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Consejo Nacional para el Entendimiento Público de la Ciencia.

Bacillus thuringiensis: una alternativa biotecnológica a los insecticidas


Estibaliz Sansinenea Royano + Posgrado En Microbiologia Del Instituto De Ciencias De La Universiadad Autonoma De Puebla

MOSQUITOS Y PROBLEMAS DE SALUD
Una de las causas principales para estudiar a los mosquitos y otras especies de artrópodos chupadores de sangre (hematófagos), es porque son vectores de los parásitos más variados y peligrosos para el humano. Entre las enfermedades transmitidas por mosquitos están las causadas por protozoarios, como el paludismo o malaria, leishmaniasis o úlcera de los chicleros además son vectores de enfermedades producidas por virus, como el dengue y la fiebre amarilla (1). El mosquito causante de la fiebre amarilla se puede observar en la figura 1 proveniente de la página http://www.healthig.com/dengue/dengue7.html .

México tiene diferentes regiones climáticas con una alta diversidad de insectos, entre los que se encuentran los insectos vectores de enfermedades. En el estado de Puebla el 50% del territorio es zona endémica de Dengue y Paludismo, estando expuesta el 30% de la población estatal. La distribución mundial del dengue se representa en el mapa de la figura 2 que está extraído de la organización mundial de la salud (WHO, World Health Organization).



Aedes aegypti mosquito de la fiebre amarilla
Distribución mundial del dengue


CONTROL DE MOSQUITOS
Para el control de insectos y evitar la proliferación de enfermedades se han usado como métodos químicos de combate de plagas los insecticidas orgánicos sintéticos. Sin embargo, las múltiples propiedades que hacen esos productos utilizables (larga acción residual y toxicidad para un amplio espectro de organismos) han provocado serios problemas ambientales, como la contaminación del ambiente, la pérdida de efectividad de los insecticidas y la reducción de la biodiversidad entre otros. La prevención de la aparición y propagación de resistencia a los insecticidas entre los insectos, la conciencia del problema de la polución ambiental y el alto costo de nuevos insecticidas químicos hacen evidente que el control de insectos no puede depender durante más tiempo del uso exclusivo de los productos químicos, lo que ha propiciado la utilización de métodos alternos como el control biológico que se descubrieron desde el siglo XX. Entre los agentes de control biológico destacan las bacterias entomopatógenas. Entre 1970 y 1980 se descubrieron la mayor variedad de nuevos agentes biológicos de control de tipo bacteriano entre los cuales se encontraba una variedad (subespecie) de Bacillus thuringiensis que es tóxica para mosquitos de los géneros Aedes y Culex y que fue aislada en el desierto de Negev (Israel) en 1977 por Goldberg y Margalit (4).

DESCRIPCIÓN DE BT
Bacillus thuringiensis es una bacteria gram-positiva usada como el ingrediente activo para la agricultura en los insecticidas biológicos y para el control de vectores de enfermedades como son los mosquitos y moscas negras en el caso de la variedad israelensis. La bacteria forma endosporas y su actividad bioinsecticida radica en una proteína parasporal o cuerpo de inclusión (cristal). En la figura 3 se pueden ver las esporas y los cristales. La inclusión está compuesta de uno ó más tipos de pro d-endotoxinas. Entre éstas se encuentran las proteínas cristal (Cry) que están al frente de los pesticidas en la ingeniería genética de plantas (3).

Las proteínas Cry se liberan solo bajo lisis celular y son selectivamente tóxicas a algunos invertebrados (lepidópteros, coleópteros y dípteros). En Bti se ha encontrado un plásmido de 137 Kb que contiene los genes que codifican para algunas proteínas Cry.

Figura 3: Cristales y esporas de Bacillus thuringiensis

MODO DE ACCION DE LA d-ENDOTOXINA
Los cristales son protoxinas y deben de ser activadas antes de que tengan cualquier efecto. La proteína cristalina es altamente insoluble en condiciones neutras y se solubiliza en condiciones de pH alto (9.5). La activación ocurre por una discreta proteolisis causada por las enzimas estomacales del insecto. (5).
    Una vez solubilizado en el tubo digestivo del insecto la protoxina se rompe por una proteasa para producir una toxina activa. Esta toxina se une a las células epiteliales del tubo digestivo creando poros en la membrana celular y propicia un desequilibrio de iones resultando en la pérdida de iones K+, alterando la presión osmótica (6). El animal muere debido a una entrada masiva de agua, el sistema digestivo se paraliza, las células epiteliales se lisan y el pH estomacal se baja por compensación con el pH sanguíneo. Esta bajada de pH hace posible que las esporas bacteriales germinen y la bacteria pueda invadir el huésped causando una septicemia letal y daños en los tejidos. Generalmente los insectos intoxicados mueren por ayuno y posterior detención del crecimiento que puede durar algunos días.
    Las larvas afectadas por las toxinas de B. thuringiensis se vuelven inactivas, y podrían devolver la comida o tener diarrea. La cápsula de la cabeza podría aparecer más larga que el cuerpo (deformada). La larva se vuelve flácida y muere, generalmente en unos días o semanas. El contenido del cuerpo se vuelve marrón-negruzco según se va descomponiendo (6). En la figura 4 se puede ver el modo de acción de la toxina en una larva en un diagrama por cortesía de Laboratorios Abbott extraído de http://www.nysaes.cornell.edu/ent/biocontrol/pathogens/bacteria.html.

Figura 4: modo de acción de la toxina de Bacillus thuringiensis

ESTRUCTURA DE LA d-ENDOTOXINA

Estudios cristalográficos indican que las toxinas de las proteínas Cry1Aa y Cry3A tienen 3 dominios estructuralmente distintos que se repiten en las demás proteínas Cry (5). En la figura 5 se observa una imagen digital de la estructura de la d-endotoxina Cry3A proveniente de la página web de internet http://www.nal.usda.gov/bic/BTTOX/cry3a_side.gif. El dominio I consiste en 7 a-hélices y está involucrado en la inserción de la toxina en la membrana celular del epitelio del tubo digestivo que genera un poro a través del cual pueden pasar los iones libremente, por lo que afecta a la función de los canales iónicos.
El dominio II consiste en una columna triangular de 3 hojas b. Está involucrado en la unión al receptor epitelial del tubo digestivo. Las distintas toxinas que atacan a distintos insectos difieren en la unión a sus receptores pero la estructura de las toxinas es semejante.
El dominio III consiste en cadenas b antiparalelas que aparecen empaquetadas tipo sándwich. Esta estructura sirve para proteger el final expuesto de la toxina activa previniendo la ruptura por proteasas digestivas de Bt. Está implicado en la especificidad y estabilidad, en la unión al receptor y la permeabilización de la membrana y posterior inserción en ésta. (2).
Figura 5: Estructura de la d-endotoxina

INSECTOS RESISTENTES A LA TOXINA: NUEVOS RETOS BIOTECNOLÓGICOS PARA EL USO DE BIOINSECTICIDAS ELABORADOS CON B. thuringiensis


Existe resistencia a la d-endotoxina en algunos insectos y esto se debe a la ausencia del receptor y/ó de la enzima digestiva esencial para su activación. Así, un cambio en el receptor propicia la pérdida de la unión a la toxina.
Desde que las toxinas de B. t. son ampliamente usadas se necesita mantener la eficacia de las toxinas de B. t. sobretodo de las producidas por plantas transgénicas, es decir, reducir el riesgo de selección de insectos resistentes. Existen bastantes estrategias para decrecer la velocidad a la cual los insectos blanco se adaptan a las plantas transgénicas que expresan la toxina de B. t.

VENTAJAS DE BT

La elección del propio B. thuringiensis como huésped de expresión tiene algunas ventajas. Primero que B. thuringiensis es naturalmente capaz de mantener los genes ICP (proteínas cristalinas insecticidas) diferentes sin sufrir pérdidas o rearreglos de genes. Segundo que B. t puede expresar esos genes en altos niveles, por lo que el 25-30% de la proteína pueden ser proteínas ICP-s. Tercero que podemos tener la ventaja de los plásmidos de B. t. naturales como vectores de clonación para la construcción de nuevas combinaciones ICP que no contienen genes de resistencia a antibióticos u otros genes extraños indeseables. Las nuevas construcciones de B. t. consisten en sólo DNA de B. t (7).
Además como los insecticidas de B. t. no tienen un amplio espectro de actividad, los insectos benéficos no mueren por la aplicación de la toxina de B. t. Esto incluye a los enemigos naturales de los insectos (predadores y parásitos) así como polinizadores benéficos como las abejas (7). Quizás la mayor ventaja es que B. t. no es tóxico para los humanos, animales y fauna.

APLICACIÓN DE BT

Respecto a la aplicación de la toxina en campo o bosques se realizan suspensiones de esporas cristal en agua con estabilizadores y protectores solares. Se aplica en forma de aerosol que se asperja tal como se ve en la figura 4 y se hace o muy temprano o muy tarde para evitar la radiación solar y cuando no llueve para evitar su lavado.

En el control de las larvas de mosquitos con fórmulas conteniendo la cepa de B. thuringiensis israelensis, el insecticida se pone en una charca (estanque) usada como criadero de mosquitos. El Bt se usa como gránulos o anillos/bloques sólidos para incrementar la persistencia. Se hace la aplicación después de que los huevos de los insectos se han incubado y después de que se hayan inundado por lluvia o irrigación (7).
La persistencia en el agua es mayor que en las superficies expues1tas al sol pero podría necesitar ser reaplicado cuando la crianza de mosquitos tiene condiciones persistentes durante semanas.
Figura 6: Modo de dispersión de la toxina en el campo

Fuentes.
Cómo citar este artículo ISO690.
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