~ ACTUALIDAD Y PERSPECTIVA DE LA BIOTECNOL<x;IA 6 9Luis GOmez Alpizar, M.Sc.Laboratorio CUltivo de Tejidos,Centro de Investigaciones Agron6micas,Universidad de Costa Rica

Introducci6n

En los ultimos anos la biotecnologia ha despertado gran interes en los circulos academicos, gubernamentales yempresariales de los paises industrializados. La misma ha sido presentada como una pro mesa de nuevas solucionesy de oportunidades econ6micas. En el periodo 1985-1986 se invirtieron mas de US $ 3000 millones en investigaci6nbiotecno16gica en los mas diversos campos, incluidos la industria farmaceutica, la agroalimentaria, la quimica,el sector energetico y otros (Redgrave, 1992).

Los paises en vias de desarrollo, sobre todo aquellos que poseen una buena base cientifica, confian en que laaplicaci6n de las nuevas tecnologias, conduzca a incrementar los rendimientos, genere empleos , contribuya ala sustituci6n de las importaciones y como un todo produzca un mejoramiento en la calidad de vida de sushabitantes. Se piensa en la biotecnologia como una herramienta que puede ser utilizada para reducir la brechaentre paises pobres y ricos.

La aplicaci6n de la biotecnologia a procesos productivos no ha mostrado, sin embargo, la celeridad deseada yse espera que su influencia se haga sentir al final de la presente decada 0 a inicios del pr6ximo siglo. Lossectores mas influenciados seran la agricultura, la ganaderia, la salud humana y los alimentos (Quintero, 1993).

VEn el presente trabajo se discutiran las aplicaciones de la biotecnologia en el sector agropecuario y suutilizaci6n presente y futura en Costa Rica.

Definici6n y antecedentes de la biotecnologia

La biotecnologia puede definirse como "un con junto de tecnicas que permiten la utilizaci6n de seres vivos 0 partede estos para producir 0 modificar productos, mejorar plantas 0 animales 0 desarrollar microorganismos conprop6sitos industriales y comerciales" (Avalos, 1990). Para conseguir estos objetivos se requiere el trabajode especialistas en bioquimica, biologia molecular, genetica, fitomejoramiento y fisiologia. Toda actividadbiotecno16gica es, por tanto, de caracter multidisciplinario y con una fuerte base cientifica. Algunasdefiniciones de biotecnologia son explicitas al respecto, por ejemplo el Directorio Holandes para la Cooperaci6nInternacional emplea la siguiente definici6n: "Biotecnologia es el uso integrado de la genetica molecular, labioquimica, la microbiologia y la tecnologia de procesos para suplir bienes y servicios, empleandomicroorganismos, 0 celulas y tejidos de organismos superiores" (Broerse et aI, 1990).

De 10 anterior se deduce que la biotecnologia tiene dos componentes uno cientifico y otro econ6mico. Como hasenalado Villalobos (1988) la biotecnologia tiene un origen y muchas veces un destino cientifico; pero no debeexcluirse su finalidad econ6mica (suplir bienes y servicios).

El termino agrobiotecnologia se emplea para designar las nuevas tecnologias biol6gicas de uso en los procesosproductivos e industrias directa 0 indirectamente relacionadas con el sector agricola, pecuario, pesquero 0 dela agroindustriaen general (Redgrave, 1992; Quintero, 1993). Las agrobiotecnologiasutilizadas en laagriculturay ganaderia seran el tela central de esta exposici6n.

{: La biotecnologia no es Dada nuevo. Suarez de Castro (1993) ha dividido la historia de la biotecnologia en tres'--/ etapas, con enfasis en su aplicaci6n a la agricultura y la ganaderia.

~ La primera etapa se caracteriza por el proceso de fermentaci6n, basico en la fabricaci6n de vino, cerveza y pan,conocido desde 2000 anos antes de Cristo, y por la selecci6n empirica de plantas y animales y su posteriorhibridaci6n. La biotecnologia de este tipo se extendi6 basta mediados del siglo XIX y se bas6 en procedimientosde acierto y error, con una muy limitada comprensi6n de log procesos basicos.

La segunda etapa se inicia con lag observaciones de Darwin sobre el origen de lag especies y el descubrimientode lag leyes de la herencia por Mendel. Esta etapa se caracteriza por el manipuleo sistematico de lag basesgeneticas de la herencia, con el aprovechamiento de log beneficios de la hibridizaci6n 0 cruzamiento, por aediodel cual se combinan caracteristicas deseables de diferentes plantas 0 animales en nuevos individuos que en lageneraci6n siguiente reproducen esas combinaciones. Este proceso de mejoramiento genetico es principalmentealeatorio, pues ocurre uni6n de con juntos completos de genes de dos animales 0 plantas, para luego seleccionarel fenotipo deseado. Este mejoramiento convencional ha permitido obtener individuos mas productivos, conresistencia aumentada a plagas y enfermedades y capaces de adaptarse a condiciones ambientales extremas. Enplantas, la "Revoluci6n Verde" representa el mayor logro de la aplicaci6n de este tipo de biotecnologia.

La tercera etapa es constituida por la moderna biotecnologia. Se inicia con el descubriaiento de la estructurade doble helice de la molecula de acido desoxirribonucleico (ADN) por Watson y Crick, en 1953.. El conocimientoy manejo de las caracteristicas del ADN dan origen a 10 que se conoce como ingenieria genetica 0 tecnologia deADN recombinante, que consiste en la introducci6n controlada de un genoma dentro de otro genoma. En esta etapase trabaja a nivel celular y molecular y por tanto es mas precisa basta permitir agregar 0 suprimir un solo genidentificado. Asi la diferencia fundamental de la moderna biotecnologia, comparada con la tradicional, resideen que esta Ultima trabaja con el organismo en su totalidad, combinando el con junto total de genes de dog plantas0 animales, mientras que la primera hace posible la transferencia de genes individuales.

Como 10 afirma Suarez de Castro (1993), "la ingenieria genetica abre la posibilidad de poder cambiar laconstituci6n genetica de microorganismos, plantas superiores y animales, incorporandoles genes individuales 0

~ combinados de otras especies y aUn de grupos taxon6micos lejanos, para la "construcci6n" de plantas y animalesa la medida de las necesidades del hombre en los campos de la alimentaci6n, la lucha contra lag plagas y lasenfermedades y contra las condiciones adversas del medio ambiente". Estos nuevos organismos se conocen como

transgenicos.

La tecnologia del ADN recombinante tiene un amplio espectro de aplicaci6n. Esta abarca una gran variedad desectores productivos y practicamente , no tiene limites en cuanto al ser vivo por utilizar. Tambien debedestacarse que su campo de acci6n incluye tanto productos tradicionales como novedosos (Quintero, 1993).

Las tecnologias basicas que conforman la moderna biotecnologia pueden ser clasificadas alrededor de las

siguientes categorias (Avalos, 1990):

1. Metodos de cultivo de celulas y tejidos

2. Procesos biotecno16gicos (fermentaci6n e inmovilizaci6n de enzimas)

3. Tecnicas de cultivo para la selecci6n de celulas y microorganismos

4. Tecnicas para la manipulaci6n, modificaci6n y transferencia de material genetico

El CUadro 1 muestra las principales aplicaciones de la biotecnologia en diversos sectores industriales, mientrasque el CUadro 2 contiene las principales areas de investigaci6n en el sector agropecuario relacionadas con la

biotecnologia.

~

~ CUadro 1. Principales aplicaciones de la biotecnologia en diversos sectores industriales

SECTOR SUBSECTOR PRODUCTOS PRINCIPALES

Agricola Reproducci6n vegetal Regeneraci6n de plantas transgenicasisemillas lejoradas.

Fertilizaci6n Reducci6n en el uso de fertilizantesnitrogenados y de f6sforoi nuevosagroquimicos

Control de plagas Plantas resistentes a plagas y ayenfermedades plaguicidas otrosi nuevos biocidas

(insecticidas, fungicidas y otros).

pecuario Reproducci6n animal Transferencia de embrionesi selecci6nde seXOi animales transgenicos.

Salud animal Control de enfermedadesi sistema dediagn6stico vacunas, agentes virales.

Alimentaci6n animal Promotores de crecimientoi esquilmos y~ residuos agricolas enriquecidos.

Salud Medicina terapeutica Cincuenta a ochenta nuevos principiosactivos, que son proteinas del sistemainmunol6gico humano.

Medicina preventiva Treinta vacunas, cien a doscientos sis-temas de diagn6stico basados en sondasde !DN y anti cuerpos monoclonales,terapeutica genica.

Alimentos Proteinas Nuevas fuentes de proteina para consumohumanoinuevos sistemas de producci6nde amin6acidos.

Edulcorantes Nuevos edulcorantes no cal6ricos.

Aditivos Proteina y derivados sustitutos degrasas,biopolimetrosi nuevos saboresy fragancias.

Transformaci6n Uso generalizado de enzimas paramodificaci6n de alimentos, dandoles nuevascaracteristicas organolepoticas.

~ Fuente: Quintero (1993)

CUadro 2. Princ~pales areas de ~nvestigac~6n en el sector agropecuario :Jal..1'i .1 o,)'ibl;~;J ,d~relaclonadas con la Blotecnologla ~

~--C--

- Aumento de la biomasa vegetal y la productividad animal g(JT)a~

- Propagaci6n clonal de diversas variedades -,- ~

- Resistencia a enfermedades

- Identificaci6n de microorganismos nocivos

- Aumento de la tolerancia a sequia, salinidad y condiciones adversas

- Fijaci6n de Nitr6geno

- Inducci6n de la producci6n de hibridos

- Preservaci6n de germoplasma y material genetico

- Desarrollo de vacunas y otros productos veterinarios

- Determinaci6n del sexo en animales

- Mayor cantidad y calidad en proteinas y otros nutrimientos

Fuente: Quintero (1993) ~Quintero (1993) agrupa, desde un punto de vista tecnico diferente, lag principales tecnologias que forman partede la agrobiotecnologia de la siguiente maDera:

- CUltivo de tejidos y fusi6n celular

- Ingenieria genetica

- Anticuerpos monoclonales

- Biosintesis de aetabolitos secundarios

A continuaci6n se discutira brevemente la aplicaci6n de cada una de ellas en la agricultura y la ganaderia.

Aplicaciones a la Agricultura

Han sido identificadas algunas areas de investigaci6n con aplicaciones a corto, mediano y largo plazo (Vasil,

1990):

Aplicaciones a corto plazo (hasta cinco aDos): propagaci6n vegetativa, obtenci6n de plantas libres de virus,intercalbio y allacenamiento de germoplasma, rescate de embriones, cultivo de anteras y producci6n de haploides,variaci6n somaclonal, metabolitos secundarios, hibridaci6n somatica y cibridos.

Aplicaciones a lediano plazo (cinco a 10 aDos): Transferencia, integraci6n y expresi6n de genes, que controlancaracteristicas simples, a cultivos de importancia econ6mica (ingenieria genetica para caracteres monogenicos).

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~ .

~ Aplicaciones a,l~rgo plazo ( despues, ?el afio 2000),: Ingenieria ,genetica pa,ra caracteres multigenicos, uso deplantas transgenlcas para la producclon de metabolltos secundarlos (como bloreactores naturales).

Propagaci6n vegetativa

La propagaci6n vegetativa de plantas mediante el cultivo in vitro de meristemas 0 apices caulinares, tambienconocida como micropropagaci6n, es la tecnica mas avanzada y de mayor uso comercial, ya que permite la producci6nacelerada de un gran numero de plantas geneticamente identicas. Es considerada la primera aplicaci6nbiotecno16gica que se ha adaptado en la agricultura moderna (Vasil, 1990; Debergh y Zimmermann, 1991). Por 10menos 206 especies provenientes de 31 familias ban sido propagadas in vitro (Villalobos, 1988). Su empleo masgeneralizado esta en la multiplicaci6n masiva de plantas ornamentales debido a su alto valor econ6mico. Existe,sin embargo una tendencia creciente para su aplicaci6n en especies fruticolas, forestales, vegetales ymedicinales (Villalobos, 1988).

La micropropagaci6n es especialmente atractiva para especies perennes, a16gamas 0 esteriles 0 que sufreninfecciones sistemicas. Para paises ricos en recursos fitogeneticos la micropropagaci6n posibilitaria lamultiplicaci6n acelerada de cualquier variante con caracteristicas agron6micas y comerciales deseables (Sondahl,

1993).

La micropropagaci6n de plantas puede realizarse por tres vias: a) multiplicaci6n por brotes laterales, b)multiplicaci6n por brotes adventicios (de novo); c) multiplicaci6n por embriones somaticos (embriogenesissomatica). Los tres metodos ban sido aplicados con exito en diferentes especies y poseen ventajas y desventajas.Villalobos (1988) hace una descripci6n de las mismas.

Los metodos actuales para la micropropagaci6n de plantas requieren abundante mano de obra y tiempo. Esto resultaen altos costos de producci6n y baja rentabilidad, 10 que como se sefia16 restringe su aplicaci6n a cultivos de

~ alto valor econ6mico. Actualmente se busca metodos que permitan reducir log costos para extender su aplicaci6na otros cultivos y ampliar el mercado. Procesos de automatizaci6n y el manejo de la embriogenesis somatica

parecen vias apropiadas para lograr este objetivo (Debergh y Zimmermann, 1991; Sondahl, 1993).

Producci6n de plantas libres de virus

otra aplicaci6n del cultivo de meristemas esta en la eliminaci6n de virus. Esta se basa en el hecho que log virusno estan presentes en lag celulas meristematicas 0 10 estan en una concentraci6n muy baja (Bhojwani y Razdan,1983; Wuang, 1985). El cultivo in vitro de apices caulinares, con uno 0 dog primordios foliares, conduce a laeliminaci6n del virus. Las plantas libres de virus pueden ser multiplicadas rapidamente mediantemicropropagaci6n. Esta tecnica se utiliza para la obtenci6n de plantas libres de virus de cultivos propagadosasexualmente como papa, cafia de azucar, yuca, tiquisque, ajo, banano, frega y muchas especies vegetales yornamentales (Bhojwani y Razdan, 1983). Los beneficios practicos de esta tecnologia son sustanciales si se

considera que mas del 50% de lag perdidas en rendimiento en muchos cultivos, especialmente aquellos propagadosasexualmente, son ocasionadas por infecciones virales (vasil, 1990). Por otra parte cerca del 10% de log virusque afectan plantas son diseminados a traves de semilla proveniente de plantas infectadas. En algunos casos logvirus se encuentran en la cubierta seminal y en otros en el interior de la semilla. El cultivo in vitro demeristemas perlite, tambien en estos casos, la obtenci6n de plantas libres de virus (Wuang, 1985).

Plantas libres de virus no son sin6nimo de plantas resistentes a virus. Una vez llevadas al campo quedannuevamente expuestas a log vectores y pueden reinfectarse ( Monge et al., 1987; Zettler y Hartman, 1987) . Porotra parte para considerar que lag plantas producidas in vitro estan libre de virus u otros pat6genos, lag mismasdeben ser indexadas mediante diferentes metodos (Wuang, 1985). El mas empleado, rapido y seguro es la prueba

ELISA.

Algunos virus son dificiles de eliminar mediante el cultivo de meristemas, por 10 que se combina este con~ tratamientos termicos (termoterapia) y quimicos (quimioterapia) , para aumentar la eficiencia del proceso

(Lizarraga et al., 1986)

Rescate de elbriones ~~

~~El rescate de embriones fue una de las primeras tecnicas de cultivo de tejidos aplicadas al fitomejoramiento(Bhojwani y Razdan, 1983). La tecnica consiste en la reloci6n del elbri6n de la seiilla y su cultivo in vitrobasta la obtenci6n de la plantula, que puede ser transferida a condiciones no esteriles. Muchos hibridos valiososson abortados como elbriones j6venes debido a lecanismos de incompatibilidad sexual existentes entre especiesde plantas taxonomicamente distantes. En muchos casos la fertilizaci6n ocurre, pero el embri6n es abortado endiversas etapas de su desarrollo (Sondahl et al., 1984). Mediante esta tecnica es posible evitar la perdida deestos embriones hibridos, obteniendo plantulas hibridas de alto valor. Las plantulas hibridas pueden serlultiplicadas in vitro acelerando su evaluation genetica y de campo.

Esta tecnica permite romper las barreras de incoDpatibilidad asociadas a una inadecuada formaci6n del endospermoy a la consecuente abortion del elbrion hibrido debido a la falta de alilento (Sondahl et al., 1984).

El cultivo de embriones tambien se utiliza para acelerar la germination en ciertas especies (palla de aceite,banano silvestre) cuyos embriones bajo condiciones naturales no gerlinan 0 deloran basta dos afios en hacerlo(Cox, 1960; Bhojwani y Razdan, 1983; Afele y De Langhe, 1991).

Produccion de plantas haploides

El cultivo de anteras, microsporas y ovarios de mas de un centenar de especies de plantas se ha utilizado pararecuperar plantas haploides, estimulando el desarrollo de las celulas galetofiticas haploides a formal elbrioidesdirectamente 0 a la produccion de tallo, a partir del cual se induce posteriormente la producci6n de brotes.La autofecundaci6n de estas plantas haploides conduce a la obtention de diploides holocigotas fertiles utilizadascomo lineas parentales en prograDas de mejoramiento (Sondahl et al., 1984; Vasil, 1990)

La production de haploides androgenicos ayuda a incremental la eficiencia de la selection y a acelerar el ciclode hibridaci6n, permitiendo la obtencion acelerada de nuevos materiales (Heszky y simon-Kiss, 1992).

Aunque el uso potencial de plantas haploides es obvio, el elpleo rutinario de la tecnica para la obtencion dehaploides ha sido limitado. Dentro de la familia Solanaceae se ha logrado mucho progreso, no asi en otroscultivos agronolicalente importantes como cereales y leguainosas, para las cuales el cultivo de anteras haresultado dificil. Los pocos cultivares de arroz, trigo, maiz, tabaco y de otras especies que ban sido obtenidospol este letodo, ban tenido un limitado exito comercial, debido posiblelente a que los esfuerzos no ban estadocoordinados e integrados a programas de mejoramiento ya establecidos (Vasil, 1990).

Variaci6n solaclonal

La variacion somaclonal se ha descrito como la variabilidad genetica que se produce en las plantas derivadasde cultivo in vitro de celulas sciaticas (Scowcroft y Larkin, 1982).

Esta variabilidad genetica tiene dos orlgenes: 1. la variabilidad natural ya presente en las celulas sciaticasantes del cultivo y 2. la variabilidad in vitro inducida pol los metodos de cultivo (Sondahl et al., 1984; Vasil,1990).

Las celulas solaticas mutadas son eliminadas mediante la reproducci6n sexual y no son transmi tidas a la progenie(Vasil, 1990). Sin embargo, estas celulas tienen la oportunidad de dividirse y multiplicarse cuando son colocadasin vitro, obteniendose 11neas de celulas mutadas de las cuales se pueden regenerar plantulas completas. De estalanera puede increlentarse la variabilidad, especiallente en aquellos cultivos cuya reproduccion es casiexclusivamente asexual. La inclusion de una presion de seleccion en el medic de cultivo, pol ejemplo toxinas,letales pesados, antimetabolitos, herbicidas y otros, perlitiria seleccionar efectivalente aquellas celulas quetienen capacidad de creGer en estos medics adversos 0 restrictivos y que, posiblemente, pudieran mostrartolerancia a los factores silulados en el medic de cultivo (Vasil, 1990). La resistencia 0 tolerancia deberacomprobarse en el invernadero y finalmente en el campo. Este procedimiento ha sido exitoso para aquellos

~ caracteres control ados por genes simples (monogenicos). La selecci6n de mutantes con caracteristicas agron6micasdeseables como tolerancia a la sequia, a la acidez del suelo y a enfermedades fungosas y bacterianas ha sidomas dificil, debido a que estos caracteres estan bajo control multigenico. En el futuro, el conocimiento de logmecanismos de regulaci6n y de la funci6n de log genes contribuira a facilitar el proceso (Vasil, 1990).

La variabilidad in vitro ha despertado gran interes como metodo de mejoramiento no convencional. Individuos concaracteres deseables ban sido obtenidos para diferentes especies. Por ejemplo, en GaDa de azucar plantas quemuestran aumentos en la producci6n de GaDa, de azucar y resistencia a enfermedades (Heinz y Hee, 1971;sreenivasan y Jalapa, 1983); en papa, mejoramiento del tamano, uniformidad y color del tuberculo y resistenciaa Phytophtora infestans (Shepherd et al., 1980); en tomate, incremento en los s61idos solubles y resistenciaa FusariUl raza 2 (Evans, 1989); en banano, resistencia a FusariUl oxysporua raza 4 (Hwang y Ko, 1987). A pesarde estos sucesos no se conoce ningUn cultivar comercial derivado de estos programas. En Hungria, sin embargo,se registr6 en 1992 la priDera variedad de arroz obtenida mediante androgenesis in vitro y variaci6n somaclonal,despues de 10 aDos de investigaci6n. La nueva variedad se llama "Dama", es mas resistente a Piricularia que lagvariedades tradicionales, la forma del grano es superior y su calidad culinaria es excelente (Heszkey y Simon-

Kiss, 1992)

segUn Sondahl et al. (1984), la mayor ventaja de la variaci6n somaclonal para el fitomejoramiento radica en elhecho de que los variantes estan presentandose naturallente de tejidos somaticos de genotipos comercialessuperiores. Esto significa, que despues de la selecci6n y pruebas de campo soble la estabilidad de log nuevoscaracteres, se podrian ofrecer inmediatamente nuevas variedadades. La mutaci6n espontanea no cubriria todos logaspectos comerciales de un cultivo particular. Entonces esta tecnica permitira la obtenci6n de nuevas variedadesen aproximadamente la mitad del tiempo que se requiere en el mejoraDiento convencional, incluyendo el tiempopara cruces, retrocruces, autofecundaci6n y selecci6n de pruebas de campo, como se indica en el CUadro 3.

~ CUadro 3. TieDpo requerido para el desarrollo de nuevas variedades mediante variaci6n somaclonal

Especie Mejoramiento variaci6nconvencional somaclonal

(anos) (anos)

Tomate 7 - 8 3 - 4Remolacha azucarera 14 - 15 7 - 8Cana de azucar 14 7

Cafe 15 - 20 7 - 10

Fuente: Sondahl et ai. (1984)

Producci6n de hibridos solaticos y cibridos (cul ti vo de protoplastos)

Los protoplastos son celulas vegetales desprovistas de su pared celular, mediante el empleo de metodos mecanicos0 enzimaticos. La hibridaci6n somatica, que consiste en el cultivo y la fusi6n de protoplastos permite producir

,. plantas hibridas pOt un metodo diferente al cruce sexual, posibilitando lag recombinaciones geneticas cuando(. el cruce es dificil 0 imposible 0 cuando, en casos especiales, se desea transferir rasgos heredados~ citoplasmaticalente. Los protoplastos pueden ser fusionados con otros protoplastos, ya sean de la misma especie

0 no (Evans, 1983; Sondahl et ai., 1984).

~o~ cibridos son aquell?s produ~t?s de fusi6n que contienen los genomas nuclear y cit,op~amatico ?e un ~a~e y ~unl~alente el genom,a cItoplasmat~co del segundo padre, El genoma nuclear de este ultImo ha sldo ellmlnado plillllmedIante ray os x, laser u otros metodos (Sondahl et al" 1984; Galun, 1993),

Hay luchas caracteristicas agron6micas que son controladas por genes citoplasmaticos: resistencia a enfermedades,esterilidad masculina y resistencia a herbicidas entre otras, La transferencia de la esterilidad masculina esun aspecto ilportante para los progralas de mejoramiento genetico,

Se ha logrado con exito la hibridaci6n interespecifica en 35 casos para la familia SOlanaceae y en 19 casos decruz as intergenericas (Villalobos, 1988), La regeneraci6n de plantulas a partir de protoplastos es mas dificilque a partir de celulas y callos, especialmente en cereales, 10 que ha limitado la aplicaci6n de la tecnica(Vasil, 1990), Los protoplastos tambien hall sido utilizados como parte de los sistemas de transformaci6ngenetica, Progresos en la investigaci6n para la regeneraci6n de plantulas a partir de protoplastos aumentarasu uso en estudios de hibridaci6n somatica e ingenieria genetica y a.pliara las perspectivas para la integraci6nde genotipos promisorios a log programas de mejoramiento (Smith y Drew, 1990),

Conservaci6n e intercalbio de genoplasla

El cultivo de tejidos ofrece la oportunidad de conservar el material genetico en un espacio reducido y librede log riesgos asociados al manteniliento de colecciones vivas (desastres naturales, plagas y enfermedades yotros), Basicamente, el material pude ser conservado en medios para crecimiento minimo 0 en nitr6geno liquido(criopreservaci6n) , CUando nuevo material es requerido, log explantes son transferidos a condiciones decrecimiento normal, Avances hall sido realizados en algunos cultivos tropicales (Roca et aI" 1989; Engelmann,1991),

Es,posi~le mantene~!iables p,lantas 0 embriones de mutantes de ~nteres p~a usarlos m~s ~?rde en programas de ~me)OramIento, tamblen es poslble mantener germoplasla de especles en pellgro de extIncIon para conservar al ~"maximo la biodiversidad (Sondahl et al" 1984), ~"~

El cultivo in vitro tambien posibilita un rapido y seguro intercambio internacional de germoplasma, ya que lagplantas asi obtenidas estan libre de plagas y enfermedades, para las cuales existan metodos de indexaci6n,disminuyendo el riesgo de introducir agentes nocivos a nuevas areas (Roca et al" 1989)

Metabolitos Secundarios

Las celulas vegetales cultivadas en medio liquido, en forma similar a como se mantienen en los fermentadoresaer6bicos bacterias y celulas de levadura, producen sustancias quimicas como alcaloides, esteroides, fenoles,aminoacidos y pigmentos, muchos de los cuales tienen gran valor comercial (CUadros 4 y 5) (SOndahl et aI" 1984;Vasil, 1990; Quintero, 1993), El crecimiento de celulas vegetales en bioreactores ha sido considerado como unmetodo ideal para la producci6n de metabolitos secundarios para la industria farmaceutica, Hay, sin embargo,factores que li.itan la explotaci6n comercial de esta tecnica (SOndahl et al" 1984; Quintero, 1993):

1, lento crecimiento de lag celulas vegetales (comparado con el de log microorganismos), 10 que disminuye laeficiencia y aUienta log costos,

2, las celulas vegetales tienen una tendencia a cambiar en cultivo alterando el rendimiento cuantitativo ycualitativo de los productos finales,

3, la mayoria de compuestos Unicos derivados de plantas se producen durante la fase estacionaria de crecimientoy no en la logaritmica,

4. general mente las celulas de plantas no excretan los productos al medio de cultivo, i'--

"J"C"5, el tamano de lag celulas vegetales lag somete a fracturas en l~s fermentadores industriales,'

!- 6. el escaso conocimiento sobre log mecanismos de regulaci6n de la biosintesis de compuestos secundarios,~ dificulta la manipulaci6n genetica de lag celulas para la obtenci6n de lineas sobreproductoras de metabolitos

especificos.

CUadro 4. Metabolitos de interes agricola y alimentario producidos por cultivo de tejidos de plantas

-Aceites -Derivados de acido benzoico -Peptidos

-Acidos nucleicos -Edulcorantes -Pigmentos

-Acidos organicos -Emulsificantes -polisacaridos

-Agentes antitumorales -Enzimas -proteinas

-Agentes antimicrobianos -Esteroides -Reguladores del(plantas) crecimiento

-Alcaloides -Especies -Taninos

-Aminoacidos -Hormonas -Terpenos

-Aromas -Inbibidores enzimaticos -Saborizantes

-Azucares -Insecticidas -vitaminas

~ -Carbohidratos -Lipidos

-Condimentos -Perfumes

Fuente: Quintero (1993)

Recientes avances en la tecnologia de diseno de log bioreactores y el avance del conocimiento de la bioquimicade lag celulas vegetales hacen pensar que la explotaci6n industrial del cultivo de celulas vegetales sera unarealidad en un plazo relativamente corto. De hecho el primer producto comercial de esta tecnologia, Shikonin,se encuentra ya en ellercado. For otra parte, en Alemania se 10gr6 por primera vez la fermentaci6n a gran escaladel cultivo de celulas vegetales (Rittershaus, Ulrich y Westphal, 1990)

Inqenieria qenetica

La ingenieria genetica en plantas se concentra en el desarrollo de variedades resistentes a herbicidas, insectosy enfermedades (especiallente virus), en mejorar la cantidad y calidad de la proteina de algunas especies y elmanejo postcosecha (Beachy et al., 1990; Lycett y Grierson, 1990; Potrykus, 1991; Christou, 1991; Laimer daCamara Machado, 1992; Donn et al., 1992) . Se busca la ampliaci6n de la producci6n agricola por la via delmejoramiento, la adaptaci6n y la selecci6n de especies actuales y nuevas de mayor productividad y capaces decrecer en suelos basta ahora considerados no aptos para la agricultura (Suarez de Castro).

A la fecha dnicamente tres genes de importancia agricola estan disponibles y ban sido exitosamente transferidose integrados independientelente a cultivos de importancia econ6lica. Estos genes confieren resistencia a ciertosherbicidas (Round up y Basta) (Donn et al., 1992), a algunos insectos (Montagu, 1992) y a virus (Beachy et al.,1990, Lailer da Camara Machado, 1992). Plantas transgenicas conteniendo tales genes (en forma separada) ban sido

( obtenidas en soya, papa, algod6n,. tolate, tabaco, me16? ' sa~d.1a yotros (Vasil, 1990; P?trykus, 1991; Donn et~ al., 1992). Alrededor de 20 cultlVOS pueden ser boy dla genetIcamente transformados (QuIntero, 1993). Pruebas

de campo con plantas transgenicas se llevan a cabo en EE.UU., Francia,

. -CUadro 5. Precio y mercado de metabolitos secundarios de plantas

J

C(JIFUESTO usa PRECIO ESTlHACIOHES DEL VALOR DEL MERCAOO(US$/kg) (X106uS$)

Menta Saborizante, 30 85-90 (mundial)fragancia

II Quinina Saborizante 100 5-10 (EE.UU.)en farmacia

Piretrina Insecticidas 300 20 (EE.UU)

Codeina Sedante 650 50 (EE.UU.)

Ajmalicina Problemas 1500 4.5-7.5 (mundial)circulatorios

Digitalis Des6rdenes 3000 20-55 (EE.UU)cardiacos

Vinblastina/ Leucemia 5000 18-20 (EE.UU.)Vincristina

Jazmin Fragancia 5000 0.5 (mundial)

Shikonina Color ante 4500 0.6 (mundial)

Vainilla Sabori z ante 2500 75 (mundial)

II Fuente: Quintero (1993)

Alemania, Belgica y Jap6n (Lycett y Grierson, 1990; Meyer et al., 1991). Se espera que a mediados de la presentedecada sean liberados almercado log primeros vegetales transgenicos. En EE.UU. es posible que para el presenteano se comercialice un variedad transgenica de tomate, de maduraci6n lenta, conocida como "Flavr Savr tomato"y el ano entrante una de calabaza tolerante a virus (Urein, 1993).

Poco se conoce sobre lag pruebas de campo realizadas con estas plantas. Hay controversia alrededor del posibleimpacto de la liberaci6n de organismos geneticamente modificados almedio aabiente. Las posiciones van desdeaquellos que consideran que el riesgo existente es similar al que se presenta con plantas mejoradasconvencionallente, basta log que se oponen radicalmente al uso de plantas transgenicas y al consumo de susproductos. No obstante, debe considerarse seriamente el impacto del uso excesivo de herbicidas al contar conplantas tolerantes a log mis.os; la posible evoluci6n de malezas tolerantes a estos herbicidas mediantepolinizaci6n cruzada con lag plantas transgenicas, el efecto de la presencia de proteinas de virus y bacteriasen log alilentos y lag consecuencias globales de la nueva tecnologia en elmedio albiente (Keeler, 1988; vasil,1990).

La producci6n de plantas transgenicas en cereales y leguminosas de granD es aUn dificil debido a que no se cuentacon sistelas rutinarios para su regeneraci6n y transformaci6n. Plantas transgenicas de laiz, arroz y soya,conteniendo el gen de resistencia al antibi6tico kanamicina y en algunos casos el gen de tolerancia a herbicidas,

~ ban sido obtenidas (Donn et al., 1992). Tambien se trabaja intensamente en la transformaci6n genetica del arrozpara la obtenci6n de plantas tolerantes a virus (Roca y Thro, 1992). Es posible que en el futuro cercano secuente con nuevos cultivares de alto rendimiento en estas especies, con su respectivo impacto en la producci6nmundial de alimentos.

La ingenieria genetica aplicada a caracteres multigenicos atin present a serias limitaciones, que deben serresueltas para la transferencia e incorporaci6n de genes agron6micamente importantes, como la resistencia aenfermedades fungosas y bacterianas. El impacto de est a tecnologia tendra lugar despues del afio 2000. Tambiense espera usar plantas transgenicas como "biorreactores naturales", para la producci6n industrial de peptidosbio16gicamente activos para la industria farmaceutica, incluyendo neuropeptidos, factores sanguineos , hormonasy otros, a partir de las proteinas de semillas modificadas (vasil, 1990).

Anticuerpos lonoclonales

CUando sustancias extranas son inyectadas a un animal de sangre caliente (por ejemplo un conejo), las celulasllamadas linfocitos B reconocen estas sustancias (antigenos) y responden produciendo proteinas (anticuerpos)que log reconocen y se les acoplan, neutralizandolos, como parte de la llamada "respuesta inmune" del organismo.El proceso, ala vel, induce la proliferaci6n clonal de linfocitos que se especializan en producir siempre esemismo anticuerpo. La reacci6n conduce a la obtenci6n de una poblaci6n heterogenea de anti cuerpos denominadospoliclonales, ya que son capaces de reconocer diferentes determinantes antigenicos 0 epitopios (regi6n de unantigeno que estimula una respuesta inmune) (Rivera, 1988; Quintero, 1993). Actualmente, es posible produciranticuerpos monoclonales que reconocen un solo determinante antigenico 0 epitopio, mediante la tecnologia delos hibridomas, introducida en 1975 por Kohler y Milstein.

Los hibridomas son hibridos de celulas somaticas, obtenidos de la fusi6n de linfocitos B (celulas productorasde anticuerpos) con celulas de mieloma (celulas tumorales). Estos hibridomas adquieren de los linfocitos B la

~ habilidad de producir anticuerpos especificos, y de las celulas de mieloma la habilidad de ser cultivadosindefinidamente in vitro (Rivera, 1988; Rodriguez, 1988). Los anticuerpos producidos por un cIon (un hibridomay su descendencia) son identicos y especificos contra un determinante antigenico.

Los diversos usos que pueden tener log anticuerpos monoclonales van desde su empleo como elementos deinvestigaci6n, para identificar y separar moleculas de mezclas complejas, basta su papel en el diagn6stico deuna amplia variedad de enfermedades y en la detecci6n de la presencia y nivel de drogas, productos virales ybacterianos, hormonas e incluso otros anti cuerpos (Quintero, 1993).

En la agricultura su mayor importancia esta en la detecci6n temprana, rapida y precisa de enfermedades deplantas, en la detecci6n de micotoxinas y de residuos de plaguicidas. Ademas tecnicas de diagn6stico basadasen anticuerpos monoclonales seran muy utiles en estudios epidemio16gicos para determinar la distribuci6n depat6genos, yen ayudar a la aplicaci6n de las medidas cuarentenarias.

Se preve que para el ano 2000, los nuevos sistemas de diagn6stico basados en anticuerpos monoclonales desplacenen un 60%-75% a los convencionales, debido a su mayor afinidad, sensibilidad y rapidez de detecci6n (Quintero,

1993).

Fijaci6n biol6gica de nitr6geno

El nitr6geno es generalmente el nutrimento limitante en el suelo para el desarrollo y producci6n de las plantas.Anualmente se aplican fertilizantes nitrogenados por un valor de US $ 20 000 millones para satisfacer lasnecesidades de los cultivos (Quintero, 1993).

El nitr6geno atmosferica (H2) es una fuente abundante de este elemento, pero las plantas son incapaces de! utilizarlo. Algunas.~lg~s y ~ac~e~ias, por,el,contrario, pueden reducir el ~2 directa~ente a ~mon~o (NH3) en un~ proceso llamado ftfl)aC16n blologlca de nltrogeno". Dentro de las bacterlas, el genero RhlzoblUi forma una

simbiosis con plantas leguminosas, supliendo las mismas con este elemento.

La explotaci6n practica de la "fijaci6n bio16gica de nitr6geno" y la bUsqueda de metodos para su extensi6n a ~cultivos no leguminosos son parte de log objetivos de la nueva biotecnologia en la agricultura (Suarez de Castro, :~""1993). Existen varios enfoques para lograrlo, que van desde el mejoramiento de los procesos de producci6n de c'"cV

inoculantes basta la producci6n por tecnicas de ingenieria genetica de plantas capaces de fijar por si mismasel nitr6geno del aire, especialmente cereales. Los genes responsables para la fijaci6n de nitr6geno en RhizobiUlya ban sido identificados, aUn no ha sido posible su transferencia a log cultivos (Johnston et al., 1990).

En paises en vias de desarrollo, el aislamiento y selecci6n de cepas de RhizobiUl altamente eficientes en elproceso de fijaci6n, capaces de infectar lag raices y competitivas sobre la microflora natural del suelo,conduciria a aplicar esta tecnologia en el corto plazo. Tambien deben realizarse estudios dirigidos a laselecci6n de variedades de leguminosas mas susceptibles a la simbiosis (Rolz, 1988).

Aplicaciones a la ganaderia

Las aplicaciones de la biotecnologia en este sector son muy diversas y abarcan desde la medicina animal bastala alimentaci6n, pasando por las tecnologias de reproducci6n y de los animales transgenicos.

La biotecnologia tiene aplicaciones principalmente en las siguientes areas (Rodriguez, 1988):

1. Diagn6stico, prevenci6n y control de enfermedades animales.

a. Producci6n de vacunas subunitarias mediante la tecnologia del ADN recombinante 0 peptidos sinteticos,0 por modificaci6n genetica de microorganismos.

b. Producci6n de zooterapicos, interfer6n, anticuerpos monoclonales y otros.

c. Producci6n de reactivos para diagn6stico, anticuerpos monoclonales para ELISA, radioinmunoensayo, sondag ~de acidos nucleicos, hibridaci6n y otros.

2. Hutrici6n animal y promoci6n de crecimiento

a. In6culos ruminales de bacterias y protozoarios geneticamente modificados

b. Producci6n de horlonas de creci.iento sinteticas

3. Mejoramiento genetico animal

a. Inseminaci6n artificial, sexado de semen

b. Transferencia y manipulaci6n genetica de embriones, "clonaje" embrionario, sexado de embriones, animalestransgenicos, quimeras y otros

4. Producci6n de sustancias de origen animal para uso diagn6stico, investigaci6n y terapeutica (suero fetalbovino, hormonas animales y otros)

Para una descripci6n mas amplia de lag aplicaciones de la biotecnologia en la producci6n animal, se recomiendaconsultar el trabajo presentado por el Dr. Luis Rodriguez de la Escuela de Medicina veterinaria de la UniversidadNacional, en el Seminario "Oportunidades de lag Biotecnologias Agropecuarias en America Central" (Rodriguez,1988). Aqui se presentara una visi6n muy general de las areas de aplicaci6n y log posibles impactos de labiotecnologia en el sector.

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~, Diaqn6stico, prevenci6n y control de enferledades

Diferentes enfermedades ocasionan altas perdidas en la producci6n animal, especialmente en el tr6pico. Paraalgunas de ellas no se conocen vacunas, para otras las vacunas producen efectos secundarios indeseables 0 sonpoco eficientes en producir la inmunidad deseada 0 poco estables (CUadro 4). Mediante ingenieria genetica setrabaja en la producci6n de vacunas y sistemas de diagn6stico para la prevenci6n y cuidado de la salud animal.Tambien en la obtenci6n de vacunas preventivas de enfermedades como la coccidiosis de las aves, la Pseudorrabia,la diarrea viral bovina, "newcastle" y el virus de la rinotraqueitis infecciosa bovina entre otras (Rodriguez,

1988; Quintero, 1993; Suarez de Castro, 1993).

En el campo del diagn6stico se esta aplicando la tecnologia de anticuerpos monoclonales para el desarrollo desistelas de diaqn6stico sencillos. Actualmente se colercializan en EE.UU. y Europa varios "kits" para diaqn6sticode enfermedades animales. Algunos ejemplos son: Rotavirus (Rotazyme, Abbot Labs), Leucemia felina, Leucosisbovina y Anemia infecciosa equina (Pitmann Moore Inc.), Enfermedad de Gumboro, Bronquitis infecciosa y Enfermedadde Newcastle (Orgenics, Ltd., Israel) (Rodriguez, 1988). Tambien se trabaja en enfermedades como latoxoplasmosis, que causa abortos en ovinos, y Staphylococcus aureus, que produce mastitis bovina (Masschelein

et al., 1989).

segan Rodriguez (1988), algunas de las enfermedades de importancia en Centroamerica para las cuales "kits" dediaqn6stico podrian tener buen mercado incluyen: hemoparasitos (anaplasmosis y piroplasmosis bovina yequina),Leucosis bovina, Anemia infecciosa equina, Reovirus aviar, y Coccidiosis bovina. Algunos de estos productos estanen rase de desarrollo e investigaci6n en Norteamerica y Europa; sin embargo, en esos paises no existe tantademanda como para justificar su comercializaci6n, como podria ser el caso de Centroamerica, 10 que siqnificaria

que nunca lleguen al mercado.

Hutrici6n anilal y proloci6n del creciliento

VMediante la nueva biotecnologia se estan tratando de obtener productos, basados en moleculas bio16gicasnaturales, que proluevan la nutrici6n 0 el crecimiento animal y sean inocuos al ser humano en la utilizaci6n

posterior del ganado en la cadena alimentaria (Quintero, 1993).

Recientemente sali6 al Dercado la hormona bovina del crecimiento, la samatotropina bovina 0 BST, obtenidamediante recombinaci6n del ADN que puede aumentar basta en un 30% la producci6n de las vacas lecheras con apenasun aulento del 6% en la raci6n aliaenticia. La Oficina de Administraci6n de Drogas y Alimentos de los EE.UU.ya aprob6 la venta de carne y leche de bovinos tratados con BST. Su ventaja es que, a diferencia de otrashormonas anilales tales como esteroides ( p.ej. estr6genos), la samatotropina bovina no se acumula en losanimales tratados y aparentemente no funciona en humanos. Se prob6 en casos de enanismo y no indujo crecimiento.En el desarrollo de la droga trabajaron, independiente y simultaneamente, cuatro companias (Monsanto, American

Cyanamid, Ely Lilly Y Upjohn) (Rodriguez, 1988; Suarez de Castro, 1993).

Suarez de Castro (1993) senala que, a pesar de sus efectos positivos sobre el rendimiento, ha surgido unobstaculo imprevisto para el uso de la BST en los EE.UU.. Los estados productores de leche, encabezados porMinnesota y Wisconsin, se oponen fuertemente a su uso y se hall aprobado leyes aplazando ld autorizaci6n parasu empleo. Los agricultores de ambos estados senalan que el uso de la hormona aumentaria los sobrantes de lechey perjudicaria a los pequenos productores, quienes recibirian pagos federales menores de apoyo a los precios;y precios mas bajos, significan menos fincas y de mayor tamano. Es decir, log agricultores pequenos seperjudicarian. Esta situaci6n tipifica los inesperados resultados socioecon6micos de los avances biotecnol6gicosy deben llamar a la reflexi6n sobre todo a paises en vias de desarrollo, en relaci6n al impacto futuro de la

biotecnologia sobre las economias locales.

En los ultimos anos se ban realizado esfuerzos en Investigaci6n y Desarrollo (I y D) para optimizar la~ biosintesis de aminoacidos (cepas lejoradas, tipos de cultivo, materias primas alternativas) que se ban traducido

en aumentos importantes en la productividad y en una disminuci6n de los costos. Los aminoacidos mejoran lacalidad de la proteina aportada por los insumos restantes del alimento balanceado (Rodriguez, 1988; Masschelein

-et al., 1989). \.-J

A1gunas investigaciones en el area de la nutricion animal, tambien estan siendo dirigidas bacia loslicroorganislos intestinales que participan en la digestion y absorcion de nutrientes, especialmente rumiantes.Se busca modificar geneticamente los microorganismos para que sean mas eficientes en el aprovechaliento nutritivoy aUDentar asi la productividad (Rodriquez, 1988).

Mejoraaiento genetico anilal

En esta area la inseminacion artificial es la tecnica mas difundida y aceptada. otra tecnica que ha llegado aser muy ilportante en la ultila decada es la transferencia de elbriones, la cual se usa para incrementar ladescendencia de hembras con caracteristicas valiosas, mediante la utilizacion de superovulacion y transferenciade elbriones a ladres "sustitutas". De esta manera se pueden producir basta 15 terneros hijos de una vacagenetica.ente valiosa (donadora), con un solo taro en un periodo de gestacion (9 leses). otra tecnica uti1 esla ferlizacion in vitro. Tambien ban ocurrido avances en la separacion de esperma par sexos, 10 que perliteobtener el anilal del sexo deseado (Rodriguez, 1988; Quintero, 1993).

A partir de 1980 se inicio 1a aplicacion exitosa de la ingenieria genetica en animales y se piensa en lautilizacion de anilales transgenicos como bioreactores, para la produccion de sustancias terapeuticas, dificilesde producir 0 purificar a partir de microorganismos geneticamente modificados. Par otra parte seria posibleincorporar genes gue codifiquen para la produccion de toxinas que controlen endo y ectoparasitos (Rodriguez,1988; Quintero, 1993).

AGROBIOTECJk)L(x;IAS KI rosTA RICA

La biotecnologia ha sido considerada area prioritaria en Costa Rica. Esto quedo consignado en el ProgramaNacional de Ciencia y Tecnologia del periodo 1986-1990 (Zeledon, 1988). Los objetivos definidos para esta areafueron:

- Mejorar la capacidad nacional para adaptar, desarrollar y utilizar la biotecnologia en la actividad agricola,

para incrementar rendimientos, reducir costos y diversificar la produccion bacia areas mas competitivas locale internacionallente.

- Incrementar las inversiones del sector producti vo en acti v idades de investigacion y desarrollo biotecnologico.

Desde entonces se ban realizado diversos diagnosticos del estado de la biotecnologia en el pais (Arias, 1987;Arias, 1987; Jaffe, 1988, 1991). Los recursos destinados al impulso de la lisla ban sido limitados. Para tratarde obtener fondos, elmislo programa establecio como meta evaluar y proponer la creacion de un certificado deinversion en biotecnologia, que proloviera 1a ejecucion de actividades de investigacion y desarrollo y deproyectos biotecnologicos. A la fecba, el Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnologicas(CONICIT) ofrece 1a posibilidad a la elpresa privada de obtener prestalos para investigacion en biotecnologia,pero los recursos financieros son escasos.

Como resul tado del Programa mencionado se creo la Comision Nacional de Biotecnologia (CONABIOTEC). Esta colis ionpreparo este afio, 1993, un Programa Nacional de Biotecnologia. El objetivo general dellismo es impulsar yfortalecer el desarrollo de la Biotecnologia, sus procesos, productos y servicios como un media para e1creciliento econolico, cientifico, tecnol6gico y social de Costa Rica, garantizando el usa sustentable de losrecursos con una eficiente proteccion del ambiente.

Parece entonces, que 1a posicion ante la biotecnologia en Costa Rica es clara y de ilpulso a la misma, aunquela politica biotecnologica es adD incipiente.

Diagnosticos realizados por Jaffe (1988, 1991) indican que Costa Rica ocupa un septimo lugar a nivellatinoamericano en cuanto al desarrollo de la biotecnologia, especiallente las agrobiotecno1ogias, precedido