• El tesoro del congelador

    Los Microbios Ayudan en el Desarrollo de Agentes de Protección de Cultivos

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    Los genes de las bacterias ayudan a los investigadores a mejorar las propiedades de las plantas de cultivo para los agricultores. Esto se hace posible por la aplicación de la biotecnología.

Los genes de las bacterias ayudan a los investigadores de Bayer a mejorar las características de las plantas útiles para los agricultores. Con el uso de biotecnología, ya existen semillas que son resistentes contra los agentes fitosanitarios así como contra insectos y nematodos dañinos y que producen mayores cosechas. Las mejoras se pueden conseguir transfiriendo una parte de la enorme diversidad genética del reino de las bacterias a importantes plantas útiles. Los grandes avances en la automatización y en la bioinformática les facilitan a los científicos de Bayer la búsqueda de nuevos genes valiosos. Con las nuevas tecnologías, los especialistas pueden trabajar en la actualidad con un gran número de cepas de bacterias y conocer más sobre sus funciones a través de su código genético.

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  • El reto:
    Las bacterias albergan rasgos valiosos que los investigadores de los cultivos planean aprovechar. Pero trabajar con la enorme base de datos de microbios es un proceso largo.
  • Solución:
    La base de datos de bacterias de Bayer en Morrisville, Carolina del Norte, ha sido totalmente automatizada.
  • Beneficio:
    Los investigadores ahora pueden procesar hasta 1.700 bacterias al día - y el viaje desde el microbio al campo es más rápido.

El doctor Jon Giebel y su equipo de Trait Research en la División Crop Science se encargan cada día del bienestar de una impresionante colección de bacterias. Cada una de las 116 mil cepas de bacterias, las cuales están guardadas a menos 80 grados centígrados en los congeladores del Centro de Innovación de Bayer en Morrisville, Carolina del Norte, podría ser la clave para ayudar a los agricultores a satisfacer la creciente demanda de alimentos. En estos microbios dormitan características valiosas con las que los investigadores quieren desarrollar en el futuro nuevas especies de plantas con características mejoradas. "Muchas de estas bacterias contienen genes que les proporcionan a las plantas útiles resistencia contra los parásitos o las hacen tolerantes a los herbicidas. Otras cepas se utilizan en la fabricación de nuevos productos fitosanitarios biológicos o químicos”, describe el doctor Giebel su tesoro viviente. Con un promedio de cinco mil genes por organismo y 116 mil organismos, los investigadores de Bayer cuidan una biblioteca gigante con más de quinientos millones de genes, de los cuales pueden seleccionar los más prometedores.

116,000

cepas bacterianas con un promedio de 5.000 genes por organismo están encerradas en los congeladores del Centro de Innovación Bayer.

La diversidad microbiana ayudará a los agricultores a superar sus retos

La colección de Bayer de 116 mil cepas de bacterias sigue creciendo. El doctor Giebel y su equipo amplían la diversidad biológica de esta biblioteca, en ello centran su atención. En ello, Bayer considera todas las leyes que regulan la recolección de muestras de campo - incluyendo todas las leyes aprobadas con la firma del protocolo de Nagoya. En lugar de buscar nuevos organismos en todo el mundo, los investigadores de Bayer se concentran en la diversidad que encuentran en el terreno propio de la empresa. "Una cucharada de tierra de nuestro estacionamiento contiene más microorganismos diferentes que los que encontraríamos en todos los zoológicos de Norteamérica”, explica el doctor Giebel. "Para nosotros como personas resulta difícil hacernos una imagen de la comunidad de microbios que nos rodea. Si nos imaginamos una lombriz y un león, pensamos en dos organismos muy distintos. Pero si colocamos como referencia la diversidad de la comunidad de microbios, en realidad la lombriz y el león son parientes cercanos.” Lo decisivo es capturar esta diversidad genética en el laboratorio. Adicionalmente, los científicos de Bayer intentan seleccionar aquellos microbios en los que la probabilidad es alta de que sus genes preparen características ventajosas para las plantas.

Preparación para los nuevos ensayos: Janelle Ciafardoni y Rakhi Singh (de izquierda a derecha) aíslan bajo una así llamada carpa anaerobia, microbios que solo pueden sobrevivir en un entorno libre de oxígeno.

Cuando llegan nuevas muestras a Morrisville, se cultivan en el laboratorio. Partiendo de estos cultivos, los trabajadores de Bayer aíslan nuevos microbios singulares y los almacenan de manera segura. Entonces empieza el verdadero trabajo: la búsqueda de características muy prometedoras. Se prueban los microbios para saber si están potencialmente en condiciones de combatir a insectos y nematodos o inhibir el crecimiento de hongos nocivos. Los científicos analizan si estos microbios pueden degradar agentes fitosanitarios químicos o mejorar la salud general de las plantas. En cuanto una cepa de bacterias demostró alguna de estas características ventajosas, los investigadores de Bayer intentan comprender la causa y trabajan en que esta característica también esté disponible para agricultores. Si encuentran un gen de microbio que se relacione con la característica deseada, lo transfieren a la planta útil como, por ejemplo, soya. Así crean una planta genéticamente modificada con la característica ventajosa. Dos novedades aceleraron el proceso. Hace 18 meses, los investigadores de Bayer empezaron a secuenciar los genomas de toda la colección. Y en primavera de 2017 se pondrá en operación un robot que lleva por nombre "Automated Storage and Handling”, abreviado ASH. Automatizará el almacenamiento, la extracción y la preparación de las muestras de bacterias. Hasta ahora todo esto era trabajo manual. "En lugar de mil 500 cepas por semana, podremos preparar mil 700 cepas al día”, dice el doctor Giebel. Toda la inversión en tiempo y material que hizo Bayer en la construcción de esta instalación, se pagará con la velocidad con la que serán posibles las innovaciones en el futuro.

Muchas de estas bacterias contienen genes que les proporcionan a las plantas útiles resistencia contra los parásitos o las hacen tolerantes a los herbicidas.

Los científicos prueban si las bacterias seleccionadas actúan contra los parásitos relevantes

Un microbio muy prometedor, el cual se necesita para comprobar las hipótesis del análisis de datos, se envía al sistema ASSH. La máquina con las dimensiones de un pequeño departamento de un espacio extrae entonces sets de las cepas deseadas de la profundidad del congelador a la superficie. En minutos, las muestras se han descongelado y se pueden cultivar en el laboratorio para prepararlas para ensayos de comida con insectos o nematodos (filarias).

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Nuevos microbios para la colección: Sebastian Doerfert toma muestras de suelo en un terreno propio de Bayer en Carolina del Norte. En el laboratorio se aíslan en ellas bacterias vivas.

En el siguiente paso, las bacterias seleccionadas se someten a pruebas de actividad para confirmar las predicciones con base en las computadoras hechas por los investigadores. Las bacterias se le dan de alimento con su respectivo parásito mezcladas con alimento sintético. La laboratorista Ellis Driver muestra el resultado de una prueba con un pentatómido que ataca la soya y otras legumbres: en uno de los recipientes que sostiene en la mano, seis de ocho larvas del insecto alimentadas con la mezcla de bacterias se encuentran muertas en el fondo. En un segundo recipiente con las mismas bacterias mezcladas, están muertos incluso todos los parásitos. "Es un resultado realmente bueno”, dice la señora Driver. "Las larvas en el grupo de control sin aditivo de bacterias están muy bien, el grupo tratado están en su mayoría muerto.”

Posteriormente, los científicos tienen que confirmar qué genes son responsables del efecto. Un procedimiento muy efectivo para ello es la llamada genómica comparativa. El colega de Giebel, el doctor James Doroghazi, explica cómo funciona: "Supongamos que tenemos cinco cepas de bacterias que son mortales para un parásito y cinco que no tienen este efecto, aunque presentan muchas similitudes en sus secuencias genómicas. Después buscamos genes que aparezcan en las cinco primeras cepas pero no en las segundas cinco y analizan dichos genes en cuanto a la actividad potencial.”

1.700

cepas bacterianas ahora se pueden procesar cada día gracias al sistema automatizado.

El doctor James Doroghazi y el doctor Jon Giebel analizan los antecedentes genéticos de las bacterias.
Los científicos realizan pruebas de alimentación en larvas en el laboratorio.
Para probar nuevas estrategias contra el microorganismo en el laboratorio, los científicos en una caja realizan experimentos con larvas de insectos en una caja.

Además de la genómica comparativa, los investigadores de Bayer utilizan otros métodos para determinar lo que hace efectiva a una cepa de bacterias contra insectos. Bioquímicos extraen y separan proteínas de estas bacterias eficaces para determinar después en experimentos de comida con insectos, qué grupo muestra la actividad deseada. El objetivo es aislar una proteína o muy pocas proteínas, las cuales sean responsables del efecto. Después, los investigadores pueden determinar los genes que portan la información para la formación de las proteínas activas equiparando la secuencia de proteína con la secuencia de ADN.

Moléculas Activas

Los genetistas introducen ADN de la bacteria en las plantas útiles que después producen ellas mismas moléculas activas.

Equipos de investigación de agentes biológicos desarrollan un spray o una camisa protectora para las plantas útiles y sus semillas. Estos productos contienen las bacterias responsables del efecto biológico deseado.

Después del descubrimiento de un gen responsable de un efecto contra parásitos, los científicos se encuentran frente al siguiente reto: deben introducir el gen del microbio en el genoma de la planta. Si los genes se activan como se desea en la planta, producen las mismas proteínas que los microbios, lo cual ayuda a la planta a protegerse ella misma contra los parásitos.

El paso es difícil, pues si un gen de microbio transferido a la planta no trabaja limpiamente o daña a la planta, el ensayo fracasa. De ser así, Giebel, Doroghazi y el resto del equipo empiezan de nuevo y buscan una solución para el problema. Si todomarcha bien, los investigadores han logrado el primer paso para desarrollar una nueva planta genéticamente modificada con resistencia a los parásitos integrada. Con este método se han identificado varios genes en los últimos años y se han probado en plantas que generan una defensa contra los parásitos del maíz, el algodón y la soya.

Este tipo de plantas de ensayo crecen en invernaderos en la sede principal de la División Crop Science de Bayer en el Research Triangle Park a solo pocos de kilómetros de distancia. Los investigadores de los grupos de Trait Discovery esperan acelerar el descubrimiento de genes útiles mediante sus nuevas posibilidades. Quieren ofrecer nuevos productos a los agricultores, los cuales reduzcan las pérdidas en las cosechas causadas por los parásitos.

Protección Total para Fibras de Calidad

Con la ayuda de bacterias se puede fortalecer de muchas maneras la capacidad de resistencia de las plantas

Los investigadores que desarrollan nuevos agentes biológicos, también utilizan la colección de bacterias, pero persiguen otro esquema. Utilizan bacterias vivas en su totalidad para fabricar productos que protejan y mejoren las plantas - para sprays para hojas y recubrimientos para semillas. Los microbios en estos productos protegen a las plantas, entre otras cosas, contra parásitos insectos o la infestación de hongos.

Un ejemplo de ello es el desinfectante Poncho/VOTiVO. Protege las semillas de soya, maíz o algodón de doble manera: en primero lugar, las semillas se cubren con una mezcla de esporas bacterianas, las cuales forman una barrera viva contra daños por nematodos. En segundo lugar, el agente contiene un químico sistémico que es absorbido por las raíces. Así, este químico sistémico actúa contras muchos parásitos de insectos que atacan la planta en la fase de crecimiento temprana particularmente crítica. Además, en los EE.UU. el desinfectante se utilizan a menudo para semillas que con la modificación genética poseen adicionalmente una tolerancia a los herbicidas y una resistencia a los parásitos integrados.

El microbiólogo Giebel está seguro de que de su colección de bacterias pueden surgir muchos otros productos de Bayer. Por ello, él y su equipo seguirán cuidando y ampliando su tesoro congelado.