Esa extraña pareja

Andreas Lie «Wilderness Heart» Es una pintura en la que puede verse un bosque a través de la piel de una mujer desnuda

Andreas Lie
«Wilderness Heart»

Tenía anulada la voluntad, no podía pensar. La atracción que sentía era brutal, irrefrenable. Y eso que todos le decían, sus padres incluidos, que su amor era imposible. «¿Pero cómo te vas a liar con una chica de otra especie, una planta nada menos? ¡Una bacteria de tu clase, qué dirá la gente! Eso es ir contra natura». Pero es que ella no paraba de tirarle los tejos y era como un imán. Se gustaban desde hacía tiempo. Y Agro, así lo llamaban todos porque su nombre real –Agrobacterium tumefaciens– no le gustaba nada, decidió seguir sus impulsos, ya sabéis que el enamoramiento es el mejor estado mental que existe. Trepó hasta alcanzar el sitio adecuado e hicieron el amor de forma apasionada hasta la extenuación. Agro le inoculó parte de su material genético y ella lo incorporó al suyo propio a pesar de desconocer que gracias a eso su amor ya sería eterno. Demostraron que la relación sí era posible y para siempre.

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Las células vegetales presentan ventajas e inconvenientes en lo que a manipulación genética se refiere en comparación con las células animales. Una gran ventaja de los vegetales es su plasticidad o capacidad de regeneración: dependiendo de la especie, se puede obtener una planta completa a partir de trozos de tallo, hoja u otros tejidos o, incluso, de una sola célula. Ahora bien, para conseguirlo hay que incubar estos últimos con hormonas vegetales. Sí, las plantas también producen hormonas; se denominan fitohormonas y se clasifican en varias categorías: auxinas, citoquininas, giberelinas, ácido abscísico y etileno. Lo interesante es que según la proporción de fitohormonas que se emplee se obtienen resultados distintos: si la proporción auxinas/citoquininas es alta el trozo de vegetal dará lugar a raíces; y si es baja, se desarrollará en brotes.
Por el contrario, una desventaja es que las células vegetales no captan eficientemente material genético (ADN) extraño debido a la celulosa de su pared. Esta dificultad, sin embargo, puede superarse: si las células vegetales se tratan con la enzima celulasa, se obtienen células que carecen de la mencionada pared y se denominan protoplastos, los cuales sí captan ADN foráneo más fácilmente. Además, son capaces de originar una planta entera.
El proceso para obtener una planta entera nueva a partir de otra sería el siguiente de forma muy resumida y considerando las ideas de los dos párrafos anteriores: se cortan pedacitos de hoja de la planta original, se tratan con celulasas, se incuban los protoplastos en un medio inductor de brotes durante varias semanas, se transfieren los brotes a un medio inductor de raíces e incuban durante varias semanas, y finalmente se transfieren los brotes que ahora tienen raíces a macetas con tierra hasta que den lugar a una planta como las que todos conocemos. Suena fácil pero, en realidad, obtener una planta nueva a partir de protoplastos no lo es.
Me podéis decir: «Muy interesante pero no veo manipulación genética alguna». Tened paciencia, os lo explico. ¿Habéis visto alguna vez esto que aparece en la foto pegado al tallo de una planta?

Agalla

Agalla

Esa masa recibe el nombre de agalla de cuello (o corona). Se llama así porque se forma en la parte que une la raíz con el tallo (el cuello o la corona). Pero, ¿qué o quién produce la agalla? Y, ¿cómo se forma? ¿Por qué mecanismo?
Los científicos descubrieron que la agalla es un tumor, es decir, una masa formada por el crecimiento exacerbado de células de la planta. Se forma en una zona donde la planta tiene una herida y es resultado de la infección por parte de una bacteria que vive en el suelo, Agrobacterium tumefaciens. La peculiaridad de las células de la agalla es que han sufrido una transformación y pueden crecer indefinidamente incluso en ausencia de la bacteria y fitohormonas.
Hay que recordar que las bacterias tienen un único cromosoma. Es ADN circular aunque se encuentra hecho una maraña. Muchas bacterias, además, tienen otras moléculas de ADN también circular y enmarañado pero de tamaño mucho menor que reciben el nombre de plásmidos. Los plásmidos son interesantes pues contienen genes responsables de la inactivación de antibióticos, una de las razones que las hacen resistentes a estos fármacos.

Bacteria con su cromosoma y dos tipos distintos de plásmidos

Bacteria con su cromosoma y dos tipos distintos de plásmidos

Pues bien, A. tumefaciens contiene un plásmido denominado Ti (por tumor inducing, o sea, inductor de  tumores).

Plásmido Ti

Plásmido Ti

Como puede verse, el plásmido contiene un segmento T (por transferred DNA o ADN transferido). Existen genes importantes tanto dentro del segmento T como fuera de él. Por ejemplo, algunos de los genes importantes que están fuera del segmento T son:

1. Genes para la conjugación. Esta palabra significa cópula, para que nos entendamos, la que permitió a Agro y la planta hacer el amor. Las bacterias pueden copular o conjugar formando un conducto por el que se intercambian material, por ejemplo plásmidos. Este sería uno de los mecanismos por el que una bacteria sensible a un antibiótico pasa a ser resistente. Pero para la historia que estoy contando, tenéis que caer en la cuenta de que en este caso ¡la conjugación la va a llevar a cabo la bacteria con la planta! No es una conjugación bacteria-bacteria sino bacteria-célula vegetal. Extraña pareja. Creo que nunca habréis visto una tan alternativa.

Dos bacterias pilladas in fraganti

Dos bacterias pilladas in fraganti

2. Región vir (virulencia). Incluye los genes responsables de cortar el segmento T del plásmido Ti y transferirlo a las células de la planta, que quedará “transformada” puesto que entonces habrá incorporado genes de otra especie, en este caso bacteriana.

3. Otras secuencias tienen la información para fabricar la maquinaria que permite a la bacteria metabolizar opinas, que son unos aminoácidos inusuales.

Entre las secuencias importantes que contiene el segmento T hay que destacar:

4. Genes responsables de la síntesis de opinas. Estos aminoácidos los va a fabricar la planta, pero tal como dije antes no los puede consumir, los consume la bacteria. Es amor incondicional, aunque hay quien lo ve en negativo: la planta es utilizada como robot o zombi al servicio de A. tumefaciens.

5. Genes responsables de la síntesis de fitohormonas. Son los que inducirán el crecimiento descontrolado de la célula vegetal.

6. Secuencias típicas de células eucariotas (células con núcleo: Las bacterias son procariotas). Esto explica cómo genes bacterianos pueden expresarse en un vegetal (eucariota).

7. Otros elementos importantes del plásmido son las border sequences (secuencias frontera) que flanquean el segmento T. Estas secuencias son reconocidas por la maquinaria que corta y transfiere el segmento T.

Un detalle interesante es que a pesar de lo importante que suenan, el segmento T que os he descrito no es esencial para su transferencia a la célula vegetal. Veremos la importancia que esto tiene.
En definitiva, ya tenemos todas las piezas para entender el mecanismo de formación de la agalla de cuello. Sería el siguiente:

Figura_5_[02]

La bacteria, al vivir en el suelo, es capaz de alcanzar a la planta y acceder a la zona herida en la corona. En realidad, A. tumefaciens sabe dónde está la zona dañada de la planta porque ésta libera moléculas que actúan como reclamo, por eso Agro sentía la atracción brutal. Estas moléculas, además, activan los genes vir. La bacteria se une a la célula vegetal, o sea, copulan. A continuación, se corta el segmento T, se separa del plásmido, entra en la célula vegetal y se integra en su genoma. La maquinaria de la célula vegetal no distingue entre genes propios y extraños, de modo que empieza a fabricar maquinaria tanto suya como de la bacteria. Entonces, de acuerdo con todos los genes explicados antes, la planta fabrica opinas que sirven de alimento a la bacteria. Además, como la planta empieza a fabricar fitohormonas (debido también a los genes que incorporó con el segmento T) sus células empiezan a proliferar como locas y por eso se forma la agalla.

Sé que es complicado. Pero lo que acabo de contar puede resumirse con una frase muy corta: La transgénesis no la inventaron los biólogos moleculares; al contrario, existe de forma natural.

Claro que toda esta información, todo este mecanismo, ha podido ser aprovechado para obtener plantas transgénicas que incluyan genes no ya de interés para una bacteria como A. tumefaciens, sino de interés para la humanidad. Por eso se han conseguido plantas resistentes a la sequía, el famoso arroz dorado y otros muchos ejemplos que podéis leer en los blogs La Ciencia de Amara y Tomates con Genes, de Rosa Porcel (@bioamara) y J. M. Mulet (@jmmulet), respectivamente.

Pero para lograr estas plantas transgénicas, los científicos debieron desentrañar el mecanismo que os he contado y, más aún, darse cuenta del dato que os di antes: el segmento T no es esencial. Esto implica dos cosas. En primer lugar, dicho pedazo de ADN puede cortarse y sustituirse por otro, por nuestro gen de interés. En segundo lugar, permite “desarmar” el plásmido: ya no es tumoral, no produce crecimiento descontrolado (pues no contiene los genes responsables de la síntesis de hormonas vegetales), algo que no es deseable.
En la práctica, una planta transgénica se obtiene por un método binario. Se llama así porque se emplean dos plásmidos. El primer plásmido contiene la región vir pero se le ha eliminado el segmento T. El segundo plásmido se caracteriza porque carece de región vir y su segmento T no es el original sino que ha sido sustituido por nuestro gen de interés y además contiene un gen de resistencia a un antibiótico (kanamicina en nuestro ejemplo). Ambos plásmidos se introducen en Agrobacterium.

Obtención de una planta transgénica

Obtención de una planta transgénica

Se cortan pedazos de una hoja de una planta y se incuban con un cultivo de Agrobacterium manipulado para contener los dos plásmidos. La bacteria infecta las células de los bordes de las hojas (equivalen a una herida). La maquinaria de la región vir del primer plásmido corta y transfiere el segmento T del segundo plásmido. Luego hay que colocar los pedacitos de hojas infectados a un medio que contenga kanamicina pues así sólo se desarrollaran las plantas que incorporaron nuestro gen, es la prueba de que incorporaron el gen.
El método que he descrito para introducir genes en células vegetales no es el único ni mucho menos, hay otros muchos: físicos, químicos, víricos, de expresión transitoria o estable del gen de interés, e incluso los que emplean la planta completa (in planta) en vez de un pedazo.

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Poco podían imaginar Agro y su amante que sentarían tendencia. Pronto, muchos individuos de la misma especie bacteriana formaron pareja con otras plantas, demostrando su felicidad en forma de agalla. Incluso surgieron en el barrio parejas más alternativas aún, como la del primo de Agro, A. rhizogenes. Ay, qué chico, siempre tan innovador. Decidió camelarse a la chica a través de la raíz y presume de relación induciendo la formación de raíces en cabellera o peludas. Esta juventud…

Referencias

Watson JD, Gilman M, Witkowski J, Zoller M., Recombinant DNA, 2nd edition, Scientific American Books, WH Freeman and Company, New York, 1992.

Primrose SB, Twyman RM., Principles of gene manipulation and genomics, 7th edition, Blackwell Publishing, Malden, Massachusetts, 2006.