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Diseñando Insectos

Thomas A. Miller

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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:

  • Su impacto en el medio ambiente.
  • El riesgo potencial a la salud de la gente.
  • Las ventajas y desventajas de su uso en el control de pestes agrícolas.

October 2004

Los organismos transgénicos son genéticamente diseñados para un propósito específico.
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Gusano de seda hembra en un capullo. Algunos gusanos de seda transgénicos pueden producir fibras con resistencia industrial.

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?

Insectos transgénicos son modificados para acarrear el ADN proveniente de otro organismo.
Los “genes de salto” juegan un papel no solo en la biotecnología, sino también en la evolución humana.

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

La técnica de insectos estériles (SIT) está diseñada para controlar a poblaciones de plagas.

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:

  • 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.
La SIT requiere la liberación de un gran número de insectos transgénicos.

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:

  • 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.
La SIT deja estériles a los insectos transgénicos.

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).

Se espera que la lagarta rosada transgénica transfieran la esterilidad a poblaciones silvestres.

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.

Los genes letales pueden jugar un papel muy importante en el control de plagas.

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 denipper 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

La SIT puede reducir el “fitness” o adecuación biológica de un insecto.
  • 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 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.
Los transgénicos eventualmente desaparecen después de muchas generaciones.

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

Los simbiontes, u organismos que dependen de un huésped, ofrecen otro tipo de opción para el control de plagas.

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.

  • 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.

Organismos transgénicos de plagas actúan como el agente de control simbiótico.
  • 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 una gran plaga en la industria del vino y de la uva.

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.

Un insecto es el agente que permite dispersar a esta enfermedad bacteriana.

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.

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:

El control simbiótico tiene el potencial de curar la enfermedad.
  • 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:

  • 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.
Las pruebas han mostrado que el método es letal para el patógeno.

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.

Hasta el momento, la enfermedad se ha mantenido a raya utilizando métodos de control tradicionales.

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

Las agencias reguladoras pesan el riesgo de aplicar la biotecnología.

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.

Los factores de salud humana son una preocupación primaria.

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.

Los transgénicos son un dilema ético para algunos.

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?

Existe un doble estándar para las introducciones naturales y transgénicas.

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.

Los transgénicos están diseñados para autodestruirse.

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.

Es posible que nunca podamos controlar completamente a una población de plagas.

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.

El Dr. Thomas A. Miller es profesor de entomología en la Universidad de California, en Riverside. En el 2003 recibió la Medalla de Oro G. J. Mendel por Mérito en las Ciencias Biológicas de la Academia de Ciencias de la República Checa, por sus investigaciones en la fisiología y la genética de los insectos. Ha editado alrededor de 17 libros en entomología experimental y es conocido por sus avances en la investigación del sistema circulatorio de los insectos, sobre el modo de acción de los insecticidas y sobre la fisiología de las plagas del algodón. Más recientemente ha sido pionero en las aplicaciones de la biotecnología a la protección de los cultivos y está trabajando específicamente para encontrar una cura a la enfermedad de Pierce, la cual es causada por patógenos transmitidos vía insectos y que actualmente amenaza a la industria de la uva y del vino en California.
http://tommiller.ucr.edu/

Diseñando Insectos

Estas referencias están en inglés. Las referencias no han sido traducidas al español dado que la mayoría de los artículos citan fuentes en el idioma inglés.

  1. For more information on transposable elements, see Malcom Fraser’s web site:
    http://www.nd.edu/~biology/fraser.shtml (accessed Sept. 17, 2004)
  2. Reiter, L. T., T. Liehr, B. Rautenstrauss, H. M. Robertson, and J. R. Lupski. 1999. Localization of mariner DNA transposons in the human genome by PRINS. Genome Research 9, 839-843. http://www.genome.org/cgi/content/abstract/9/9/839 (accessed Sept. 18, 2004)
  3. Van der Vloedt, A.M., and W. Klassen. 1999. Development of the sterile insect technique. http://www.fao.org/ag/AGa/AGAP/FRG/FEEDback/War/u4220b/u4220b0j.htm#development of the sterile insect technique (accessed Sept. 15, 2004)
  4. Hendrichs, J. (no date) Austria use of the sterile insect technique against key insect pests. Sustainable Development International. http://www.sustdev.org/agriculture/articles/edition2/index.shtml (accessed Sept. 10, 2004)
  5. Tephritid Workers Database: http://www.tephritid.org/nafa/srv/en/nafa.home (accessed Sept. 5, 2004)
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