BIOQUIMICA DE LOS ALIMENTOS
Miguel Calvo
ALIMENTOS TRANSGENICOS

ALIMENTOS TRANSGENICOS

Introducción

Los avances de la ingeniería genética, que inicialmente se utilizaron en la producción de sustancias de uso médico, como la insulina, han llegado también al campo de la alimentación. Mediante la tecnología de DNA recombinante se producen actualmente enzimas de uso alimentario y, en los últimos años, se han obtenido y comercializado nuevas variedades de vegetales modificados genéticamente con propiedades especiales. Las variedades vegetales con modicicaciones de ingeniería genética representan ventajas importantes para los agricultores que las cultivan, al facilitar la lucha contra plagas de insectos o malas hierbas. Cuando se utilizan en alimentación, estos vegetales reciben comunmente el nombre de “alimentos transgénicos”.

En el campo de la producción de alimentos, la tecnología del DNA recombinante se está utilizando para varias aplicaciones, y sus perspectivas de futuro, en el aspecto científico y tecnológico, son prometedoras. Esas aplicaciones, presentes y futuras, corresponden a distintos tipos:

Modificación de microrganismos

Las primeras aplicaciones de la tecnología del DNA recombinante en el campo de los alimentos han consistido en la obtención de proteínas en microrganismos, entre ellas la hormona de crecimiento bovina y la quimosina bovina.

La hormona de crecimiento bovina recombinante se administra a las vacas para aumentar su producción de leche. Sin embargo, dadas sus características, es más razonable considerarla como un producto de farmacia animal que como un material para uso por la industria alimentaria. Además su uso no está autorizado en la Unión Europea, aunque sí en Estados Unidos

La quimosina bovina recombinante, sin embargo, si que se puede considerar un aporte de la biotecnología a la industria alimentaria. La quimosina, componente fundamental del cuajo obtenido del estómago de terneros jóvenes, es el enzima clásico en la fabricación de quesos. La fuente de suministro tiene como inconvenientes la posible heterogeniedad en cuanto a calidad, la variabilidad en suministro y el precio, relativamente elevado. A partir de 1990 se dispuso de quimosina recombinante, obtenida en distintos microrganismos, bien levaduras o bien bacterias. Por el momento, los mejores resultados se han obtenido con Kluveromyces lactis, en el que se ha insertado el gen de la proquimosina B , y que segrega la proquimosina en el medio de cultivo. Otro microrganismo utilizado, en el que se ha insertado el gen de la proquimosina A bovina, Escherichia coli K-12, tiene el inconveniente de que acumula el enzima en el interior de cuerpos de inclusión, dentro de las células bacterianas. También se obtiene quimosina recombinante mediante cultivos de Aspergillus niger var. awamori en los que se ha insertado el gen de la proquimosina B bovina. Este moho secreta también el enzima al medio de cultivo.

Los detalles del proceso y el examen de la seguridad de los productos se pueden encontrar en la página de International Progamme on Chemical Safety

En Estados Unidos, más del 80% del queso se fabrica actualmente utilizando quimosina recombinante. En la Unión Europea los problemas burocráticos asociados a las normativas específicas de los quesos de calidad (debe considerarse a la quimosina recombinante un "cuajo animal", tal como exige su estructura y propiedades, o un "cuajo microbiano", atendiendo a su forma de obtencion?) han frenado su difusión.

También se obtienen mediante microrganismos modificados genéticamente muchas otras enzimas de interés industrial, especialmente las destinados a la modificación de carbohidratos. La modificación de rutas metabólicas en microrganismos ha permitido aumentar la eficacia de la síntesis de ácidos orgánicos como el ácido láctico y el ácido cítrico. Algunos microrganismos de interés tecnológico, como las levaduras de panadería, o los microrganismos utilizados en la industria láctea, etc. han sido también modificados genéticamente especialmente para conseguir la sobreexpresión de determinadas enzimas.

Modificación de vegetales

La modificación genética de vegetales es una actividad que acompaña a la civilización humana desde la aparición de la agricultura. Muchos de los vegetales más importantes cultivados actualmente, como el trigo, no guardan casi ninguna semejanza con sus parientes salvajes. La novedad de la ingeniería genética moderna está simplemente en la potencia y precisión de las herramientas utilizadas para la creación de nuevas variedades, no en el hecho en sí.

En el año 2007 se cultivaron en el mundo más de 114 millones de hectáreas de vegetales transgénicos. Los más importantes son el maíz, soja, algodón y colza, pero también existen variedades comerciales de tomate, papaya, petunias o claveles. http://fundacion-antama.org/

En este momento, la obtención de vegetales transgénicos es el campo con mayores posibilidades de desarrollo, a partir de distintas aproximaciones.

Genes antisentido

El primer vegetal transgénico comercial, desarrollado por la empresa Calgene en 1994, fue el tomate Flavr Savr, resistente al ablandamiento al contener un gen antisentido de la poligalacturonasa. En este tomate, el gen antisentido produce la síntesis de un m-RNA complementario del m-RNA de la poligalacturonasa, que al unirse a él impide la síntesis del enzima.

El gen “Flavr Savr” se inserta en un plásmido de Agrobacterium tumefaciens, que lo transfiere a células de tomate en cultivo. A partir de estac células se genera la planta completa que se reproduce ya de la forma ordinaria.

Este tomate no ha tenido éxito comercial, pero la aproximación conceptual es válida para la modificación de otros vegetales. Los genes antisentido no inducen la expresión de una proteína nueva, sino que evitan la de una existente en el vegetal no transgénico. Por el mismo sistema podría evitarse o reducirse el pardeamiento enzimático, la producción de etileno, el lagrimeo inducido por la cebolla, u otras alteraciones producidas por enzimas.

Genes de resistencia a insectos

La resistencia a insectos está basada hasta ahora en los genes de las toxinas de Bacillus thuringiensis Las distintas subespecies y cepas de esta bacteria producen una serie de toxinas que se acumulan dentro de las esporas bacterianas como cristales en cuerpos de inclusión (de ahí su nombre de cry. El microrganismo Bacillus thuringiensis y su patogenicidad frente aciertos tipos de insectos se descubrió en 1911. Se utilizó como insecticida comercial desde 1938 en Francia y desde 1950 en Estados Unidos, y actualmente es uno de los insecticidas más importantes de la llamada agricultura ecológica.

Las cepas descubiertas inicialmenmte tenían actividad exclusivamente contra lepidópteros, pero posteriormente se han encontrado otras activas contra coleópteros y dípteros. Actualmente se conocen más de 200 toxinas distintas.



Cristales de toxina de Bacillus thuringiensis serovar morrisoni strain T08025. Fotografía de Jim Buckman


Las d-endotoxinas de Bacillus thuringiensis tienen una estructura semejante, estando formadas por tres dominios, uno en el que predomina la estructura secundaria en hélicea, con 7 hélices (Dominio I) y dos con predominio de estructura en hoja plegadab. El Dominio II, de mayor tamaño y con las hojas aproximadamente paralelas a las hélices del Dominio I, es responsable de la unión de la toxina a los receptores de las células del tubo digestivo de los insectos. Tras esta unión, algunas de las hélices a se insertan dentro de la membrana celular, dando lugar a la aparición de poros. El Dominio III protege al resto de la estructura de la proteolisis por los enzimas digestivos del insecto.

Estructura de lad toxina cryIA(a) de Bacillus thuringiensis var. kurstaki


La aparición de poros en la membrana provoca la muerte de las células, daños en el tubo digestivo y finalmente la muerte del insecto por inanición o por septicemia. Consecuentemente con este mecanismo, su acción es muy selectiva, muchísimo mas que la de los insecticidas químicos. Para la inmensa mayoría de los animales (mamíferos, peces) es simplemente una proteína más, metabolizada como las demás proteínas.

En particular, el gen de la toxina crylA(b) se utiliza en el maiz desarrollado por Monsanto en 1996, que se cultiva en España. La superficie cultivada, casi toda situada en áreas de prevalencia de barrenadores del maíz, en Aragón y Cataluña, es del orden de las 50.000 hectáreas.





Mazorca de maíz dañada por la acción de insectos barrenadores.


Los insectos conocidos como taladros o barrenadores del maíz son lepidópteros que pertenecen a dos especies, Ostrinia nubialis y Sesamia nonagrioides



Oruga de Ostrinia nubialis.



Orugas de Sesamia nonagrioides dentro de cañas de maíz . Fotografías cedidas amablemente por Concha Novillo.


El mismo principio, con la misma toxina o con otras distintas, puede aplicarse a otros vegetales y a otras especies de insectos, y está siendo muy importante, por ejemplo, en el caso del algodón, en el que la toxina cryIA(c) lo protege contra las orugas de las cápsulas, como Helicoverpa armigera.

Genes de resistencia a herbicidas

En este caso son posibles en principio dos aproximaciones. O bien insertar en la planta el gen de un enzima que no se vea inhibido por el herbicida, que es la aproximación en la que se basa la resistencia al glifosato, o bien un enzima que destruya el herbicida, aproximación en la que se basa la resistencia al glufosinato

Resistencia a glifosato
La resistencia al herbicida glifosato se obtiene mediante la inserción de un gen bacteriano que codifica el enzima enolpiruvilshikimato-3 fosfato sintetasa. Este enzima está implicado en la ruta biosintética de los aminoácidos aromáticos. El enzima equivalente de los vegetales superiores (y particularmente de la soja, que es el primer vegetal en el que se introdujo esta modificación) es inhibido por el glifosato, que compoite con el fosfoenolpiruvato, uno de los substratos.

Estructuras del fosfoenolpiruvato (izquierda) y del glifosato (derecha


El enzima equivalente bacteriano no resulta inhibido, de tal forma que no se corta la correspondiente ruta metabólica, y la planta transgénica no se ve afectada. En consecuencia, puede usarse el herbicida en cualquier momento de desarrollo del cultivo.

Resistencia a glufosinato
El glufosinato es un herbicida de contacto, que los vegetales absorben a través de las hojas. Actúa inhibiendo el enzima glutamina-sintetasa.

Los vegetales resistentes a este herbicida, como la colza (canola), se obtienen por inserción en su genoma del gen de la fosfinotricin-acetiltransferasa procedente de una bacteria. El gen da lugar a la enzima correspondiente, que transforma el glufosinato en N-acetil glufosinato, que no inhibe la glutamina sintetasa y consecuentemente no tiene efectos tóxicos sobre la planta.      

Glufosinato y acetilglufosinato
Glufosinato. Resaltar el grupo amino libre
Acetilglufosinato. Resaltar el grupo amino acetilado


Por supuesto, es posible obtener variedades vegetales en las que se combinan la tolerancia a herbicidas con la resistencia contra insectos.

Cambios en la composición de los vegetales

Los cambios en la composición de un vegetal comestible pueden permitir mejorar su calidad nutricional, tanto si se emplea en nutrición animal como en humana. Concretamente se puede modificar el patrón de aminoácidos de las proteínas, corrigiendo la deficiencia en lisina de los cereales o la deficiencia en aminoácidos azufrados de la proteína de soja.

Desafortunadamente, esta aproximación encuentra un problema.

Mas importante desde el punto de vista de la lucha contra el hambre y las enfermedades carenciales es el "arroz dorado", que contiene b-caroteno y que debe ser una herramienta válida para luchar contra la mortalidad infantil y la ceguera asociada en varias zonas geográficas a la deficiencia de vitamina A en la dieta.


Arroz convencional y arroz transgénico rico en b-caroteno. Fotografía procedente de Golden Rice Project


Para conseguir la acumulación de b-caroteno en el endospermo del arroz ha sido necesario insertar los genes de ters enzimas distintas: la fitoeno sintetasa, que concdensa dos moléculas de geranyl geranyl difosfato para producir fitoeno-2 pirofosfato, la fitoeno desaturasa, que produce licopeno a partir de fitoeno-2 pirofosfato, y la licopeno ciclasa, que transforma el licopeno en b-caroteno.

Otras mejoras de este tipo pueden consistir en la obtención de productos alimentarios o para usos industriales no alimentarios modificando la composición de los lípidos. En 1995 se desarrolló una variedad de colza (canola) cuyo aceite es muy rico en ácido láurico. En esta variedad está incluido el gen de la tioesterasa de la proteína transportadora de láurico, obtenido del laurel de California.

Otras posibilidades de modificación de vegetales

Existen otras posibilidades de mejora vegetal, alguna de ellas, como la resistencia a virus, de la que ya existen algunas variedades comerciales. En este caso se ha utilizado por el momento un gen que codifica una proteína de la cápsula vírica. Su sobreexpresión en el vegetal interfiere con la replicación viral, protegiéndolo. Existen otras aproximaciones, pero todavía solamente escala de laboratorio.

También se pueden utilizar vegetales para obtener proteínas, como la lactoferrina humana, con aplicaciones potenciales en el campo farmaceútico y en la elaboración de alimentos infantiles y alimentos funcionales, para la prevención de diarreas. El principal problema en este caso estriba en la diferencia entre los patrones de glicosilación de las células animales y vegetales. Al tratarse de una glicoproteína, los carbohidratos de la proteína recombinante no son los mismos que los de la proteína de la leche.

Aspectos como la resistencia al frío o a la salinidad son algo más complejos de abordar, ya que no dependen generalmente de un sólo gen sino de varios. De todos modos, los primeros resultados de laboratorio referentes a resistencia a la salinidad hacen pénsar que incluso estos problemas son menos complejos de resolver de lo que se pensaba inicialmente.

Seguridad de los alimentos trangénicos

Todos los vegetales transgénicos han sido objeto de amplios estudios antes de su autorización, que garantizan su seguridad para los consumidores y el medio ambiente. Las objecciones que han planteado algunas organizaciones no están basadas en razones científicas, y en determinados casos incluyen afirmaciones que no son ciertas.




Ejemplo de afirmación tendenciosa sobre el maíz transgénico. El autor de esta exposición omite mencionar que la “substancia tóxica” a la que hace referencia, la toxina de Bacillus thuringiensis descrita anteriormente, solamente es tóxica para algunos insectos, que es totalmente inocua para el resto de los animales, incluido el hombre, y que precisamente por eso se utiliza extensamente en la llamada agricultura ecológica.




Y un ejemplo de una afirmación directamente falsa. La mezcla accidental de maíz Star Link, autorizado exclusivamente para alimentación animal, con otros maíces destinados a consumo humano, no provocó ni un solo caso de reacciones alérgicas, ni graves ni leves.


Estas imágenes forman parte de una Exposición sobre Transgénicos de Greenpeace España, activa en 2008. © Greenpeace.
Reproducción parcial, en calidad de cita, con fines docentes y de investigación, amparada por el Art. 10 del Convenio de Berna sobre Propiedad Intelectual y por el Art. 32 de la Ley de Propiedad Intelectual española.

En caso de que sus autores aporten alguna prueba de que sus afirmaciones son correctas, los comentarios se rectificarán de forma inmediata.



De hecho, el maiz transgénico puede resultar más seguro desde el punto de vista sanitario, ya que que en los daños producidos por barrenadores pueden proliferar mohos productores de aflatoxinas, y en particular los de fumonisina



Mazorcas de maíz convencional, con mohos productores de micotoxinas, junto con mazorcas de maiz transgénico, no afectadas.

Una discusión detallada sobre los diferentes aspectos de seguridad de los vegetales modoficados genéticamente puede verse en Informe relativo a los alimentos genéticamente modificados


Modificaciones de animales

En este campo, los desarrollos científicos alcanzados no han llegado aún a etapas comerciales. Los principales aspectos de interés son los animales de crecimiento rápido, especialmente peces para su reproducción mediante acuiacultura, y la obtención de leche con proteínas específicas.

Este segundo caso es especialmente prometedor desde el punto de vista de las aplicaciones biomédicas, pero también desde las alimentarias. La leche de vaca es la materia prima utilizada para la elaboración de leche para alimentación infantil. las grandes diferencias que tienen comparada con la leche humana hace que deba ser sometida a distintas modificaciones (sustitución de la grasa por una más insaturada, adición de proteínas de lactosuero para aumentar la proporción en la que se encuentran con la caseína, etc). Sin embargo, la presencia en la leche humana de algunas proteínas específicas, como la lactoferrina, con acción protectora para los recién nacidos, hace interesante obtener mediante transgénesis vacas con el gen de esta proteína, que la secreten en la leche.



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