Jill Banfield, científica del entorno de la Universidad de California en Berkeley y becaria de la Fundación MacArthur en 1999, sintió curiosidad en 2006 por unas misteriosas secuencias de ADN que se repiten y que son comunes en los microbios que habitan en algunos de los ecosistemas más extremos del planeta, como las fumarolas de las profundidades marinas, las minas de ácido y los géiseres. 

Solo necesitaba a un bioquímico que le ayudara a explicar qué eran las secuencias conocidas como Crispr/Cas9, y que en la medida de lo posible, fuera alguien local. 

La mejor herramienta para localizar a científicos de la que disponía esta condecorada investigadora de doctorado, una búsqueda en internet, le sugirió a una especialista en ARN de Berkeley llamada Jennifer Doudna. Ambas quedaron para tomar un té en una cafetería del campus.

Doudna no había oído hablar de las Crispr, una especie de sistema inmunitario microbiano, y aquello le resultó intrigante. Tanto fue así que en los años siguientes llegaría a resolver la estructura de la secuencia, que resultó ser una especie de herramienta milagrosa para cortar y pegar ADN.

Este descubrimiento abrió una nueva era de la genómica que está revolucionando la ciencia y múltiples sectores y que le valió a Doudna la mitad del Premio Nobel de Química de 2020. 

Una nueva forma de estudiar los ecosistemas

Ahora, 15 años después de su primer encuentro, Banfield, Doudna y un amplio equipo de coautores han publicado un artículo que da un paso importante para resolver el espinoso problema sobre cómo estudiar y alterar los genomas de los microbios que habitan en ecosistemas complejos del mundo real, como el microbioma intestinal o el edáfico. 

La complejidad de las comunidades microbianas ha supuesto un gran obstáculo a la hora de descubrir tecnologías que puedan prevenir enfermedades y mejorar la agricultura. Es un paso fundamental para frenar el metano, un gas de efecto invernadero nocivo que se emite durante la producción de arroz. 

Este proyecto forma parte del Instituto de Genómica Innovadora, un consorcio fundado por Doudna para desarrollar usos de las Crispr y otras técnicas de ingeniería genética para resolver problemas de salud, de producción de alimentos y otros usos. 

El pasado mes de julio, el IGI recibió una donación de 3 millones de dólares de un donante anónimo para proseguir con el trabajo sobre el clima, y la investigación de Banfield sobre los ecosistemas microbianos es fundamental para ese impulso.  

El «ecosistema edáfico es el más difícil de estudiar del planeta», afirma Banfield. «Es el más complejo. Era realmente el Santo Grial para poder obtener alguna información sobre las comunidades microbianas edáficas». 

Gran parte del trabajo del IGI sobre el clima se centra en la ciencia del arroz, principal fuente de calorías para más de la mitad del planeta. 

Más allá del problema fundamental de asegurar que la gente tenga suficiente arroz, este cereal también representa un importante desafío climático. El cultivo se realiza en campos inundados. El agua reduce el oxígeno del suelo, lo que permite que prosperen los microbios productores de metano. La producción de arroz es responsable de hasta 34 millones de toneladas de metano al año, lo que supone un 2 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero. China e India suponen la mitad de ese total.  

Los campos de arroz son como chimeneas para el metano de los suelos, y para acabar con esas emisiones, los científicos tienen que entender en primer lugar los microbios.

El problema es que cultivar comunidades microbianas y manipularlas en un laboratorio con herramientas tradicionales «puede llevar años o acabar en un completo fracaso», aseguran los autores del IGI. En su nuevo trabajo demuestran que el uso de un sistema basado en las Crispr puede «acelerar este proceso a unas semanas». 

Para cerrar la válvula del metano en el arroz podría ser necesario realizar algunas modificaciones, bien en las propias plantas o bien en la red microbiana en la que crecen las raíces. Las soluciones de ingeniería podrían ir desde la introducción de microbios capaces de consumir metano en condiciones de falta de oxígeno hasta la eliminación total de determinados organismos de los suelos, del mismo modo que los antibióticos matan las bacterias causantes de enfermedades. 

«Todo esto hoy por hoy son meras ideas novedosas y sin prejuicios», afirma Banfield. «En primer lugar queremos entender las piezas y saber cómo encajan». 

Por qué el arroz

Pamela Ronald es una profesora de la Universidad de California en Davis que lleva toda su carrera estudiando el arroz y ha escrito un libro sobre el futuro de los alimentos. Hace más de una década, ella y un compañero identificaron el gen utilizado para desarrollar el arroz que tolera las inundaciones y que actualmente cultivan más de 6 millones de agricultores en India y Bangladesh. 

Existen más de 130.000 tipos de arroz. En esos genomas se pueden esconder habilidades evolutivas que los científicos podrían injertar en las variedades agrícolas, para mejorar la resistencia al calor, la capacidad nutricional o la prevención de enfermedades. El laboratorio de Ronald está buscando cambios que, combinados con las comunidades microbianas de Banfield, podrían llevar a unos cultivos con menos emisiones.

Un reto aún mayor se presenta en el tracto digestivo del ganado vacuno y otros rumiantes, responsables de más del 5 por ciento de las emisiones mundiales. 

Mientras que Banfield, Ronald, Doudna y otros investigadores diseñan genéticamente nuevas posibilidades, el sector agrícola tiene muchas opciones para reducir las emisiones. 

Cultivar más arroz en la misma superficie reduce las emisiones; cada 1 por ciento de aumento en el rendimiento también reduce las emisiones de metano en aproximadamente un 1 por ciento. Inundar los campos de arroz con menos frecuencia puede reducir las emisiones hasta la mitad. Los agricultores que pueden controlar fácilmente el flujo de agua a los campos han descubierto que alternar períodos húmedos y secos durante la temporada de cultivo puede reducir mucho más las emisiones. (Los periodos secos pueden provocar más emisiones de óxido nitroso, otro potente gas de efecto invernadero). 

Otras técnicas prometedoras son la reutilización de la paja del arroz en los campos fuera de temporada y la siembra de campos con biocarbón, una especie de carbón vegetal, para fomentar un mayor almacenamiento de carbono en el suelo.  

Timothy Searchinger, investigador principal del Centro de Investigación Política sobre Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Princeton, se congratula de los avances hacia nuevos y ambiciosos descubrimientos en materia de ingeniería genética en combinación con técnicas probadas en el mundo real, tema de un documento político que publicó en noviembre. 

«Este es un reto totalmente pragmático», afirma. «¿Cómo hacemos para que estas cosas pasen en la realidad?» ¿Cuáles son los incentivos para lograrlo? Las dificultades prácticas son reales, pero eso no quiere decir que no se puedan sortear». 

Con las Crispr llega la promesa de que las dificultades prácticas se pueden sortear a nivel molecular. Tal vez incluso con un té