SELECCIÓN Y MODIFICACIÓN GENÉTICA DE PLANTAS PARA FITORREMEDIACIÓN DE SUELOS Y MEDIOS ACUOSOS.
Selección y modificación genética de plantas para fitorremediación de suelos y medios acuosos.
Se ha transformado por primera vez una especie vegetal confiriéndole importantes propiedades para la fitorremediación de suelos y medios acuosos; la especie Nicotiana glauca modificada genéticamente realiza dicha fitorremediación en períodos razonables de tiempo. Se introduce el gen TaPCS1, que codifica para una proteína con función fitoquelatina sintetasa. El gen de trigo introducido presenta un nivel de expresión permanentemente incrementado. Dichas plantas de Nicotiana glauca modificada constituyen una flora generalmente resistente a la climatología y edafología propias del medio, es muy competitiva en situaciones "seudonormales" de exceso de metales y resiste muy bien el estrés hídrico y nutricional.
Dicha planta mejorada genéticamente proporciona un crecimiento más rápido y posee una mayor biomasa que las plantas silvestres; también una superior capacidad de absorción de diversos metales. Es indicada para la fitorremediación de suelos y medios acuosos.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200300857.
Solicitante: NAVARRO AVIÑO, JUAN PEDRO.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: NAVARRO AVIÑO,JUAN PEDRO.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- A01H5/00 NECESIDADES CORRIENTES DE LA VIDA. › A01 AGRICULTURA; SILVICULTURA; CRIA; CAZA; CAPTURA; PESCA. › A01H NOVEDADES VEGETALES O PROCEDIMIENTOS PARA SU OBTENCION; REPRODUCCION DE PLANTAS POR TECNICAS DE CULTIVO DE TEJIDOS. › Angiospermas,es decir, plantas con flores, caracterizadas por sus partes vegetales; Angiospermas caracterizadas de forma distinta que por su taxonomía botánica.
- B09C1/10 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B09 ELIMINACION DE DESECHOS SOLIDOS; REGENERACION DE SUELOS CONTAMINADOS. › B09C REGENERACION DE SUELOS CONTAMINADOS (máquinas para retirar piedras y similares del suelo A01B 43/00; esterilización del suelo por medio de vapor A01G 11/00; eliminación de materias indeseables, p. ej. detritos, E01H 15/00). › B09C 1/00 Regeneración de suelos contaminados. › por procedimientos microbiológicos o mediante la utilización de enzimas.
- C12N15/82 QUIMICA; METALURGIA. › C12 BIOQUIMICA; CERVEZA; BEBIDAS ALCOHOLICAS; VINO; VINAGRE; MICROBIOLOGIA; ENZIMOLOGIA; TECNICAS DE MUTACION O DE GENETICA. › C12N MICROORGANISMOS O ENZIMAS; COMPOSICIONES QUE LOS CONTIENEN; PROPAGACION, CULTIVO O CONSERVACION DE MICROORGANISMOS; TECNICAS DE MUTACION O DE INGENIERIA GENETICA; MEDIOS DE CULTIVO (medios para ensayos microbiológicos C12Q 1/00). › C12N 15/00 Técnicas de mutación o de ingeniería genética; ADN o ARN relacionado con la ingeniería genética, vectores, p. ej. plásmidos, o su aislamiento, su preparación o su purificación; Utilización de huéspedes para ello (mutantes o microorganismos modificados por ingeniería genética C12N 1/00, C12N 5/00, C12N 7/00; nuevas plantas en sí A01H; reproducción de plantas por técnicas de cultivo de tejidos A01H 4/00; nuevas razas animales en sí A01K 67/00; utilización de preparaciones medicinales que contienen material genético que es introducido en células del cuerpo humano para tratar enfermedades genéticas, terapia génica A61K 48/00; péptidos en general C07K). › para células vegetales.
- C12N9/10 C12N […] › C12N 9/00 Enzimas, p. ej. ligasas (6.); Proenzimas; Composiciones que las contienen (preparaciones para la limpieza de los dientes que contienen enzimas A61K 8/66, A61Q 11/00; preparaciones de uso médico que contienen enzimas A61K 38/43; composiciones detergentes que contienen enzimas C11D ); Procesos para preparar, activar, inhibir, separar o purificar enzimas. › Transferasas (2.) (ribonucleasas C12N 9/22).
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Fragmento de la descripción:
Selección y modificación genética de plantas para fitorremediación de suelos y medios acuosos.
Sector de la técnica
La presente invención se refiere a la puesta a punto de una Herramienta y un Método específico para la eliminación de metales y sustancias contaminantes de suelos y medios acuosos. Esta invención es de aplicación en la eliminación de metales y sustancias contaminantes de suelos y medios acuosos.
Estado de la técnica
Actualmente, el estado de la técnica provee formas alternativas de resolver el problema. Las más habituales son también las más costosas y se basan en métodos fundamentalmente químicos y físicos, como son: el confinamiento de los suelos contaminados con materiales inertes, la limpieza "in situ" con las máquinas y material químico adecuado, el almacenamiento de los suelos contaminados como residuos tóxicos en los lugares reglamentados para ello (con su correspondiente licencia), etc.
En Estados Unidos se han realizado experiencias de recuperación de suelos contaminados, utilizando plantas naturales del tipo del maíz, alfalfa, tomate, girasol, Brassica juncea, etc., y árboles principalmente sauce y chopo. La mayor parte de estas experiencias pioneras han sido realizadas por el ejército americano, movido por el deseo de recuperar suelos contaminados de los desechos metálicos que provocan las balas que se utilizan en las pruebas de tiro.
También se han realizado otro tipo de experiencias en New Jersey. Tales trabajos se han caracterizado por el desarrollo de un proceso más completo, es decir, se han analizado suelos, se han plantado los cultivos elegidos, incluso a veces se han utilizado enmendantes del suelo o sustancias quelantes. Posteriormente se han dejado crecer, y recolectar dichas plantas, para después analizar su contenido en metales. En estos dos casos, las técnicas utilizadas, han sido fundamentalmente: tratamiento de suelos contaminados, y regeneración por acumulación de metales en las plantas cultivadas. La "U.S. Environmental Protection Agency <http://www.epa.gov>", también conocida como EPA, ha sido la institución pionera en el estudio de estos procesos de fitorremediación Junto con la empresa Phytotec http://www.phytotech.com/index.html que fue la encargada de realizar el mencionado proceso de recuperación de los suelos contaminados en New Jersey. En las experiencias en las que se ha tratado de recuperar munición, como la mencionada arriba, ha participado activamente el cuerpo de ingenieros del ejército americano (Army Corps of Engineers. http://www.usace.army.mil/>).
La mencionada empresa Phytotech es una de las pioneras en todo el mundo. La empresa española ELEONOR, aplica tecnologías de biorremediación patentadas por la compañía norteamericana ECS.
Algunos ejemplos de material vegetal utilizado:
• se han utilizado árboles híbridos de chopo para extraer níquel, cadmio y zinc de suelos contaminados (Universidad de Georgia, USA, "Savannah River Ecology Laboratory").
• En el departamento de energía de Ashtabula, Ohio, se han utilizado plantas de girasol para remediación de suelos y aguas contaminados por uranio.
El estado de la técnica cristalizó en la presentación de algunas patentes que pueden ser representativas del estado de la técnica. Como por ejemplo:
• Phytorecovery of metals using seedlings. US 5,853,576 solicitada en 15 de agosto de 1997 Phytotech, Inc. (Monmouth Junction, NJ).
• Method of using pelarogonium sp. as hyperaccumulators for remediating contaminated soil US 6,313,374 solicitada en 4 de noviembre de 1988, Universidad de Guelph (Guelph, CA).
• Methods for removing pollutants from contaminated soil materials with a fern plant US 6302942, solicitada en 11 de abril de 2000, Universidad de Florida (Gainesville, FL).
Del estudio de las patentes expuestas se deduce que, fundamentalmente, su desarrollo tecnológico se ha centrado en procesos de biorremediación, sobre todo utilizando plantas hiperacumuladoras (aquellas que poseen una extraordinaria capacidad de absorción de metales, y de acumulación de su biomasa).
La fitorremediación consiste básicamente en el uso de plantas o de material vegetal, para descontaminar suelos con elevadas concentraciones de elementos nocivos. Recientemente se realizado una revisión acerca del tema por dos investigadores españoles, Garbisu, C.; Alkorta I. Phytoextraction a cost-effective plant-based technology for the removal of metals from the environment. Bioresource Technology, 77: 229-236, (2001).
Un par de referencias clave, por la importancia como precedente de los presentes trabajos realizados por el solicitante en fitorremediación son las siguientes:
- Chaney, R.L., Malik, M., Li, Y. M., Brown, S.L., Brewer, E.P., Angle, J.S., Baker, A.J.M., Phytoremediation of soil metals. Current Opinion in Biotechnology. 8: 279-284, (1997).
- Salt, D.E., Smith, R.D., Raskin, I. Phytoremediation. Annual Review of Plant Phy siology and Plant Molecular Biology. 49: 643-668, (1998).
Constituyen también precedentes los trabajos realizados con maíz y ambrosía que son dos especies que acumulan plomo. (Huang, J.W., Cunningham, S.D., Lead phytoextraction: species variation in lead uptake and translocation. New Phytologist. 1996, 134(1): 75-84. En cuanto al cadmio, Salix vinrinalis, Thlaspi caerulescens y Alyssum murale parecen ser las mejores especies según Greger M., Landberg T.: Use of Willow in Phytoextraction. International Journal of Phytoremediation, 1(2): 115-123, (1999).
En lo que se refiere a la biología molecular de absorción de metales, fundamentalmente se han trabajado las plantas del género de Brassica, y dentro de éste especialmente Brassica juncea. En estas plantas se han realizado transformaciones genéticas mediante técnicas de biotecnología. También se han realizado en otro tipo de variedades vegetales como chopo (Populus nigra) y por supuesto en Arabidopsis.
En cuanto a los genes que se han utilizado para descontaminar metales pesados, cabe distinguir básicamente tres familias: metalotioninas, fitoquelatinas, y genes que regulan los procesos de oxidación-reducción. Se debe destacar el trabajo pionero realizado con genes bacterianos especializados en la absorción de mercurio, que marcó un hito en este campo: Rugh, C.L., Wilde, H.D., Stack, N.M., Thompson, D.M., Summers, A.O., Meagher, R.B.: Mercuric ion reduction and resistance in transgenic Arabidopsis thaliana plants expressing a modified bacterial merA gene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 93: 3182-3187, (1996). Este trabajo es interesante porque es de los avances pioneros en la utilización de genes que son capaces de incrementar la acumulación de metales en bacterias y plantas. Aunque en su crítica hay que decir que la volatilización aunque sea diluida no puede plantearse como un medio útil de descontaminación.
Los trabajos más importantes en este campo, aparte del anterior mencionado, han sido los realizados por Schroeder, Rea, y Therry. Schroeder estudió por primera vez la enzima producida por el gen TaPCS1, que es una fitoquelatina de trigo, Clemens S., Eugene J. Kim, Neumann D., Schroeder J.I.: Tolerance to toxic metals by a gene family of phytochelatin synthases from plants and yeast. EMBO Journal, 18 (12): 3325-3333, (1999). A. Rea clonó la fitoquelatina homologa de Arabidopsis, Vatamaniuk, G.K., Mari, S., Yu-Ping Lu, Rea, P.A.: AtPCS1, a phytochelatin synthase from Arabidopsis: isolation and in vitro reconstitution. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 96: 7110-7115, (1999). Norman Terry transformó la Brassica juncea con genes que incrementan la absorción de metales, Zhu, Y.L., Pilon E.A.H., Tarun, A.S., Weber S.U., Jouanin L., Norman T.: Cadmium Tolerance and Accumulation in Indian Mustard Is Enhanced by Overexpressing γ-Glutamylcysteine Synthetase. Plant Physiology, 121: 1169-1177, (1999).
Sin embargo, aunque los trabajos realizados indican en principio la posibilidad de absorber metales con diferentes especies de plantas, éstas adolecen de la limitación que las plantas que absorben metales hasta un contenido específico alto de metales (plantas hiperacumuladoras), no obstante, presentan una baja biomasa con lo cual la cantidad total de metal absorbido por individuo es baja.
...
Reivindicaciones:
1. Una planta modificada genéticamente para la fitorremediación de suelos terrestres y medios acuosos contaminados con metales pesados siendo dichos metales contaminantes, cadmio, litio, arsénico, cobre, cromo, plata, zinc, plomo, mercurio, níquel, cobalto, estaño, rutenio, rodio, iridio, polonio, cesio, boro, osmio, niobio, tantalio, oro, antimonio, bismuto, indio, escandio, titanio, zirconio, platino, tecnecio, renio, lantánidos y actínidos, caracterizada por que para su modificación se elige la planta Nicotiana glauca y se introduce el gen TaPCS1, que codifica para una proteína con función fitoquelatina sintetasa.
2. Procedimiento de modificación genética de una planta de Nicotiana glauca de la reivindicación 1, caracterizado por que el gen TaPCS1 se introduce del modo siguiente
3. Planta de la especie Nicotiana glauca modificada genéticamente mediante la introducción del gen de trigo TaPCS1 según la reivindicación 2 que se usa para la fitorremediación de suelos terrestres y medios acuosos contaminados con metales.
4. Procedimiento para la fitorremediación de suelos terrestres y medios acuosos, contaminados con metales que emplea la especie Nicotiana glauca modificada genéticamente según la reivindicación 2 para la absorción de los metales cadmio, litio, arsénico, cobre, cromo, plata, zinc, plomo, mercurio, níquel, cobalto, estaño, rutenio, rodio, iridio, polonio, cesio, boro, osmio, niobio, tantalio, oro, antimonio, bismuto, indio, escandio, titanio, zirconio, platino, tecnecio, renio, lantánidos y actínidos.
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