La bacteria Bacillus thuringiensis como bioinsecticida en la agricultura actual

Isabel Gómez y Sabino Pacheco

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Prioridades en la investigación agroalimentaria

La agricultura es una actividad económica fundamental a nivel mundial y se estima que 10% de la superficie del planeta es utilizada para el cultivo de productos que solamente abastecen el consumo humano y la crianza de ganado. Uno de los retos medulares en la agricultura es la protección de los cultivos contra insectos fitófagos (phytón= planta, phagéin= comer), que son plagas y causan hasta el 40% de pérdidas en la cosecha, con consecuencias económicas, sociales y ambientales significativas. Para controlar este problema, los agricultores tradi-cionalmente aplican productos químicos en los cultivos, en este caso conocidos como insecti-cidas sintéticos. No obstante, esos compuestos han causado daños en los ecosistemas debido a que carecen de especificidad y perjudican colateralmente a especies de insectos benéficos y a otros organismos, incluidos los humanos.

Control biológico con organismos que tienen actividad insecticida

Los insecticidas ecológicos o 'bioinsecticidas' son productos derivados de organismos biológicos, o incluso organismos vivos, que son tóxicos para algunos insectos. Son una opción compatible con el medio ambiente para la protección de cultivos, ya que tienen una letalidad solamente contra ciertos insectos y alcanzan una mayor potencia con dosis más bajas que los insecticidas sintéticos, ayudando así a reducir la contaminación del suelo. En la agricultura moderna, los bioinsecticidas incluyen agentes biológicos como hongos, nemátodos, protozoarios, virus y bacterias (ver Biotecmov Núm. 24). Probablemente las bacterias son los microorganismos más populares para el biocontrol y, aunque se han descrito alrededor de 100 especies con propiedades insecticidas, solo algunas de ellas están disponibles comercialmente, como Bacillus popilliae, B. lentimorbus, B. thuringiensis, Clostridium bifermentans, Lysinibacillus sphaericus, Saccharopolyspora spinosa, Streptomyces avermitilis, Pseudomonas alcaligenes, P. aureofaciens y Serratia enthomophila. En este grupo B. thuringiensis es la alternativa más prometedora; su éxito se debe a que produce un arsenal de biomoléculas que eliminan específicamente a invertebrados, en su mayoría insectos inmaduros (en etapa larvaria, como orugas o gusanos) y a que son completamente inofensiva para los mamíferos.

¿Quién es Bacillus thuringiensis?

Las bacterias denominadas B. thuringiensis (Bt) son microorganismos entomopatógenos (entómon= insecto, pathos= enfermedad, genáo= originar) que tienen forma de bacilo o bastón y se pueden encontrar en diversos suelos. Durante su crecimiento presenta dos fases: una fase vegetativa en la que su metabolismo es activo por la disponibilidad de nutrientes, y una fase de espora en la que reduce al mínimo sus funciones debido a la limitación de nutrientes (Fig. 1-A). La principal característica de Bt es que produce un grupo de proteínas con actividad insecticida durante la transición de la fase vegetativa a espora. Estas proteínas son factores de virulencia conocidas como endotoxinas y se acumulan en estructuras en forma de 'cristales' —como estructuras de agregación muy ordenadas— dentro de la bacteria.

Los factores de virulencia de Bt —relacionado a los nichos ecológicos donde se crece y se reproduce estas especies— no sólo están se presentan en estas formas cristalinas; durante la fase vegetativa también produce y secreta toxinas (exotoxinas) que participan en la actividad insecticida, entre las que se encuentran algunos metabolitos, antibióticos, enzimas y otras toxinas proteicas. La presencia de varias toxinas en ciertas subespecies de Bt aumenta su potencia larvicida, y normalmente son específicas para un solo tipo de insecto. Por ejemplo, los Bt subespecie (ssp.) israelensis produce varias toxinas contra mosquitos y moscas (dípteros), las toxinas de Bt ssp. kurstaki tienen actividad contra mariposas y polillas (lepidópteros) y la ssp. tenebrionis de Bt, produce toxinas que matan escarabajos (coleópteros). El tipo de toxinas en diferentes cepas, indica que algunas variedades de Bt se han especializado para colonizar específicamente a un número reducido de grupos de insectos.

 

Tipos de toxinas de Bt y su mecanismo de acción

Las toxinas de Bt se clasifican en varios grupos de acuerdo con la estructura tridimensional de las proteínas. Actualmente se han identificado 10 grupos: las toxinas Vpa, Vpb y Vip son proteínas que se producen durante la fase vegetativa, mientras que las toxinas Cry, Cyt, Tpp, Mpp, Xpp, Gpp y App son proteínas que forman cristales en la fase de espora (Fig. 1-B). Dentro de cada grupo existen diferentes miembros de toxinas y sus nombres individuales son asignados con un código alfanumérico, siguiendo un rango jerárquico basado en la identidad de la secuencia de aminoácidos. Por ejemplo, para el grupo de toxinas Cry se han identificado más de 500 proteínas en diferentes subespecies/ cepas de Bt, las cuales son nombradas como: Cry1Aa, Cry2Aa, Cry3Aa y así sucesivamente; la misma regla se aplica para nombrar a las proteínas que pertenecen a los otros grupos de toxinas. Ahora bien, dentro del arsenal de factores de virulencia de Bt, las toxinas Cry y Vip son las más utilizadas en la agricultura como bioinsecticidas. Por lo tanto, el mecanismo de acción de estas toxinas se estudia intensivamente en nuestro grupo de investigación [1].

 

Cuando un insecto inmaduro o larva ingiere los cristales de Bt, éstos llegan a su intestino donde se disuelven y entonces se liberan las llamadas protoxinas Cry. Estas moléculas son a su vez activadas por proteasas o enzimas digestivas para formar una toxina activada, la cual es capaz de reconocer y unirse a varios receptores proteicos, localizados en las membranas celulares de las microvellosidades de las células epiteliales (en la superficie) del intestino. La unión toxina-receptor promueve el ensamblaje de varias subunidades de la toxina activada para formar un oligómero compuesto de 3-4 subunidades. En el otro caso, las toxinas Vip forman oligómeros espontáneamente, los cuales pueden interaccionar con los receptores. Ambos tipos de toxinas (Cry y Vip) convergen en un evento de inserción en las membranas celulares formando poros —agujeros microscópicos inducidos por oligómeros organizados en forma de "O"); estos facilitan la entrada y salida de iones como sodio, potasio y cloro, lo que ocasiona una desestabilización en el equilibrio osmótico del intestino. Se ha propuesto que la muerte celular es consecuencia de un 'choque osmótico' (pérdida de agua y minerales), aunque también se han observado respuestas asociadas con la muerte celular programada o apoptosis (ver Biotecmov Núms. 14 y 28). Ya sea por lisis celular o apoptosis, o una combinación de ambos procesos, las toxinas destruyen el intestino y la barrera de defensa del insecto, y de esta manera las esporas ingresan a la hemolinfa (el sistema circulatorio 'abierto' en insectos), y es donde estas estructuras de resistencia encuentran nutrientes para su germinación y para iniciar su crecimiento vegetativo dentro del insecto, causando una infección sistémica que provoca su muerte [Fig. 2].

El uso biotecnológico de Bt en la agricultura: una historia en proceso

La historia de Bt está ligada a sus propiedades insecticidas desde que fue descubierta en 1901 por el investigador japonés Shigetane Ishiwata, cuando observó que una enfermedad del gusano de seda (Bombyx mori) era causada por una bacteria baciliforme y la nombraron Bacillus sotto. Catorce años después, el microbiólogo Ernst Berliner de la provincia Turingia en Alemania, observó la misma bacteria en cadáveres de polillas de la harina (Ephestia kuehniella) y desde entonces se renombró como Bacillus thuringiensis. Berliner observó la presencia de los cristales en Bt, pero hasta principios de la década de 1950, dos científicos canadienses, Christopher Hannay y Thomas Angus, observaron que los cristales son los responsables de la actividad insecticida. Fue hasta 1981 que H. E. Schneph aisló —o como decimos, clonó o realizó la clonación molecular— del primer gen cry; que codifica para una toxina bacteriana; además describió que estas toxinas están codificadas en el ADN de los llamados 'elementos genéticos extra-cromosomales' (o plásmidos). Cabe decir que el trabajo del Dr. Schneph fue la raíz para desarrollar las estrategias biotecnológicas modernas para controlar insectos plaga o dañinos con productos de Bt.

El primer intento por utilizar a Bt como bioinsecticida en la agricultura se hizo en Hungría a principios de la década de 1920, aunque el primer producto comercial se desarrolló en Francia en 1938 con el nombre comercial de "Sporein", el cual se utilizó para controlar insectos lepidópteros defoliadores. Más tarde, en 1957 en los EEUU se desarrolló el primer producto de Bt a gran escala, disponible en el mercado como "Thuricide". Hasta 1980 se descubrieron nuevas subespecies de Bt con actividad contra insectos coleópteros y dípteros, y pronto se desarrollaron nuevos productos Bt para controlar escarabajos barrenadores y mosquitos vectores de enfermedades infecciosas. A partir de entonces, los investigadores han aislado nuevas subespecies de Bt que pueden contribuir al manejo de poblaciones de otros grupos de invertebrados, como saltamontes y langostas (Ortópteros), pulgones (Hemípteros), gusanos redondos (Nemátodos), ácaros y garrapatas (Arácnidos).

Cultivos Bt en el siglo XXI

Los productos insecticidas a base de cepas naturales o modificadas de Bt son formulaciones que contienen una mezcla de esporas/cristales, las cuales se aplican en sprays directamente sobre la superficie de las plantas para protegerlas de insectos defoliadores y actualmente más de 200 productos están disponibles comercialmente (ver Biotecmov Núm 24, p. 27). Con el desarrollo de los métodos de ADN recombinante y la transformación genética, los genes cry y vip se han introducido en el genoma de organismos vegetales para el desarrollo de cultivos transgénicos —o cultivos genéticamente modificados (GM) resistentes a insectos (RI)— principalmente de maíz, algodón y soya, así como la berenjena, cultivados en una veintena de países [Fig. 3] [2, 3]. Esta tecnología ha permitido que estos cultivos produzcan una o varias de las toxinas de Bt en sus tejidos —incluyendo las hojas, los tallos/cañas y los botones florales, para evitar el daño provocado por insectos plaga. El uso de plantas GM-RI es particularmente útil para la protección contra insectos barrenadores que se alimentan de los tejidos internos de las plantas, donde es difícil que lleguen las aspersiones granuladas o líquidas de otros ingredientes activos. Es un hecho que los países que han adoptado el uso de Bt como bioinsecticida —ya sea como esporas o como 'cultivos Bt'— han reducido considerablemente la aplicación de insecticidas sintéticos, lo que ha favorecido la economia de los agricultores, la sanidad vegetal e inocuidad de granos y forraje, así como el mantenimiento de ecosistemas sanos [4]. [(ver artículo: "Patentes del IBt..." en este número]

 

Referencias y lecturas recomendadas

1. Bravo A, Pacheco S, Gómez I, García-Gómez B, Onofre J, Soberón M (2017). Insecticidal proteins from Bacillus thuringiensis and their mechanism of action, pp. 53-66 In: Fiuza L, R Polanczyk & N Crickmore (eds.). Bacillus thuringiensis and Lysinibacillus sphaericus. Characterization and use in the field of biocontrol. Springer Cham. DOI: 10.1007/978-3-319-56678-8_4.
2. ISAAA. 2019. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops. ISAAA Brief No. 55. ISAAA: Ithaca, NY.
3. Gerpacio RV & A P Aquino (eds). 2014. Socioeconomic Impacts of Bt Eggplant: Ex-ante Case Studies in the Philippines. Ex-ante Case Studies in the Philippines. International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications (ISAAA), Ithaca, NY, USA & SEAMEO Southeast Asian Regional Center for Graduate Study and Research in Agriculture (SEARCA), Los Baños, Laguna, Philippines. ISBN 978-971-93983-3-2.
4. Abbas MST (2018). Genetically engineered (modified) crops (Bacillus thuringiensis crops) and the world controversy on their safety. Egypt J Biol Pest Cntr 28: 52 (2018). DOI: 10.1186/s41938-018-0051-2.

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