacunas serão preenchidas pelas próximas gerações de biólogos, mas , apesar da falta de conhecimento no passado, isso não impediu os criadores de fazer um trabalho incrível para criar uma variedade de plantas e aumentar o rendimento.

A história do melhoramento de plantas é um desenvolvimento da "caixa preta" para uma compreensão mais completa do que a planta faz e da melhor maneira de usar suas propriedades exclusivas. Nossos ancestrais perceberam que o plantio de sementes de plantas com mais frutos ou menos doenças lhes dava um rendimento maior na próxima temporada, mas permaneciam cegas em questões de biologia da reprodução. Muito mais tarde, no século XVII, entendemos mais sobre como as plantas se reproduzem e começamos a realizar cruzamentos artificiais. Logo depois, Darwin e Mendel vieram e nos deram idéias de seleção natural e as leis da genética e tudo isso por 50 anos! E agora, com a recente proliferação da tecnologia de -omics, podemos ler o DNA das plantas, estudar como todoso gene responde a várias condições ambientais e prevê a eficiência com que uma planta pode produzir produtos químicos para os quais os comemos. Esse conhecimento se torna ainda mais útil no caso da edição genômica.

Assim que o criador ou cientista encontrar um alelo útil, com a ajuda da edição genômica, ele poderá transferi-lo para outra variedade ou mesmo uma espécie de planta praticamente imediatamente, sem a necessidade de uma série de gerações.

No futuro, a edição genômica poderá alterar o processo de obtenção de novas propriedades (alelos) como tal. A edição genômica baseada em CRISPR pode ser usada para editar simultaneamente cada gene no genoma de uma planta (ou cada gene de um tipo específico - por exemplo, genes R que são responsáveis pela resistência a doenças), criando uma riqueza de informações e potencialmente revelando alelos úteis que podem ser inseridos novamente variedades de plantas já utilizadas. O verdadeiro pináculo da edição de genoma usando o CRISPR é a capacidade de criar alelos diferentes, separados da reprodução sexual.

A edição genômica pode, penso, fornecer um modelo plug-and-play para o melhoramento de plantas.

De acordo com minhas estimativas, o pipeline de seleção do futuro será semelhante aos transportadores modernos. Usando dados de 1.000 artigos científicos e iniciativas como o DivSeek, os pesquisadores testarão várias combinações de alelos em variedades modelo de plantas, editando diretamente seu genoma, possivelmente com a ajuda de especialistas em análise preditiva e modelagem matemática. Depois de selecionar alelos com base nesses resultados, os cientistas poderão usar essas alterações em um grande número de variedades vegetais não modelo, realizar testes de campo e iniciar a produção de sementes de novas variedades. Embora haja muitos fatores influenciando o processo, o maior efeito na agricultura será alcançado reduzindo o número de gerações necessárias para testar uma nova variedade. Em outras palavras, criação mais rápida de produtos.

Os alunos que estudam imunidade a plantas estão familiarizados com o modelo em zigue-zague de co-evolução de plantas e pragas. Este modelo descreve a corrida armamentista entre uma planta e os patógenos que a atacam, e muitos deles adquirem mudanças evolutivas mais rapidamente do que uma planta. A tarefa da agricultura moderna é semelhante a isso. A indústria precisa alimentar uma população crescente de pessoas, para lidar com o impacto das mudanças climáticas (um número crescente de fenômenos naturais extremos no curto prazo e as mudanças climáticas globais nas perspectivas mais distantes), além de lidar com as pragas que mudam rapidamente e tudo isso com um requisito para a estabilidade do sistema resultante.

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Quando haverá uma sociedade de prosperidade?

A agricultura, é claro, encontrou problemas semelhantes no passado, por exemplo, a Revolução Verde, que refutou as previsões de Paul Erlich , é especialmente amplamente conhecida . Essa revolução só foi possível porque foi liderada pelo vencedor do Prêmio Nobel da Paz Norman Borlaug , que introduziu novas variedades de plantas e ferramentas de mecanização para os agricultores.

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Agora, enfrentamos os mesmos obstáculos, mas com os ainda maiores, e permanecer no lugar significa recuar.

Muito do que foi discutido foi discutido anteriormente, no momento do advento de novas tecnologias agrícolas: da hibridação de cereais e engenharia genética à seleção usando marcadores. Algumas dessas tecnologias foram adotadas; mas a engenharia genética permanece monopolizada por várias grandes empresas, rejeitada por muitas nações e considerada apenas em um futuro distante. Que destino aguarda a edição genômica?

Espere, é este OGM?

Esta pergunta é constantemente feita a mim quando falo sobre edição genômica e, do ponto de vista da regulamentação estatal, esta é a questão que determina completamente o destino dessa tecnologia na agricultura (não quero entrar no debate sobre a regulamentação de OGMs neste artigo, e presumo que a situação ainda não mudou em um futuro próximo, especialmente na Europa).

Respondendo à pergunta original: Acho que não, pela simples razão de que você não pode dizer a diferença entre a planta editada e a versão natural encontrada na natureza. O resultado da edição genômica geralmente não contém transgênicos (os genes que são retirados de outro organismo não ocorrem na natureza no modificado) e, com toda a probabilidade, enão haverá vestígios da aplicação do método pelo qual o tipo de edição editadaplantas. Isso representa um problema incrível para os reguladores e grupos públicos que desejam considerar a edição como uma forma de criar OGM (isto é, aplicar as mesmas leis a ele). Como você pode regular essa área se não sabe a quais plantas (é natural ou criada?) A lei pertence e quais não? Certamente, você pode verificar as empresas e laboratórios de criação ou tentar dificultar muito o processo de obtenção de reagentes básicos (um trabalho difícil), mas isso exige que a sociedade monitore empresas privadas e cientistas que não estão relacionados aos negócios? Organizações como o Greenpeace ou Friends of the Earth, como a “indústria orgânica”, querem regular os produtos de edição genômica, mas não vi nenhuma sugestão inteligível sobre como isso poderia ser organizado.

E agora, em um nível mais fundamental, como exatamente a edição genômica difere da mutagênese aleatória? A edição é realizada com agentes bioquímicos (RNA e proteínas), que agem com mais precisão do que os mutagênicos UV ou químicos; o principal é que o produto final seja o mesmo - uma planta com um novo alelo. Agora, você pode considerar a mutagênese aleatória um processo de modificação genética. E você estará absolutamente certo, pois há uma modificação do material genéticoplantas. Mas, é importante entender que os países abrem exceções para a mutagênese aleatória por dois motivos: a) essa é a parte da agricultura moderna que não pode ser evitada (inclusive a agricultura orgânica) eb) o resultado também não pode ser diferenciado da variação natural. Portanto, estamos discutindo sobre nada , tentando classificar o resultado de uma tecnologia como OGM e a segunda como não OGM. Para os cientistas, é óbvio que a divisão em OGM / não OGM não existe na natureza.

De volta à nossa pergunta:
"É OGM?" - tecnicamente, sim (como muitas plantas cultivadas por agricultores "orgânicos" em todo o mundo).
"Isso é importante?" Não.

Quem será o proprietário dessas plantas?

Outra pergunta comum que me perguntam quando descrevo meu projeto atual para criar uma planta transgênica é "Será patenteada?". Muitas críticas são destinadas a proteger a propriedade intelectual (variedades vegetais), como o Greenpeace: “Organismos vivos existentes - plantas e animais, como seus genes, não são invenção de ninguém e, portanto, nunca devem ser patenteados ou controlados em particular”. Esta declaração implica implicitamente que essas culturas que estamos usando atualmente são "desenvolvimentos de ninguém". Em resposta a isso, espero ter mostrado claramente o quanto a agricultura depende das habilidades e engenhosidade dos agricultores, criadores e, sim, das modernas empresas de biotecnologia. Na imagem do milho, você pode ver como a engenhosidade humana criou um sistema que pode alimentar mais pessoas todos os dias.

Theosinte é mostrado à esquerda - o precursor genético do milho, e à direita é o milho domesticado usual. c) John Dobley

O direito à propriedade intelectual é extremamente importante no desenvolvimento de tecnologias modernas e as circunstâncias legais desempenharão um papel significativo na aplicação da edição genômica na agricultura.

Breve descrição dos sistemas de segurança IP nos EUA e na Europa

O inventor de uma nova variedade de plantas geralmente tem duas opções para proteção - proteção de variedades de plantas (PVP) ou uma patente (geralmente uma patente dos EUA). As patentes implicam um grande grau de novidade científica e são usadas principalmente por empresas de biotecnologia para proteger o material das sementes com uma patente para uma sequência de DNA ou para uma propriedade que foi adicionada a uma planta. O PVP é usado pelos criadores usando métodos tradicionais; existem critérios menos rigorosos para a novidade, mas também um pouco menos grau de proteção. Por exemplo, uma patente não permite que os agricultores usem sementes para semear novamente ou que os criadores criem novas variedades baseadas na patenteada, enquanto o PVP o faz. Nos Estados Unidos, ao contrário de muitos países, são permitidas patentes para variedades de reprodução, bem como métodos para criar plantas,uma vez que satisfazem o critério de novidade e não-obviedade.

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Definitivamente, há uma demanda por patentes! Pedidos - linha azul; patentes recebidas - vermelho. De acordo com o NoPatentsOnSeeds

Na Europa, os criadores geralmente recebem PVP, pois não emitem patentes para o “processo de seleção essencialmente biológica”. No entanto, a situação não é tão simples (veja o gráfico) e a recente decisão do Instituto Europeu de Patentes (EPO) introduz a diferença entre o processo de obtenção de novas variedades (elas não podem ser patenteadas) e os resultados (mas parecem ser o melhor possível). Por exemplo, o EPO emitiu uma patente para o Ministério da Agricultura de Israel para um tomate tolerante à seca obtido por métodos tradicionais de melhoramento. Vale a pena aguardar a decisão da Comissão Europeia, que prometeu lidar com essa situação, no momento em que está trabalhando em uma interpretação juridicamente vinculativa, que pode proibir patentes de variedades derivadas.

Atualmente, os resultados da engenharia genética na Europa podem ser patenteados, mas o resultado da seleção tradicional não é. Essa situação é um tanto desconcertante, porque se os reguladores consideram que a edição genômica é uma técnica não-OGM, é possível fazer uma patente ou se restringir ao PVP? Por um lado, se isso for considerado uma modificação genética (portanto patenteada), como o requerente provará que seu corpo é único (ou seja, não há alelo na natureza que coincida com o organismo reivindicado)?

Outro ponto é como as patentes afetam a prevalência de certas tecnologias. As patentes dão ao inventor o monopólio por um certo tempo (20 anos nos EUA). Isso não limita o uso de DNA geneticamente modificado em outras variedades de plantas por outros criadores, a menos que outro criador compre uma licença para fazê-lo. Mas se as plantas "editadas" forem adequadas para os requisitos de PVP, os alelos dessas plantas podem (e provavelmente serão) ser amplamente utilizados por outros criadores e agricultores. Portanto, permanece válida a questão de se a indústria exigirá investimentos iniciais para lançar projetos com um genoma editado.

De onde virá o dinheiro?

Atualmente, quase todas as empresas de agrobiotecnologia investem na edição de pelo menos algumas plantas. Por exemplo, uma pequena empresa americana, Cibus , já está planejando lançar estupro resistente a herbicidas este ano. Embora essa planta em particular tenha sido desenvolvida usando outra tecnologia antiga, podemos dizer com segurança que os novos desenvolvimentos serão baseados na tecnologia CRISPR. No momento, as patentes do CRISPR são do Broad Institute MIT e do Harvard Institute, DuPont e várias outras organizações. Pelo que entendi, a DuPont e a Caribou Biosciences (empresas derivadas de Berkeley) têm as posições mais fortes em agrobiotecnologia . Por outro lado, a tecnologia está se desenvolvendo rapidamente.e novos métodos vêm de outras universidades e empresas.

O ponto principal aqui é que, se a proteção de patentes se aplica apenas ao método de obtenção do produto, mas não ao próprio produto, as empresas estão prontas para investir na edição? Nos Estados Unidos, onde os produtos podem ser patenteados, a situação é diferente, mas, por exemplo, a Monsanto recebe ~ 40% da receita que não está nos Estados Unidos, então isso ainda é uma questão urgente, mesmo para os Estados Unidos. Para empresas fora dos EUA, tudo isso é ainda mais importante. Pode ser necessária uma proteção mais cuidadosa da propriedade intelectual para incentivar a inovação nesse ambiente.

Primeiros passos

Alguns pontos do artigo são um tanto especulativos, mas surpreendentemente a maioria deles não é. A edição do genoma usando CRISPR foi realizada em uma grande variedade de plantas - arroz e trigo , tomate e alface . As fábricas editadas estão se aproximando da entrada no mercado: a Cibus e a DuPont já estão testando em campo.

Com tudo isso, os especialistas da planta ainda precisam desenvolver ferramentas que permitam o desenvolvimento do modelo "plug and play", descrito acima. O primeiro passo na edição genômica é a transformação genética sustentávele a regeneração de células vegetais "despidas" (protoplastos) e, na minha opinião, projetos científicos insuficientes estão trabalhando nessa tarefa básica de cultivar tecidos vegetais de várias espécies. Também precisamos melhorar os sistemas para prever os resultados de intervenções genéticas em um determinado gene ou região genômica; talvez modelos com genoma completo possam ajudar. Precisamos de sistemas de fenotipagem mais poderosos, como sistemas unicelulares, para testar respostas imunes. Nisso, devemos dar um exemplo da comunidade biomédica, onde, por exemplo, sistemas microfluídicos para o cultivo de culturas celulares, mas para plantas? O custo do sequenciamento do genoma humano caiu para US $ 1.000 por genoma e ainda cai para US $ 100 / genoma. Progresso semelhante é necessário para as plantas, talvez até mais, já que seus genomas são mais complexos do que nos seres humanos.

É absolutamente claro que o uso generalizado da edição genômica na agricultura depende de como essa tecnologia é regulamentada. Como defensor dessa idéia, acredito que os Estados Unidos estão no caminho certo com seus sistemas de regulação e proteção da propriedade intelectual. As discussões na Comissão Européia também são muito importantes, tendo em vista o importante papel da UE na FAO e na Organização Mundial da Propriedade Intelectual, mesmo que a Europa não produz tanta comida.

Dado o crescimento populacional e a dinâmica das mudanças climáticas, é claro que as tecnologias atuais não alimentarão o mundo. O golpe mais grave virá dos países mais pobres do sul, cujas economias não podem subsidiar a agricultura, como nos países desenvolvidos. É possível que, para criar uma agricultura mais sustentável, valha a pena estar mais aberto a novas tecnologias e não se concentrar em menos eficientes . Muito provavelmente, não funcionará para reduzir a quantidade de alimentos consumidos, mas você pode aumentar a eficiência com a qual os produzimos.

Como a edição genômica mudará a agricultura. Se permitirmos ...