Insectos modificados con CRISPR para salvar a los cultivos de las plagas

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"Fue una devastación", dice McIntyre. Parecía que habían cortado de golpe el regadío de cuadras enteras de uva. En su vuelo de vuelta a casa, McIntyre se planteó llamar a un agente inmobiliario para vender sus tierras. Pensó que sus viñas estaban condenadas al fracaso.

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Menos de una década después de identificarlo por primera vez en California, un insecto invasor conocido como francotirador de alas cristalinas había convertido la bacteria causante de la enfermedad de Pierce en una pesadilla. Este insecto alargado, con alas como vidrieras rojas, es más rápido y vuela aún más lejos que los nativos del estado, también puede alimentarse de vides más resistentes. El estado sospecha que su llegada se produjo a finales de los 80, fomentando la propagación de la enfermedad.

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Gracias a las inspecciones y a la fumigación selectiva con plaguicidas, el Estado ha logrado confinar en el sur de California a la mayoría de la especie invasora del insecto francotirador. Sin embargo, la enfermedad aún no tiene cura, y corre el riesgo de empeorar y hacerse más difícil de combatir debido al cambio climático.

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Ahora, los investigadores pretenden añadir tecnología puntera al arsenal californiano contra el Pierce, modificando el genoma del insecto para que ya no pueda propagar la bacteria. 

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Esta solución es posible gracias a la tecnología CRISPR de edición genética, que hace cada vez más sencilla la modificación de los genes de cualquier organismo. La técnica se ha utilizado en experimentos de inmunoterapia contra el cáncer, así como en el cultivo de manzanas y, de forma más controvertida, en embriones humanos. Ahora, un número creciente de investigadores la está aplicando a las plagas agrícolas con el objetivo de controlar a una serie de insectos que, en conjunto, destruyen alrededor del 40% de la producción mundial de cultivos cada año. Si tienen éxito, estos esfuerzos podrían reducir la dependencia de los insecticidas y ofrecer una alternativa a las modificaciones genéticas de los cultivos.

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De momento, estos insectos modificados genéticamente están encerrados en laboratorios por todo el mundo, pero eso pronto cambiará. En 2023, una empresa estadounidense espera iniciar pruebas en invernaderos, en colaboración con el Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA, por sus siglas en inglés), con insectos dañinos para la fruta y esterilizados mediante CRISPR. Al mismo tiempo, científicos de varias instituciones públicas y privadas están empezando a conocer mejor la genética de las plagas y a realizar modificaciones en otras especies.

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El uso de organismos modificados genéticamente sigue siendo controvertido, y las plagas agrícolas modificadas aún no han sido aprobadas para su liberación generalizada en Estados Unidos. Aún queda por delante un proceso normativo largo y en constante evolución. Pero los científicos afirman que CRISPR ha marcado el comienzo de un momento crítico para el uso de la modificación genética en insectos que afectan a la agricultura, y que hay más hallazgos en el horizonte.

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"Hasta CRISPR, esta tecnología no existía", dice Peter Atkinson, entomólogo de la Universidad de California en Riverside (EE UU), que está trabajando en la modificación de la aguzanieves. "Entramos en esta nueva era en la que el control genético puede contemplarse de forma realista", asegura Atkinson.

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Conoce a tu enemigo

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Hasta hace poco, los científicos no sabían mucho sobre la genética de esta ave. El primer borrador de su genoma fue cartografiado en el año 2016 por un grupo del USDA y el Baylor College of Medicine, en Texas (EE UU), pero ese mapa tenía ciertas lagunas. En 2021, varios investigadores de la Universidad de California en Riverside, entre los que se encontraba Atkinson, rellenaron otros mapas para producir una versión más completa.

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A medida que los científicos editen genéticamente más especies parasitarias, será importante conocer mejor su biología y su genética, según afirma Linda Walling, genetista de plantas de la Universidad de California en Riverside. Walling también trabaja en la investigación del insecto francotirador. "Habrá que invertir mucho en comprender la biología. Hasta ahora, solo queríamos matarlas", afirma la genetista.

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Esa comprensión va más allá de la secuenciación del ADN. Antes de realizar modificaciones, los investigadores tienen que averiguar qué podría impedir que un insecto dañe una planta y determinar qué modificaciones podrían lograrlo. En el caso de este insecto, había un buen candidato: investigaciones anteriores de la Universidad de California en Berkeley (EE UU) demostraron que un hidrato de carbono en la boca del insecto facilita la adhesión de las bacterias causantes de la enfermedad de Pierce, y señalaron ciertas moléculas que los científicos podrían modificar para cambiar esta situación.

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Ahora, un grupo de la Universidad de California en Riverside, en el que participan Atkinson y Walling, está intentando introducir esas modificaciones.

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Una parte del reto consiste en encontrar la forma de que la maquinaria de edición genética llegue a los minúsculos embriones de insectos, que se desarrollan con rapidez.

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"La entrega es el secreto de todo", asegura Wayne Hunter, entomólogo investigador del USDA, que ya trabajó en el año 2016 en el borrador del genoma del insecto francotirador. 

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Los embriones de esta especie de insecto miden unos 3 mm de largo. El equipo de Riverside desarrolló una novedosa forma de inyectarles la maquinaria CRISPR/Cas9 sin sacarlos de la hoja donde habían sido depositados. La técnica era "sencilla de realizar, ya que una masa con 20 huevos puede ser inyectada en diez minutos por un operador novato", según un artículo publicado en el año 2022.

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Tras la inyección, el equipo demostró que la tecnología CRISPR podía cortar y cambiar el genoma del insecto. Como prueba inicial, los investigadores utilizaron la tecnología para eliminar los genes que controlan el color de los ojos del insecto. Ahora, el grupo trabaja en la inserción de genes en el genoma de este insecto con la esperanza de transformar el tejido de su boca para que actúe como el teflón, haciendo que las bacterias causantes de la enfermedad de Pierce se desprendan de él.

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El equipo ha recibido financiación del USDA, así como de una junta de representantes del sector vinícola, convocada en especial por el gobierno de California para combatir la enfermedad de Pierce.

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La junta, de la que McIntyre forma parte, apoya una serie de posibles enfoques para derrotar a la enfermedad, incluida la edición genética de las vides, así como los biopesticidas, que suelen derivarse de materiales naturales. La enfermedad de Pierce es un problema "terrible" para los viticultores, afirma Kristin Lowe, coordinadora de investigación de la junta. "Con la mayoría de los patógenos de plantas que son [propagados] por un insecto, tienes que explotar todas y cada una de las debilidades que puedas encontrar -en la biología, el medio ambiente, la ecología de esa enfermedad- para conseguir controlarlo a largo plazo", declara Lowe.

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La operación mosca de la fruta

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Otra tecnología CRISPR nacida en California ya ha iniciado el largo proceso hacia su comercialización para utilizarse como plaguicida agrícola.

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Omar Akbari empezó a utilizar CRISPR como postdoctorando en ingeniería biológica en Caltech, poco después de la publicación de un artículo fundamental sobre esta tecnología. Una década más tarde, su laboratorio de la Universidad de California en San Diego (EE UU) utiliza CRISPR en casi una docena de especies de insectos.

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Uno de sus objetivos es la Drosophila suzukii, una especie de mosca de la fruta que crea agujeros en frutas blandas y maduras, como cerezas y ciruelas, para poner sus huevos. Las moscas, que estropean cada año unos 500 millones de dólares en cosechas de fruta en EE UU, ya se han hecho resistentes a algunos pesticidas.

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El laboratorio de Akbari ha utilizado CRISPR para modificar genes con el fin de crear machos estériles, y matar a las hembras. Si esas moscas macho fueran liberadas, se mezclarían con moscas normales y su incapacidad para reproducirse podría reducir la población total.

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Agragene, empresa licenciataria de la tecnología de Akbari, ha recaudado 5,2 millones de dólares para comercializar este método de esterilización en plagas de cultivos. Este año 2023, la empresa está probando el producto en invernaderos de Oregón.

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Existen numerosas estrategias para controlar las poblaciones de plagas y las enfermedades transmisoras mediante el uso de CRISPR. "Tu experimento solo está limitado por tu ingenio, hasta cierto punto", afirma Nikolay Kandul, que trabaja con Akbari en la Universidad de California en San Diego.

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Sin embargo, los investigadores también deben enfrentarse a la biología y a las consecuencias de sus decisiones. En ciertos sistemas, como la edición de la mosca de la fruta de Akbari, un cambio no debería permanecer en la población a menos que se sigan liberando insectos modificados genéticamente. "Es seguro, eficaz, confinable, no va a persistir en el medio ambiente", afirma este postdoctorando.

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Akbari también ha trabajado en otro enfoque más permanente: los impulsores genéticos. Esta técnica engaña a las reglas de la genética, aumentando la probabilidad de que un organismo herede determinados genes y los propague entre la población. El potencial de esta tecnología ha suscitado tanto entusiasmo como preocupación. Ya que se está estudiando el uso de impulsores genéticos en mosquitos para interrumpir la transmisión de la malaria, pero muchos científicos han señalado los riesgos potenciales, y han pedido cautela.

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"Las sustancias químicas solo pueden viajar hasta cierto punto, antes de degradarse en el medio ambiente. Si introduces un organismo modificado genéticamente que puede desplazarse por el medio, tienes el potencial de cambiar o transformar entornos a través de una enorme escala espacial y temporal", afirma Jason Delborne, profesor de Ciencia, Política y Sociedad de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

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Kandul es aún más directo: los variadores genéticos pueden ser "chapuceros", asegura.

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Agragene se planteó utilizarlas en las moscas de la fruta, pero Akbari afirma que los directivos decidieron que sería difícil atraer a inversores y obtener la aprobación de las autoridades reguladoras. En su lugar, la empresa optó por la tecnología de esterilización. Tras completar las pruebas en laboratorio el pasado año 2022, Agragene está iniciando pruebas en invernaderos en colaboración con el USDA. Así espera que, en última instancia, allanen el camino para una liberación generalizada.

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"Estás reuniendo datos suficientes para demostrar que tu insecto estéril es seguro, en este caso", afirma Bryan Witherbee, director ejecutivo de Agragene, que ya trabajó en Monsanto y otras empresas de biotecnología.

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Las pruebas que Agragene completó el año pasado dieron a la empresa la seguridad de que sus insectos estériles podrían sobrevivir y funcionar como los no modificados, afirma Witherbee, y la empresa también trabajó en técnicas para crear insectos estériles a mayor escala. Pero Agragene aún está decidiendo qué datos tendrá que presentar a la Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE UU (EPA, por sus siglas en inglés) para obtener la aprobación y liberar los insectos, este proceso podría llevar años.

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En EE UU, el entorno normativo sobre los insectos modificados con CRISPR está "evolucionando", según un portavoz de la EPA. Las directrices gubernamentales publicadas en el año 2017 ya esbozaban un enfoque coordinado que sugería que el USDA tendría en gran autoridad sobre los animales modificados genéticamente que estuvieran relacionados con la agricultura. Pero la jurisdicción puede variar, dependiendo de si un organismo modificado está destinado a reducir la población de un insecto o interrumpir la transmisión de enfermedades. Hasta ahora, el gobierno estadounidense ha permitido la liberación de mosquitos modificados genéticamente; pero las pruebas con plagas de cultivos, como la polilla de diamante y el gusano rosado de la cápsula, han sido limitadas.

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Walling y Atkinson, de la UC Riverside, prevén que se tardará años en perfeccionar las plagas agrícolas genéticamente alteradas, y obtener la aprobación para que sean liberadas. Agragene espera que los plazos sean más rápidos. La empresa, que ya se ha puesto en contacto con la EPA, tiene como objetivo para el año 2024 presentar una solicitud de aprobación reglamentaria para el uso comercial de sus moscas de la fruta y espera que el proceso dure hasta dos años.

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Más allá de la edición

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La modificación genética de insectos puede ser una táctica poderosa, pero algunos expertos en la biología de plantas e insectos también ven potencial en otras técnicas.

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Durante más de una década, Hunter, entomólogo del USDA, ha trabajado en diversas iniciativas para cartografiar el genoma de una plaga que, cada año, causa daños por valor de miles de millones de dólares en seis continentes. Este es el psílido asiático de los cítricos, que propaga una enfermedad que mata los cítricos, dejando hojas amarillentas y frutos verdes y amargos.

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"No tienes mucho que vender, aunque el árbol esté vivo", asegura Hunter.

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Ahora Hunter forma parte de un gran equipo subvencionado que trabaja en diversos métodos para proteger a los árboles de este reverdecimiento de los cítricos. En los próximos años, el grupo espera centrarse en varios productos o soluciones que puedan comercializarse para su uso en el campo.

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Este año, Hunter empezará a utilizar CRISPR para modificar genes que puedan neutralizar al psílido como vector de propagación de esta enfermedad que reverdece los cítricos. Pero afirma que las plantas modificadas para resistir a las bacterias siguen siendo la solución más probable para enfrentarse a la enfermedad. "De ahí vendrá la respuesta", afirma Hunter. Atacar a los insectos podría hacer que la enfermedad siguiera circulando, aunque en un número menor de insectos, pero la inmunidad de las plantas atenuaría el impacto de la enfermedad.

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Aun así, la modificación de las plantas tiene sus limitaciones como solución general al problema de las plagas agrícolas. Algunos insectos, como la mosca de la fruta con alas manchadas, afectan a tantos frutos diferentes que producir variedades de plantas resistentes sería demasiado engorroso, afirma Anthony Shelton, profesor emérito del Departamento de Entomología de la Universidad de Cornell (EE UU) que ha trabajado en la producción de polillas diamondback estériles.

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En lo que respecta a la histórica lucha entre los agricultores y las plagas, Shelton afirma que es importante adoptar nuevas herramientas.  

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"Todos hemos aprendido lo suficiente para saber que no hay una panacea en la agricultura, o en la entomología médica, para controlar las plagas. Todos nos hemos vuelto más inteligentes, con suerte", afirma Shelton.

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Emma Foehringer Merchant es una periodista que suele tratar temas como el cambio climático, la energía y el medio ambiente. Reside en California.

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