XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA DE PROYECTOS LUGO, 26-28 Septiembre, 2007 EL LABORATORIO DE GENOMICA Y PROTEOMICA “LabGem” SELCO MC-UMU A. Muñoz Luna, G. Ramis Vidal (1), F.J. Pallarés Martínez (2), J. Martínez-Almela (p), J.Barrera Marzá, M.Lorenzo Navarro, B.Olucha Soler (3) (1). Dpto. Producción Animal, Facultad de Veterinaria, Universidad de Murcia. (2). Dpto. Anatomía y Anatomía Patológica Comparadas, Facultad de Veterinaria, Universidad de Murcia. (3). SELCO MC, Servicios Avanzados de Ingeniería. Castellón. Resumen La trazabilidad de animales como origen de alimentos se había realizado usando elementos de identificación físicos como los crotales o microchips, los cuales permitían la identificación de las canales en los mataderos y salas de despiece y por tanto, en base a los registros informáticos existentes en las explotaciones, trazar los principales eventos ocurridos durante la vida del animal. Sin embargo, estos métodos presentan muchas limitaciones. Hoy, y desde finales de los años 80 del siglo XX, se ha desarrollado plenamente la trazabilidad molecular que usa como elemento de trabajo el ADN de los animales. La principal ventaja es que esta molécula permanece inmutable a lo largo de todo el proceso productivo. El trabajo pretende informar acerca del desarrollo y avances en genómica y proteómica que el Laboratorio conjunto de SELCO MC y la Universidad de Murcia pusieron en marcha en Enero de 2006 en las instalaciones de la Granja Docente de la Facultad de Veterinaria, especialmente en el desarrollo de identificadores moleculares vía ADN que permiten identificar de manera inequívoca la genética, condiciones de cría y salubridad, el estrés y la calidad intrínseca pre y post mortem de los animales, de tal forma que se pueda ofrecer al mercado productos totalmente fiables en base a criterios de trazabilidad total. Así, se integran la cadena de producción y los retos actuales del sector ganadero: seguridad alimentaria, sanidad y bienestar animal y protección del medioambiente, todo ello de forma sostenible y rentable. Palabras clave: biología molecular, microsatélites, QTL, marcadores moleculares, PCR Abstract The traceability of animals as origin of meat has been classically done using physical devices such as eartags or microchips, allowing the identification of the carcasses in slaughterhouses and quartering rooms. These methods, supported by electronic records, allowed tracing the life of the animals. However, these devices show very important limitations. Today, and since the later 80’s of 20th century, has been fully developed the molecular traceability, using as identification tool the DNA; an immutable element over the productive process. This work will inform about the development and advances in Genomic and Proteomic that the Laboratory of SELCO MC and the University of Murcia together set in motion in January of 2006 in the installations of the Educational Farm of the Faculty of Veterinary, especially in the development of molecular identifiers by DNA that permit to identify in an unmistakable 47 way the genetics, the conditions of farming and welfare, stress and the quality pre and post mortem of the animals, in such a way that it can be offered to market totally reliable products in base to criteria of total traceability. Thus, they are integrated in the production line and the present challenges of the stockbreeding sector: food security, health and animal welfare and protection of the environment, all it of profitable and sustainable form. Keywords: molecular biology, microsatellites, QTL’s, molecular markers 1. Introducción Desde hace algunas décadas, el consumidor, sobre todo el del primer mundo, ha impuesto ciertas demandas sobre el tipo de carne que quiere consumir y por tanto ha marcado las tendencias en el desarrollo de ciertas técnicas en zootécnia. Una de esta demandas psicosociológicas es la TRAZABILIDAD. El consumidor quiere saber en todo momento el origen de los alimentos que consume, como ha transcurrido el proceso productivo desde el nacimiento del animal hasta su sacrificio y despiece y que se han cumplido ciertas normas de bienestar, de protección del medioambiente y por supuesto de seguridad alimentaria. Esta demanda impulsó el desarrollo de técnicas que permitieran ofrecerle al consumidor toda esta información y así en los años ’80 y ’90 se desarrollaron programas de trazabilidad basados en la identificación física del animal –primero con crotales y posteriormente con microchips- y que nos permitieran acudir a los registro informáticos de los eventos acaecidos durante el periodo productivo y así poder informar sobre la duración del proceso, los sistemas de producción usados, la adición de antibióticos e incluso todos los hechos que rodean al sacrificio y despiece de las canales. Sin embargo hoy se impone desarrollar modelos de TRAZABILIDAD TOTAL; no solo ofreciendo al consumidor la información que demanda sino también ofreciendo herramientas al productor y al industrial transformador para mejorar sus productos y así asegurar una calidad que los mantendrá activos en la guerra de valores que actualmente se desarrolla en el sector de producción de alimentos de origen animal. Una de las herramientas fundamentales en estos modelos es la trazabilidad molecular con diversas utilidades que se exponen en el presente trabajo. 2. Objetivos Los objetivos de presente trabajo son los siguientes: A) El desarrollo e identificación de una serie de herramientas (microsatélites) basadas en el material genético de cada especie animal y puestas a disposición del productor (ganadero), del industrial transformador (matadero-despiece), del compradordistribuidor, de las administraciones competentes en la materia (inspección y control reglamentaria) y del cliente final (consumidor); B) Que la puesta a disposición de dichas herramientas a los usuarios descritos sea viable económicamente y la aplicación técnica sea lo más sencilla posible; y C) Que sea una herramienta integradora e inequívoca para el desarrollo de un modelo de Trazabilidad Total donde se identifiquen molecularmente: i.1. Identificación paternal y racial genérica; i.2. Identificación racial específica; i.3. Identificación de genes indeseables; 48 La selección mediante estos marcadores genéticos basada en la genética molecular como elemento inviolable de garantía de trazabilidad sanitaria permitirá garantizar los alimentos de origen animal desde cinco perspectivas: ii.1. Sanidad animal: determinación de presencia de genoma de distintos patógenos, ii.2. Seguridad alimentaria: identificación de presencia tanto en carnes frescas como en productos elaborados de gérmenes indeseables y sus implicaciones con la salud humana y seguridad alimentaria; ii.3. Presencia de alimentos genéticamente modificados; ii.4. Determinación objetiva del estrés y bienestar animal, con sus implicaciones normativas, éticas y de calidad; ii.5. Determinación del origen y de las condiciones de cría y por ende del potencial impacto ambiental que un determinado estado de estrés/bienestar haya podido producir durante el ciclo de reproducción, cría, engorde, transporte y sacrificio. 3. Materiales y Métodos El presente Proyecto forma parte del “Proyecto Nuevo Orden Zootécnico” de SELCO MC que en colaboración con el Dpto. de Producción Animal y la Granja Docente de la Facultad de Veterinaria de la Universidad de Murcia, vienen desarrollando desde el año 2.000 como evolución al “Proyecto Visión Global” desarrollado entre los años 1.995 y 2.000 y cuyos trabajos y resultados fueron presentados en los Congresos de Lleida (2.000), Murcia (2001), Barcelona (2002), y Pamplona (2003). SELCO MC dotó y equipó al Amparo de la Ley de Mecenazgo vigente un moderno Laboratorio de Genómica y Proteómica en las propias instalaciones del edificio principal de la Granja Docente (Guadalupe, Campus de Espinardo, Murcia), donde desde el año 2.000 se encuentra funcionando la Unidad Central de Tratamiento de Residuos que procesa y valoriza con las tecnologías y patentes SELCO MC los purines y estiércoles de las más de 15.000 cabezas permanentes de diferentes especies de abasto que a la fecha se crían y engordan con fines científicos y académicos en dicha Granja Docente (caudal de tratamiento anual equivalente a 45.000 m3 de purines). Los materiales con los que está dotado el Laboratorio son a nivel genérico los siguientes: • Equipos de PCR, para la identificación de virus y bacterias, mediante RFLP y AFLP, obtención de muestras y tipificación y análisis de microsatélites para la identificación genómica de individuos, su trazabilidad, test de paternidad y selección genómica; • Equipos Real Time-PCR, para la identificación de patógenos en tiempo real (mayor velocidad de desarrollo que PCR clásico), cuantificación de virus y bacterias y detección de mutaciones en un solo nucleótido (SNP); • Equipos ELISA (Enzime Linked Immunosorbent Assay), para el diagnóstico serológico y de proteínas de fase aguda (FFA); • Espectrofotometría: para el diagnóstico clínico-analítico de PFA, sangre, bioquímica y presencia de compuestos implicados en olor sexual (androsterona y escatol); Los métodos a validar y desarrollar las herramientas de trazabilidad molecular son asimismo los siguientes: 49 3.1. Identificación paternal y racial genérica: La identificación de individuos en base a su ADN se ha desarrollado notablemente en las últimas décadas, tanto en medicina forense humana como en veterinaria. Existen diversas técnicas de identificación paternal tales como el polimorfismo de tamaño en los fragmentos de restricción (Restriction Fragment Length Polymorphism; RFLP), la amplificación aleatoria de ADN polimórfico (Random Amplification of Polymorphic DNA; RAPD), la técnica combinada de reacción en cadena de la polimerasa (Polymerase Chain Reaction; PCR) y RFLP (PCR-RFLP), los minisatélites y los microsatélites. Entre ellas la que más eficacia ha demostrado hoy en día es la determinación de microsatélites por las siguientes razones: • Polimorfismo muy elevado • Gran número de loci • Herencia mendeliana codominante • Interpretación sencilla de resultados • Reproductibilidad muy alta • Posibilidades de automatización Los microsatélites son secuencias repetidas (entre 2 y 10 nucleótidos) en el genoma del animal, con secuencias conservadas a ambos lados lo que permite desarrollar técnicas de PCR para amplificarlos. Cada individuo tiene un número de repeticiones determinada de cada microsatélites, teniendo en cuenta que cada loci tiene dos alelos y uno se habrá heredado de la madre y otro del padre. Por tanto, conociendo el perfil de microsatélites de uno o ambos progenitores podremos determinar la paternidad. Su uso en veterinaria, y en el marco de la trazabilidad molecular, es concreto: • Identificación del origen del animal (trazabilidad hacia el consumidor) • Asegurar la genealogía de los animales en programas de selección genética (trazabilidad hacia el productor e industrial transformador) • Identificación de especies para evitar fraudes alimentarios (trazabilidad hacia el consumidor y el industrial transformador) La determinación del perfil de microsatélites de un individuo se puede realizar mediante diversas técnicas laboratoriales, como son la PCR con electroforesis en geles de acrilamida o en geles de agarosa, aunque hoy el desarrollo de secuenciadores automáticos ha llevado al análisis de fragmentos a ser la que más perspectivas de futuro tiene. Esta técnica se basa en el uso de cebadores marcados fluorescentemente para la realización de una PCR y posteriormente el secuenciado en un secuenciador automático. Esto permite, usando dos parámetros: tamaño del fragmento y luz fluorescente emitida, realizar numerosas reacciones simultáneamente y por tanto a disminuir el coste de esta técnica de identificación. El resultado de dichas técnicas se muestra como un electroforegrama comparado con el patrón de tamaño, como se muestra en la figura 1.Tras la secuenciación se aplican diversas herramientas de bioinformática para comparar estos fragmentos amplificados con un estándar de tamaño (Figura 2). 50 Figura 1. Electroforegrama para microsatélites Figura 2. Estándar de tamaño para secuenciación automática de Microsatélites (LIZ 500, Apllied Byosistems, USA) En la figura anterior se aprecia como dependiendo del número de repeticiones del microsatélite el pico ofrecido por el secuenciador es más alto, y al compararlos con el patrón de tamaño que muestra la figura 2 se puede determinar el número de repeticiones que tiene ese genoma para ese microsatélite en concreto. Se han identificado microsatélites en numerosas especies de abasto, algunas de las cuales aparecen en la tabla 1: Mamíferos Cerdo Vaca Oveja Cabra Aves Pollo Pavo Faisán Peces Salmón Trucha Lubina Dorada Rodaballo Atún Lenguado Tabla 1: Algunas especies de abasto con microsatélites identificados. 51 Una de las especies en las que esta técnica está más desarrollada es en el porcino. La primera referencia a un microsatélite en esta especie data de principio de los años 90 [1] y actualmente se han identificado más de 2.000 microsatélites en el genoma del cerdo, lo que ha llevado a la FAO a proponer un panel con 27 microsatélites para la identificación paternal y racial de cerdos (www.toulouse.inra.fr/lgc/pig/panel.htm). 3.2. Identificación racial específica: Otro de los usos de la trazabilidad molecular es la identificación de la raza de la que procede el producto cárnico ofrecido. La razón fundamental es el desarrollo que han tenido en los últimos años producciones de altísima calidad, que antes eran minoritarias, como es el cerdo ibérico o la ternera Wagyu. Dada la diferencia en el precio final de estos productos, tanto consumidores como empresarios de hostelería quieren tener la certeza de que el producto ofrecido por el distribuidor pertenece a dichas razas. Se han hecho numerosas experiencias en todo el mundo tratando de establecer diferencias en los patrones de microsatélites en cada una de las razas. Mediante esta técnica y aplicando métodos estadísticos se ha podido llegar a la conclusión de que algunos de los microsatélites utilizados en identificación individual pueden servir para diferenciar razas, al menos en el porcino. En los últimos años se han realizado numerosos trabajos tratando de establecer distintos patrones de microsatélites para cada una de las razas porcinas, y de casi todos ellos se desprende que es posible diferenciar las razas usando esta tecnología. Un ejemplo, realizado en Europa consistió en comparar 11 razas de cerdos distintas mediante el panel propuesto por la FAO, y la conclusión a la que se llega es que, excepto razas filogenéticamente muy próximas como puede ser el Landrace Danés y el Landrace Sueco, se puede utilizar esta tecnología para determinar que raza intervino en la obtención de un producto cárnico concreto [2] Esta tecnología se aplica incluso en especies de compañía como pueden ser los perros o los caballos. 3.3. Identificación de genes indeseables: La presencia de mutaciones en determinados genes puede producir alteraciones de la calidad tecnológica y sensorial de la carne. Dos ejemplos claros lo ofrece el cerdo: • Una mutación puntual en el gen del receptor Ryanodine (Ryr 1) puede llevar a la aparición del fenómeno conocido como carne PSE (Pale, soft and exudative: carne pálida, blanda y exudativa) que conlleva una pérdida de calidad sensorial para el producto en fresco y una pérdida de calidad tecnológica para el procesado en chacinería de esa carne [3]. Hoy se puede determinar la presencia de esa mutación tanto por PCRRFLP (figura 3) [4] como mediante técnicas de PCR en tiempo real [5]. Hoy en día la selección o no de la presencia de la mutación es una cuestión de elegir entre alta producción o alta calidad [6]. La determinación alélica se puede realizar tanto a partir de muestras de sangre como a partir de muestras de músculo. 52 Sangre Músculo Figura 3. Determinación alélica del gen Ryr 1 en el cerdo. PCR y posterior digestión con la enzima BsiHAI. La presencia de cuatro bandas indica heterocigosis, la presencia de dos homocigosis dominante y la presencia de tres homocigosis recesiva. Fuente: Laboratorio SELCO MC de Genómica de la Facultad de Veterinaria de la Universidad de Murcia • Gen Rendimiento NAPOLE (RN): Se trata de un gen [7] que determina la aparición en la carne de cerdo del fenómeno denominado “carne DFD” (Dark, firm and dry: carne oscura, dura y seca). Los efectos de dicho gen sobre la calidad de la carne se han documentado ampliamente [8-9]. Se puede determinar su presencia y hacer incluso determinación alélica mediante las mismas técnicas anteriormente descritas. 3.4. Selección mediante marcadores genéticos: Hasta hace pocas décadas, la selección genética en ganadería se realizaba mediante genética cuantitativa: obteniendo información sobre los caracteres productivos de animales emparentados con los candidatos a futuros reproductores (ascendientes o descendientes) se configuraba, usando metodología estadística, un índice de selección indicándonos el valor genético del animal. Hoy se ha dado un paso hacia delante con el uso de selección asistida por marcadores genéticos. Actualmente, se sabe que una parte muy significativa de la varianza fenotípica para dichos caracteres viene explicada por la existencia de un número reducido de genes o loci con un efecto cuantitativo detectable (quantitative trait loci o QTL). Este método consiste en obtener registros fenotípicos del producto comercial del cruce de dos razas de interés, procediendo asimismo a genotiparlos para una batería de microsatélites. Posteriormente, usando regresiones se determina sin hay asociación entre el polimorfismo de alguno de los microsatélites analizados y los valores cuantitativos obtenidos para los caracteres productivos. En el caso de que exista una asociación significativa, se considera que en la vecindad del microsatélite existe un QTL. El paso siguiente consiste en identificar el gen/genes que afectan de forma significativa al carácter estudiado. Este proceso es muy costoso, ya que los QTL suelen abarcar regiones genómicas de gran tamaño. Por ello, aunque se han publicado numerosos trabajos sobre QTL, en muy pocos casos se ha llegado a identificar el gen responsable. Es posible que el proyecto de secuenciación del genoma del cerdo contribuya a resolver este problema mediante la identificación precisa del catálogo de genes que caracterizan a dicha especie. [10]. En porcino se han descrito numerosos QTL, pero incluso para el mismo carácter distintos autores describen distintos QTL lo que indica que estos caracteres son propios de una población y que por tanto el desarrollo de programas de selección basados en esta tecnología será específico de cada estructura productiva. 53 Se han descrito QTL para distintos caracteres de la canal como el engrasamiento [11] e incluso el perfil de ácidos grasos. 4.- Resultados y discusión: La genética molecular como trazabilidad sanitaria, alimentaria y ambiental: Tal vez la mayor utilidad de la genética molecular en el sector de los alimentos de origen animal es la ayuda en la trazabilidad sanitaria, que integra tres aspectos sustanciales de un Sistema de Trazabilidad Total: • Sanidad animal: se puede determinar la presencia de genoma de distintos patógenos en muestras biológicas (suero, tejidos, heces, etc.), pudiendo ser de ayuda en los diagnósticos de enfermedades que afecten a los animales. La técnica más utilizada es la PCR (Figura 4), aunque cada vez más se utiliza la técnica de PCR en tiempo real. Mientras que la primera es cualitativa, la segunda es cuantitativa lo que nos permite cuantificar, por ejemplo, el número de partículas víricas presentes por cantidad de tejido. 701 PCV2 298 PRRS Figura 4: PCR clásico para la determinación de dos patógenos porcinos; circovirus porcino tipo 2 y virus del síndrome reproductivo y respiratorio porcino. Fuente: Laboratorio SELCO MC de Genómica de la Facultad de Veterinaria de la Universidad de Murcia • Seguridad alimentaria: igualmente, estas técnicas nos permiten determinar la presencia, tanto en carne fresca como en productos elaborados, de gérmenes indeseables y con implicaciones en salud humana y seguridad alimentaria tales como Escherichia coli O157, Salmonella spp., Brucella spp. o virus como el de la influencia aviaria H5N1. • Presencia en los alimentos de organismos genéticamente modificados: Desde finales del siglo XX se han generado numerosos alimentos genéticamente modificados (“transgénicos”) que han tenido un impacto notable en la opinión pública. También es posible determinar la presencia de este tipo de alimentos (especialmente en lo que se refiere a la soja y el maíz) mediante técnicas de PCR en tiempo real. 5. Conclusiones • Seguridad alimentaria y protección ambiental: sostenibilidad 54 La moderna producción animal es un negocio sumamente complejo y la gestión de sus productos (producto terminado en forma de proteína, sea esta carne, huevos, leche y/ o pescado junto con la implicación de sus residuos como subproductos) precisan de alternativas eficaces en funcionamiento y asumibles económicamente para la gestión de los residuos líquidos, sólidos y cadáveres y sus implicaciones en la protección ambiental, el bienestar animal y la calidad intrínseca del producto final (carne, huevos, leche, pescado) puesto a disposición del mercado en términos de sanidad y seguridad alimentaria (13). La propuesta de un determinado modelo de gestión debe suponer un avance indudable en las tecnologías tanto de producción de la corriente principal (carne, huevos, leche y pescado) como de gestión de purines, estiércoles, cadáveres y otros residuos animales, evidenciando la estrecha interrelación entre producción, sanidad y bienestar animal, seguridad alimentaria y bonanza ambiental (14). • Internalización de costes ambientales: el reto de la zootecnia en el siglo XXI La utilización de una o alguna de las herramientas de genética molecular expuestas como base para la autentificación de un Sistema de Trazabilidad Total supone poner a disposición del mercado y de la sociedad en general de un sistema único intrínseca y extrínsecamente no falseable al utilizar como base de la trazabilidad el propio material genético de cada especie (15). El llamado “Nuevo Orden Zootécnico” (16) precisa introducir, sin ambigüedades, el concepto de sostenibilidad desde las distintas administraciones, con criterios claros y personal cualificado que pueda interpretar una legislación que debería ser flexible y dinámica, capaz de adoptar el criterio de “múltiples situaciones = múltiples soluciones” a los diferentes escenarios medioambientales y a su implicación directa sobre la calidad y seguridad del producto final puesto a disposición del mercado. • La Trazabilidad Molecular como herramienta diferencial para superar los retos de la producción animal sostenible: Cualquier sistema de producción de alimentos de origen animal que persigue el modelo “de la granja a la mesa” necesita hoy día de nuevas herramientas, algunas de ellas muy alejadas del perfil profesional y conocimientos del veterinario y/o productor-granjero convencional o tradicional (17). Resulta fundamental para el futuro de los modelos sostenibles de producción de proteína de origen animal (carne, huevo, leche y pescado) ampliar los niveles de cooperación con otros profesionales y otras áreas del conocimiento, hoy en día imprescindibles para hacer eficiente y sostenible la producción de alimentos de origen animal. Los resultados de la investigación y aplicación a escala real en el conocimiento, desarrollo y aplicación de herramientas e instrumentos de trazabilidad molecular en zootecnia (18a) permitirán identificar de manera inequívoca la genética, las condiciones de cría y de salubridad, el estrés y la calidad intrínseca pre y post mortem de los animales de abasto, de tal forma que los productores puedan ofrecer al mercado productos totalmente fiables y diferenciados en base a criterios de Trazabilidad Total (18b). Así se integra toda la cadena de producción y los retos actuales del sector: seguridad alimentaria, sanidad y bienestar animal y protección del medioambiente y todo ello de forma sostenible. Referencias (1) Wintero AK, Fredholm M and Thomsen PD. (1992) “Variable (dG-dT)n·(dC-dA)n sequences in the porcine genome”, Genomics, Vol. 12, pp.281-288. 55 (2) Laval G, Iannucelli N, Legault C, Milan D, Groenen MAM, Giuffra E, Andersson L, Nisse PH, Jorgesen CB, Beeckmann P, Geldermann H, Foulley JL, Chevalet C, Ollivier L. (2000), “Genetic diversity of eleven European pig breeds”. Genetic Selection and Evolution. Vol. 32, pp. 187-203 (3) Fujii J, Otsu K, Korzat F, de León S, Khanna VK, Weiler JE. (1991), “Identification of a mutation in porcine ryanodine receptor associated with malignant hypertermia”. Science. Vol 253, pp. 448-451 (4) Vögeli P, Bolt R, Fries R and Stranzinger G. 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XII Congresso da Abraves. 04-07 Octubre. Fortaleza (Ceará) Brasil. Correspondencia (Para más información contacte con): (1 y 2) Grupo de Investigación “Cría y Salud del Ganado Porcino”: Prof. Dr. ANTONIO MUÑOZ LUNA, DEPARTAMENTO DE PRODUCCIÓN ANIMAL, FACULTAD DE VETERINARIA, UNIVERSIDAD DE MURCIA, Campus de Espinardo 30100 Espinardo, Murcia, Spain Phone: +34 968 36 47 49 Fax: + 34 968 36 41 47 E-mail: [email protected] (3) Área de Desarrollo de Nuevas Tecnologías, D. JESUS MARTINEZ-ALMELA, SELCO MC, Servicios Avanzados de Ingeniería, Plaza de Tetuan, 16, 12001 Castellón, Spain Phone: +34 96 425 44 43 Fax: 96 425 65 12 E-mail: [email protected] URL: http://www.selco.net 57