Reprogramar un insecto

Autor: Emiliano Cantón

Al leer los titulares acerca de transgénicos y organismos genéticamente modificados, no sería sorprendente que alguien se quedara con la impresión de que sólo ciertos cultivos destinados al consumo son aquellos dónde la biotecnología ha sido utilizada para cambiar o introducir ciertas características deseables a través de las metodologías de la biología molecular. La verdad es que no podría estar más lejos de la realidad. En el ámbito científico, los microorganismos como bacterias, levaduras, y otros hongos son aquellos que han sido sujetos a la gran mayoría de modificaciones genéticas a través de mutaciones, alteraciones, inserciones, y demás ingenios durante los proyectos de investigación en el mundo. Los organismos para los cuáles se tienen muchos recursos, experiencia y facilidad de manipulación para el diseño de experimentos, se conocen como organismos modelos e incluyen a la bacteria superestrella Escherichia coli y el famoso ratón Mus musculus.

El mundo de los insectos tiene sus propias celebridades de estudios genéticos, entre las que destaca por mucho la mosca de la fruta Drosophila melanogaster.  Décadas antes de que se elucidara la naturaleza química del ADN, el científico Thomas Hunt Morgan ya estaba haciendo profundos descubrimientos en genética estudiando a esta pequeña mosca, trabajo que le valió ser galardonado con el premio Nobel en 1933. El legado de Morgan estableció a D. melanogaster como uno de los modelos de estudio por excelencia, título que aún ostenta. El conocimiento sobre la biología de este insecto ha permitido numerosos avances en neurología, embriología, medicina, y los procesos evolutivos de la naturaleza.

Drosophila melanogaster , con ojos rojos silvestres y con variante ‘white’. Foto: Joe Limbo

Drosophila melanogaster, con ojos rojos silvestres y con variante ‘white’. Foto: Joe Limbo

Sin embargo, con los años se ha vuelto claro que cuando se trata de entender la biología de otros insectos, las conclusiones extraídas mediante el estudio de la mosca de la fruta resultan insuficientes. La aparición de las estructuras sociales de las abejas, avispas y termitas, los mecanismos de supervivencia de patógenos de humanos en chinches o mosquitos, o el procesamiento de dietas difíciles como madera o plantas tóxicas por ciertas especies de insectos, son ejemplos de procesos fisiológicos difíciles o imposibles de estudiar con nuestro modelo genético superestrella. Para poder atacar estas preguntas, los científicos han adaptado las estrategias genéticas de la mosca a otras especies, con diversos niveles de éxito. Para la enorme mayoría de estas otras especies de interés carecemos de la secuencia del genoma, bancos de información del papel de cada gen, y líneas mutantes disponibles para ordenar por internet con el clic de un botón. Estas limitaciones han propiciado la diversificación de los estudios de entomología para poder recabar información de la enorme biodiversidad inexplorada del mundo de los insectos. Iniciativas como i5K buscan ayudar a generar y articular información genómica de miles de insectos que impulsen el conocimiento del área. A pesar de las deducciones que se pueden realizar al comparar la secuencia de genomas de distintas especies, la posibilidad de hacer estudios funcionales sobre el papel de los diferentes genes en directamente en el organismo de interés es crucial para tener evidencia sólida.

Microinyección de huevos  Dalotia coriaria.  Fuente: IGTRCN

Microinyección de huevos Dalotia coriaria. Fuente: IGTRCN

En las décadas recientes, y sobre todo en los últimos años, ha habido un aumento increíble en el uso de las herramientas para el estudio funcional de genes en insectos. Recientemente tuve la oportunidad de asistir a un curso de la red de colaboración de investigación en tecnologías genéticas en insectos (IGTRCN, por sus siglas en inglés). En este curso se busca capacitar a entomólogos en las metodologías más modernas para la modificación genética en insectos. En este texto quisiera platicarles sobre algunos de estos métodos. Ninguno de ellos es exclusivo de insectos, pero la introducción de algunos de ellos en especies no modelo es relativamente reciente y se vislumbra un futuro con una amplia gama de aplicaciones.

 ARN interferente

 La inhibición genética por medio de ARN de interferencia es la utilización de procesos innatos de las células para protegerse de la invasión por virus. Muchos virus poseen un genoma formado por una doble hélice de ARN, no ADN, y la presencia de este tipo de moléculas provoca una cascada de reacciones que generan fragmentos de ARN de estos genomas que son utilizados por enzimas para localizar y degradar otros genomas virales invasores. En esta metodología, en vez de secuencias virales, se introducen artificialmente secuencias de ARN correspondientes a genes propios de las células. Así, se “engaña” a la maquinaria celular para destruir las copias intermediarias de sus genes destinados a producir proteínas, incapacitando una función específica. Como no se afecta el genoma, la inhibición es inherentemente temporal, y sus efectos dependen de en qué etapa de la vida se introducen las secuencias de ARN. Se han probado diferentes métodos de entrega, dando de comer ARN empaquetado en ácidos grasos, o dentro de bacterias, o de plano inyectando en el cuerpo de larvas y adultos. Mientras que en algunas especies de escarabajo el método es sumamente efectivo, la saliva de áfidos o la hemolinfa de las larvas de algunas polillas poseen enzimas que rápidamente degradan las moléculas de ARN y reducen drásticamente la eficiencia. La promesa de poder controlar la expresión de un gen hace que los investigadores y empresas sigan buscando maneras de utilizar esta técnica en insectos, por ejemplo para el control de plagas de cultivos.


Microscopio y sostén de agujas de cuarzo para microinyección de huevos de insecto. Foto: Emiliano Cantón

Microscopio y sostén de agujas de cuarzo para microinyección de huevos de insecto. Foto: Emiliano Cantón

Modificación por transposones

A veces uno quiere producir un cambio genético estable y heredable, no sólo un cambio temporal. Para esto, los científicos por mucho tiempo utilizaron transposones. Los transposones son llamadas secuencias de ADN egoístas, ya que sólo poseen genes de enzimas que reconocen regiones de ellas mismas, hacen copias, y después reintroducen estas copias en el ADN en nuevas zonas del genoma mediante un mecanismo de cortar y reparar. A veces, cuando el transposón se reintroduce, lo hace en sitios del genoma que tenían genes para otras funciones celulares, y así destruyen ese gen. En edición genética, se pueden reemplazar secciones del transposón original con una secuencia genética diseñada para que confiera una característica deseada, y así aprovechar el mecanismo para modificar el genoma. En la mosca da la fruta el elemento P es un tipo de secuencia que se ha usado ampliamente en estudios genéticos. Sin embargo, esta secuencia egoísta no parece ser funcional en muchas otras especies de insecto, por lo que la búsqueda y validación de nuevos transposones en especies de interés es un área activa de investigación. Por medio del diseño ingenioso de secuencias de ADN de transposones, compañías como Oxitec han creado insectos modificados genéticamente que compiten con insectos silvestres como parte de una estrategia de control de poblaciones.

Edición genética dirigida por CRISPR/Cas9

La metodología más reciente y en auge es la edición genética mediante CRISPR/Cas9. Algunas bacterias cuentan con una suerte de memoria inmune de los virus que las han invadido. Son capaces de incorporar en zonas de su genoma secuencias derivadas de los genomas de virus invasores, formando un catálogo de infecciones previas. Cuando una bacteria sufre una infección por virus, este catálogo es copiado a una molécula de ARN intermediaria y la enzima Cas9 la utiliza para identificar secuencias de virus que previamente han infectado a la bacteria y cortar su genoma, impidiendo su replicación. Este sistema se ha aprovechado y modificado para guiar a Cas9 a sitios específicos del genoma del insecto mediante moléculas de ARN diseñadas. Los cortes de ADN provocados por Cas9 son detectados por las células, quiénes activan mecanismos para repararlo. Como no son perfectos, llegan a introducir modificaciones en su genoma al equivocarse. Así, se puede alterar la función de un gen blanco. Tanto esta técnica como aquella de transposones requieren que los componentes lleguen el núcleo de la célula para modificar el ADN. Esto es muchísimo más efectivo cuando los núcleos están expuestos en etapas iniciales del desarrollo embrionario. Para esto, los expertos monitorean el momento en que las hembras ponen sus huevos e inmediatamente los inyectan con el material para la edición genética. La ventana de tiempo para tener acceso al núcleo varía de especie a especie, con algunas decenas de minutos para mosquitos hasta un par de horas para algunas moscas y escarabajos. En contraste con la aleatoriedad de sitios de incorporación por transposones, la capacidad de dirección a Cas9 a puntos particulares del genoma la hace una técnica increíblemente poderosa.

Larvas de la mosca  Hermetia illuscens , posible blanco de edición genética. Foto: Emiliano Cantón

Larvas de la mosca Hermetia illuscens, posible blanco de edición genética. Foto: Emiliano Cantón

Muchas de estas técnicas de modificación genética requieren de gran esfuerzo, buena información genética, y, en el caso de inyecciones de insectos, manos diestras y equipo sofisticado. Aún así, la posibilidad de explorar la biología de una multitud de insectos antes inaccesibles a la exploración científica ha revolucionado los aspectos moleculares de la entomología. Es más, ya se anticipa la creación de líneas de insectos modificados para tener perfiles nutricionales específicos para consumo por animales o humanos, u  orugas de la seda que producen tela de araña en cantidades industriales (cuyas ventajas he tocado brevemente antes). Es un momento muy interesante para los avances de la genética, y los insectos, por sus ciclos de vida y características evolutivas, serán un grupo de organismos clave para futuros desarrollos.

Editores: Ximena Bonilla, Emiliano Cantón