Diseñando Insectos

Diseñando Insectos
Por Thomas A. Miller
Un artículo original de ActionBioscience.org (10/2004)
Puntos principales del artículo
La mayor parte de la investigación en la transgénica se encuentra aún en una
etapa temprana de su desarrollo. Aún así, debemos discutir los temas importantes
que rodean al uso de los insectos transgénicos:
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Su impacto en el medio ambiente.
El riesgo potencial a la salud de la gente.
Un organismo transgénico es cualquier criatura viviente, tal como una bacteria,
una planta o un animal, que ha recibido un gen foráneo por medio de la ingeniería
genética. Existen muchos usos para los organismos transgénicos en el campo de
la salud y de la alimentación. Por ejemplo, los científicos han desarrollado varios
tipos de gusano de la seda que pueden producir fibras de dureza industrial, fibras
que brillan en la oscuridad o que pueden hacer seda con proteínas humanas.
Pronto podremos ver a un mosquito diseñado para que no pueda llevar a un tipo
de parásito del paludismo. Ya se están llevando a cabo pruebas de campo para
determinan cuan seguro es el uso del gusano rosado del algodonero, diseñado
para que disperse la esterilidad entre los gusanos rosados silvestres y proteger así
a los cultivos agrícolas. La mayor parte de la investigación transgénica aún se
encuentra en una fase de desarrollo, y ahora es el momento de enfrentarse a los
impactos que la transgénica puede tener en el medio ambiente, en la producción
de los cultivos y en la salud humana y animal.
¿Qué es un insecto transgénico?
Los insectos se convierten en transgénicos cuando se les inserta en el genoma
una o más secuencias de ADN de otro organismo. El método aceptado para hacer
insectos transgénicos es el de empalmar el ADN que se les quiere insertar a un
elemento móvil, conocido como un "gen de salto." Un gen de salto es un segmento
de ADN que puede ser integrado a muchos sitios diferentes a lo largo de un
cromosoma. En nuestro laboratorio usamos un elemento móvil llamado piggyBac,
el cual fue descubierto por Malcolm Fraser de la Universidad de Notre Dame.1
Interesantemente, cuando el genoma humano fue finalmente secuenciado, se
encontraron muchas copias de un elemento móvil inactivo llamado mariner,
proveniente de las bacterias. También se identificaron varias copias de un
homólogo al piggyBac llamado looper. En realidad no se sabe cuantos otros genes
similares pueden estar presentes, pues ellos no son fáciles de identificar y de
caracterizar. Sin embargo, una de las teorías actuales sugiere que estos genes de
salto juegan un papel en la evolución humana.2
Usos agrícolas de los insectos diseñados
Es posible que la primera aplicación práctica de la tecnología de insectos
transgénicos puedan ser mejoras en la técnica de insectos estériles (SIT, en sus
siglas en inglés). La SIT fue desarrollada por Edward F. Knipling en base a los
usos pacíficos de la energía nuclear. El método utiliza:
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la cría de insectos plaga en grandes cantidades,
exponerlos a radiación dañina a un nivel tal que los vuelva estériles,
soltarlos en las áreas infestadas de manera que ahoguen a la reproducción
de las poblaciones silvestres.
Los programas SIT han sido usados para controlar a una variedad de insectos,
incluyendo a la moscamed o mosca de la fruta del Mediterráneo (Ceratitis
capitata), la polilla de la manzana (Cydia pomonella) y para el gusano rosado del
algodonero (Pectinophora gossypiella).3-5 Sin embargo, todavía se deben superar
algunos obstáculos:
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Algunos insectos no se pueden criar en masa.
La cría en masa a veces contribuye a una mejora en los números de la
población pero a costa del "fitness" o capacidad física. (El fitness o
capacidad física es la habilidad de un organismo de adaptarse a su medio
ambiente).
En la actualidad, la técnica involucra a la esterilización de los insectos
usando radiación, la cual reduce aún más su capacidad física.
Para esterilizar a los gusanos rosados usando la técnica de SIT, se expone a las
pupas a una dosis de rayos gamma, los cuales causan un rompimiento masivo de
los cromosomas que las células tratan de reparar por medio de sus mecanismos
naturales. El resultado es que las funciones principales de las células son
retenidas pero los adultos resultantes son estériles. Un efecto secundario del
proceso es un comportamiento reproductivo menos competitivo por parte de los
insectos transgénicos en comparación con los no irradiados. Para compensar, se
liberan una gran cantidad de insectos SIT, los cuales pueden entonces
contrarrestar el vigor reproductivo de la población silvestre. En los gusanos
rosados SIT, la proporción de individuos estériles y de insectos silvestres es 60:1.
En contraste, la proporción usada en la moscamed SIT es de 100:1. El programa
SIT para el gusano rosado se encuentra está siendo implementado en California,
EE.UU. (Figura 1).
Figura 1. Este mapa de California y de sus condados muestra las
regiones principales donde se cultiva el algodón (en verde) y las
zonas de cuarentena (en rojo) del gusano rosado (Pectinophora
gossypiella) del algodonero. El gusano rosado se encuentra
establecido en los dos condados mostrados en rojo pero no en las
áreas que se muestran en verde y que se encuentran en el Valle
Central. Desde el año 1969 se encuentra en operación un programa
SIT destinado a prevenir la dispersión del gusano rosado de las áreas infectadas
hacia el Valle Central. Los gusanos rosados estériles SIT son enviados a diario
desde la planta de crecimiento en masa en Phoenix, Arizona, para ser soltados y
dispersados en las áreas del centro de California donde no se encuentra la
infección.
Figura 1. Haga click para ver imágen más grande.
El paso siguiente en el control del gusano rosado es la creación de un insecto
transgénico que pueda cruzarse y transmitir la esterilidad a la población silvestre.
Como puede uno criar insectos estériles transgénicos? La inserción al gusano
rosado de un simple gen letal "condicional" elimina la susceptibilidad a los efectos
secundarios de la radiación bajo ciertas condiciones. Notch es el primer gen letal
condicional que se ha descubierto y que permite la cría en masa de insectos.
Nuestro laboratorio encontró al gen Notch en Drosophila melanogaster, la mosca
del vinagre o mosca de la fruta, en 1994.6 Por una razón desconocida, la proteína
del Notch funciona en apoyar el desarrollo del embrión a temperaturas más altas
que la del ambiente, pero interfiere con el desarrollo embrionario a temperaturas
más bajas que las ambientales, lo cual lo hace condicionalmente letal. Al mezclar
una cepa de Drosophila melanogaster que contiene dos copias de la mutación
Notch con un número igual de individuos de la cepa silvestres, hemos causado
que la población colapse en tres generaciones. Sin embargo, al tratar de insertar
al Notch en los gusanos rosados encontramos el primer problema serio. Los
elementos genéticos que funcionan perfectamente bien en Drosophila, una mosca,
no necesariamente funcionan de la misma forma en un insecto alejado
taxonómicamente, como el gusano rosado, una polilla. Este proceso se encuentra
aún en desarrollo.
El segundo gen letal, llamado nipper, también proveniente de la mosca de la fruta
y también un gen del desarrollo, fue descubierto por Luke Alphey de la
Universidad de Oxford, en el Reino Unido. Alphey y su compañía Oxitec, UK, han
fabricado un sistema letal más elaborado, el cual esperan que sea utilizado en un
número de casos de control de plagas. En los gusanos rosados transgénicos, los
efectos letales de nipper se apagan o detienen en la presencia del antibiótico
tetraciclina, el cual es utilizado en la cría en masa para suprimir a las infecciones
bacterianas. Cuando los adultos del gusano rosado son liberados al ambiente,
donde la tetraciclina no está disponible, ellos se reproducen y pasan el efecto letal
a la siguiente generación en la población de campo, lo cual los hace un candidato
perfecto para el nuevo SIT. Alphey y sus colegas en Oxitec también están
trabajando en resolver el problema de hacer que los genes de la mosca de la fruta
funcionen en otros insectos.7
El problema del fitness en insectos transgénicos
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La cría de insectos en el laboratorio naturalmente selecciona características
y comportamientos que no son compatibles con el comportamiento
competitivo que se encuentra en las poblaciones silvestres, lo cual es uno
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de los dilemas de la estrategia SIT. En ocasiones, las cepas de laboratorio
son cruzadas con cepas silvestres con el fin de contrarrestar los efectos de
entrecruzamiento y la falta de competencia.
El proceso de crear a los organismos transgénicos introduce otra forma de
pérdida de fitness. El acto de introducir un gen nuevo, aún cuando éste es
insertado por un mecanismo "natural" usando elementos móviles, siempre
deja débil al recipiente, y en algunos casos, fatalmente débil. Solo unos
pocos organismos transgénicos entre cientos de inserciones
experimentales son capaces de sobrevivir. El fitness es mejorado al llevar a
cabo la cría con poblaciones saludables y seleccionando cepas puras.
Cualquier intento de liberar insectos transgénicos a las poblaciones silvestres se
verá enfrentado a estos mismos retos, es decir, a una reducción del fitness en
comparación a las cepas silvestres debido a la cría en el laboratorio y a la
inserción de genes. El primer experimento en el cual se permitió que mosquitos
transgénicos (con proteínas fluorescentes como marcadores genéticos) se
mezclaran con las poblaciones silvestres en un experimento en jaulas mostró que,
con el tiempo, el grupo transgénico disminuyó naturalmente y en forma rápida.
Esto es exactamente lo que sucede con los gusanos rosados transgénicos. Aún
así, sorpresivamente, se requirieron entre 4 y 16 generaciones para que cualquier
vestigio de los individuos transgénicos desapareciera del todo. Yo esperaba que la
reversión al tipo silvestre ocurriera más rápidamente, y quizás, en condiciones
silvestres, esto ocurriría.8
Diseñado simbiontes para el control de enfermedades en plantas
La paratransgenesis, otro uso de la tecnología transgénica en la protección de
cultivos, es la técnica de insertar genes en simbiontes que viven en los
organismos hospederos. Un simbionte es un organismo que depende de otro
organismo (el huésped) para sobrevivir. Un ejemplo en el pez payaso (Familia
Pomacentridae) el cual encuentra refugio y alimento entre los tentáculos de la
anémona de mar.
La Paratransgenesis fue descubierta por Frank Richards en la Universidad de Yale
y nuestro laboratorio tomó prestados sus principios en el desarrollo de un método
para contrarrestar la amenaza de la enfermedad de Pierce en California.
Figura 2. En el modelo de la enfermedad de Chagas, usado aquí
como un ejemplo para ilustrar al control simbiótico, el insecto vector
es un hemíptero o chinche que chupa sangre y que transmite a la
enfermedad transportada en la sangre desde un animal doméstico o
silvestre hacia los humanos. El patógeno es un protozoario y la
bacteria es el simbionte (representadas en el dibujo como círculos
de color en la tripa del insecto). El primer paso en el control
simbiótico es escoger a un simbionte que ya está presente en el
insecto vector (circulitos rojos en el paso 1). Luego, se altera genéticamente al
simbionte (circulitos morados en el paso 2) de manera que lleven un producto
genético que sea letal al agente patógeno. Luego se le inserta el simbionte
alterado al insecto vector (paso 3) de manera que disperse al gen letal a cualquier
patógeno que sea encontrado cuando el insecto esté tomando su comida de
sangre. Este modelo de control también puede ser aplicado a cualquier
enfermedad de las plantas transmitidas por insectos.
Figura 2. Haga click para ver imágen más grande.
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La característica clave del control simbiótico, el cual utiliza a simbiontes
para controlar a plagas o a enfermedades, es la identificación de un
simbionte que tiene tanto una relación íntima (llamada mutualismo) con el
huésped enfermo como acceso a la plaga o al patógeno que lo está
atacando.
La diferencia entre el control simbiótico y el control biológico, el cual utiliza a
organismos tales como parásitos o depredadores para controlar a una
plaga o enfermedad, es que el organismo plaga transgénico actúa como un
agente simbiótico de control por si mismo, en vez de tener a parásitos o
depredadores controlando a la plaga.
El control simbiótico es diferente a los pesticidas microbianos ordinarios, los
cuales son utilizados de la misma forma en que se usan los insecticidas
comerciales, en que el control simbiótico posee una mayor selectividad y
menos efectos secundarios. El agente simbiótico puede ser diseñado para
que afecte solamente al patógeno que causa una enfermedad específica
(Figura 2).
La enfermedad de Pierce es causada por una cepa de bacteria llamada Xylella
fastidiosa (XF) (Figura 3). La XF se originó en el Golfo de México hace unos 150
años atrás y probablemente llegó a California en vides infectadas. Históricamente,
la enfermedad de Pierce ocurría en California en muy pocas ocasiones y
desaparecía igualmente rápido porque los saltahojas, chicharritas o cicadélidos
(Homoptera: Cidadelidae) nativos no eran muy eficientes en la dispersión del
patógeno.
Figura 3. Las hojas de la vid Chardonnay en un viñedo comercial de
Temecula, en California, muestras rasgos de la enfermedad de
Pierce. Esta vid se encuentre cerca de un lote donde se están
haciendo pruebas de control para la enfermedad de Pierce. Note
que las uvas aún están creciendo en la presencia de la enfermedad. Foto © 2004,
Blake Bextine.
Figura 3. Haga click para ver imágen más grande.
Más recientemente, a mediados de los años 80, la chicharrita de alas cristalinas
(Homalodisca coagulata, o GWSS en sus siglas en inglés), un cicadélido nativo al
sureste de los Estados unidos donde la enfermedad de Pierce es endémica, arribó
al estado de California. La nueva plaga cambió completamente el panorama, pues
ella es muy eficiente en la dispersión del patógeno que causa la enfermedad de
Pierce. Otras cepas de la bacteria XF también fueron dispersadas de manera tal
que el sur de California ahora sufre de una epidemia de hoja seca o quemada de
la adelfa (Neerium oleander) y otras enfermedades similares en árboles
ornamentales.
El control simbiótico es una de las opciones biotecnológicas para el control de la
enfermedad de Pierce. Hasta ahora nuestros experimentos han logrado lo
siguiente:
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Carol Lauzon encontró un simbionte tentativamente identificado como
Alcaligenes xylosoxidans var. denitrificans (Axd), proveniente del tracto
digestivo anterior de la chicharrita de alas cristalinas.10
David Lampe insertó genes marcadores fluorescentes en el cromosoma del
Axd (RAxd).11
Blake Bextine desarrolló métodos para seguir el movimiento de los
simbiontes desde la chicharrita hasta las plantas hospederas.12
Las pruebas de campo bajo condiciones confinadas en viñedos comerciales,
apoyadas por un permiso de la Agencia para la Protección Ambiental (EPA, en sus
siglas en inglés), han demostrado que el RAxd:
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no se traslada a las uvas o a los tallos de las vides en desarrollo;
no sobrevive en el suelo; y
es rápidamente reemplazado por poblaciones silvestres no transgénicas de
Axd y por otros simbiontes que son parte natural del ecosistema.
Más recientemente, Lampe produjo Axd con un gen marcador y un producto
genético que resultó ser letal para el patógeno. Lo hemos llamado S1RAxd.
Bextine está actualmente haciendo pruebas con el nuevo organismo sobre su
habilidad de curar la enfermedad de Pierce en las vides y de prevenir la
transmisión del patógeno. Hasta ahora, estas han sido estrictamente experimentos
de laboratorio. No hemos recibido aún la aprobación necesaria para poder
conducir pruebas a campo abierto. Las pruebas de campo confinadas que se
mencionaron anteriormente fueron llevadas a cabo en viñedos comerciales con las
plantas dentro de bolsas para prevenir el acceso de insectos silvestres. También,
las plantas fueron destruidas al finalizar los experimentos.
Los programas estadales y federales han mantenido bajo control a la enfermedad
de Pierce en el sur de California, hasta ahora, por medio de restricciones de
cuarentena y con tratamientos de insecticidas para las chicharritas GWSS que
pasan el invierno en las huertas de sus huéspedes cítricos. Las industrias de la vid
y del vino han sido claras en expresar que no aceptarán una solución transgénica
en vid a esta amenaza, eliminando así a una herramienta biotecnológica
importante. Una estrategia con insectos transgénicos no es práctica, pues la
GWSS no puede ser criada en grandes cantidades en el laboratorio y los controles
biológicos clásicos usando parásitos y depredadores pueden suprimir al GWSS
aunque no por debajo de los niveles económicamente tolerables de la enfermedad
(un GWSS por planta). Finalmente, las industrias de la uva y del vino no han
indicado aún su posición con respecto al control simbiótico.
La regulación de los insectos transgénicos y paratransgénicos
La Iniciativa Pew sobre el Alimento y la Biotecnología ha hecho un llamado para la
adopción de regulaciones estrictas sobre los insectos genéticamente modificados
en su informe de Enero de 2004.13 La EPA ha llamado al nuevo organismo
S1RAxd un "pesticida microbiano," y, a pesar de que esta aplicación de los
simbiontes es nueva, existen ya leyes instaladas que la regulan.
La preocupación mayor con el Axd es que está relacionada con una bacteria (o
con la misma bacteria) que causa las infecciones nosocomiales, es decir, las
infecciones que se contraen en los hospitales, especialmente en este caso, en los
pulmones de pacientes con fibrosis quística. Así, antes de que se permita el
registro de cualquier aplicación para un pesticida microbiano en el control de la
enfermedad de Pierce en los viñedos, este asunto deberá ser resuelto.
El proceso regulatorio incluye la evaluación científica de riesgos y utiliza los foros
públicos como una piedra de toque y para descubrir otros temas potenciales que
el público pueda tener con el registro y con el uso. El proyecto del gusano rosado
genéticamente modificado descubrió la actitud en algunos individuos de que "nos
es algo que deberíamos estar haciendo" y esta perspectiva fue oficialmente
adoptada por la California Fish and Game Commission.
Los oficiales de regulación tienen que responder a las objeciones en contra de la
aplicación de nuevas tecnologías. Ellos no pueden responder a dudas vagas, pues
la ley no les permite hacerlo. Pero ellos pueden medir y enfrentarse a las
preocupaciones sobre la seguridad, tales y como la alegada propiedad nosocomial
del Axd. El uso de insectos transgénicos para mejorar al SIT es visto por muchos
como la prueba de menor riesgo de esta tecnología, pues la finalidad es que la
población se colapse en vez de dispersar sus genes a través de la población. 14
¿Controla el hombre a la naturaleza o vicecersa?
Los dos problemas agrícolas presentados anteriormente, el gusano rosado y la
enfermedad de Pierce, fueron ambos causados por actividades humanas.
Inicialmente, el gusano rosado, originalmente de la India, accidentalmente se
dispersó globalmente por medio de cargamentos de semilla de algodón
contaminadas con larvas. Los agricultores de algodón creyeron que iban a mejorar
sus rendimientos. En vez, ellos recibieron una plaga agrícola de gran categoría. El
patógeno que causa la enfermedad de Pierce y, luego, la chicharrita de alas
cristalinas, fueron inadvertidamente importadas a California y ahora amenazan
tanto a los cultivos como a las plantas ornamentales.
La introducción accidental del gusano rosado ilustra la falacia en la noción común
de que los humanos controlan a la naturaleza. Sin embargo, las tecnologías del
ADN recombinante son consideradas por algunos como meterse con la creación.
Ciertamente, el insertar genes en insectos o en sus simbiontes eleva la cuestión
de que los genes se pueden movilizar horizontalmente entre las especies, así
como las preocupaciones sobre la seguridad humana y sobre la ética. Sin
embargo, los insectos transgénicos no son completamente competitivos
comparados a sus tipos silvestres, a pesar de que si son lo suficientemente
competitivos como para disminuir la reproducción de las plagas. Además, ellos
pierden en competencia con las variedades silvestres y se autodestruyen en unas
pocas semanas. Dada esta realidad, es difícil entender porqué estas creaciones
de laboratorio pueden ser un problema. Uno no obtiene organismos más vigorosos
a menos de que se permita que la selección ocurra en la naturaleza. Nada que
salga de un laboratorio va a poder competir con el proceso natural porque los
ambientes artificiales carecen de una selección completa de criterios.
El hecho de que los fragmentos transgenéticos pueden sobrevivir el tiempo que lo
hacen es ya de hecho una interrogante, pero tiene sentido si la naturaleza posee
un método de preservar segmentos extra de ADN para un posible uso posterior.
Cuando los insectos plaga desarrollan la resistencia a los insecticidas, o cuando
los microbios desarrollan la resistencia contra los antibióticos (y tanto los
pesticidas como los antibióticos son retirados del mercado) los organismos
revierten a su anterior susceptibilidad. Pero al introducir de nuevo estos productos,
encontramos que la resistencia ocurre mucho más rápido esta segunda vez. Esto
es un tipo de "ahorro de remanentes" por parte de una población para su uso
posterior (en este caso la resistencia al insecticida del primer compuesto) al nivel
del ADN. Esto es una visión del poderoso motivador para la replicación exitosa del
ADN, pero también sugiere que nunca podremos controlar completamente a una
población.
Extraído de: http://www.actionbioscience.org/esp/biotech/miller.html