En la continua carrera armamentista entre los parásitos y sus anfitriones, se pensaba que la innovación era la clave para un ataque o defensa exitoso que superara a la competencia.
Pero a veces, como en el mundo empresarial, el robo descarado puede ser una forma más rápida de alcanzar el dominio.
Biólogos de la Universidad de California en Berkeley han demostrado que varias especies de moscas de la fruta han robado una defensa exitosa de las bacterias para sobrevivir a la depredación de avispas parásitas, que en algunas moscas pueden convertir a la mitad de todas las larvas de moscas en úteros sustitutos para avispas bebés: un destino espantoso. que inspiró a la criatura en la película «Alien» de 1979.
Las bacterias y otros microbios son famosos por robar genes de otros microbios o virus; Esta llamada transferencia horizontal de genes es la fuente de una problemática resistencia a los antibióticos entre los microbios que causan enfermedades. Pero se cree que es menos común en organismos multicelulares, como insectos y humanos. Comprender qué tan común es en los animales y cómo estos genes son cooptados y compartidos puede ayudar a los científicos a comprender la evolución de las defensas inmunes de los animales y podría señalar el camino hacia terapias humanas para combatir enfermedades parasitarias o infecciosas o el cáncer, en sí mismo una especie de parásito.
«Es un modelo para comprender cómo evolucionan los sistemas inmunológicos, incluido nuestro sistema inmunológico, que también contiene genes transferidos horizontalmente», dijo Noah Whiteman, profesor de biología molecular y celular y de biología integrativa de UC Berkeley y director del Museo de Entomología Essig del campus.
El año pasado, los investigadores y sus colegas en Hungría utilizaron la edición del genoma CRISPR para desactivar el gen responsable de la defensa en una especie de mosca muy extendida. Drosophila ananassaey descubrió que casi todas las moscas genéticamente modificadas murieron por la depredación de avispas parásitas.
En un nuevo estudio publicado el 20 de diciembre en la revista Biología actuallos biólogos demostraron que esta defensa, un gen que codifica una toxina, puede editarse en el genoma de la mosca de la fruta común de laboratorio. Drosophila melanogasterpara hacerlos resistentes también a las avispas parasitoides. Básicamente, el gen se convierte en parte del sistema inmunológico de la mosca, un arma de su arsenal para defenderse de los parásitos.
Los resultados demuestran cuán crucial es la defensa robada para la supervivencia de los vuelos y destaca una estrategia que puede ser más común en animales de lo que sospechan los científicos.
«Esto muestra que la transferencia horizontal de genes es una forma subestimada en la que se produce una rápida evolución en los animales», dijo la estudiante de doctorado de UC Berkeley, Rebecca Tarnopol, primera autora del artículo. Biología actual papel. «La gente aprecia la transferencia horizontal de genes como uno de los principales impulsores de la rápida adaptación en los microbios, pero se pensaba que estos eventos eran muy poco comunes en los animales. Pero al menos en los insectos, parece que son bastante frecuentes».
Según Whiteman, autor principal del artículo, «el estudio muestra que para mantenerse al día con el aluvión de parásitos que están continuamente desarrollando nuevas formas de superar las defensas del huésped, una buena estrategia para los animales es tomar prestados genes de animales que evolucionan aún más rápidamente». virus y bacterias, y eso es exactamente lo que han hecho estas moscas».
Flujo de genes del virus a la bacteria para volar
Whiteman estudia cómo los insectos evolucionan para resistir las toxinas que las plantas producen para evitar ser comidos. En 2023, publicó un libro, «Most Delicious Poison», sobre las toxinas vegetales que los humanos disfrutan, como la cafeína y la nicotina.
Una interacción planta-herbívoro en la que se centra es la que ocurre entre la mosca común de la fruta Scaptomyza flava y plantas de mostaza de sabor amargo, como los berros que crecen en los arroyos de todo el mundo.
«Las larvas, las etapas inmaduras de la mosca, viven en las hojas de la planta. Son minadores de hojas, dejan pequeños rastros en las hojas», dijo Whiteman. «Son verdaderos parásitos de la planta y la planta intenta matarlos con sus productos químicos especializados. Estudiamos esa carrera armamentista».
Sin embargo, lo que ha aprendido probablemente se aplique a muchos otros insectos, que se encuentran entre los herbívoros más exitosos de la Tierra.
«Estas son pequeñas moscas oscuras, pero si piensas en el hecho de que la mitad de todas las especies de insectos vivos son herbívoros, es una historia de vida muy popular. Comprender la evolución de eso es realmente importante para comprender la evolución en general en términos de cómo los herbívoros exitosos son», dijo.
Hace varios años, después de secuenciar el genoma de la mosca en busca de genes que le permitieran resistir las toxinas de la mostaza, descubrió un gen inusual que, según supo, estaba muy extendido en las bacterias. Una búsqueda en secuencias genómicas publicadas anteriormente encontró el mismo gen en una mosca relacionada, Drosophila ananassaeasí como en una bacteria que vive dentro de un pulgón. Los investigadores que estudian el pulgón descubrieron una historia complicada: el gen en realidad proviene de un virus bacteriano, o bacteriófago, que infecta las bacterias que viven dentro del pulgón. El gen del bacteriófago, expresado por la bacteria, hace que el pulgón sea resistente a una avispa parásita que lo ataca.
Estas avispas ponen sus huevos dentro de las larvas, o gusanos, y permanecen allí hasta que las larvas se convierten en pupas inmóviles, momento en el que los huevos de avispa maduran y se convierten en larvas de avispa que consumen la pupa de la mosca y eventualmente emergen como adultos.
Cuando Tarnopol utilizó por primera vez la edición genética para expresar el gen de la toxina en todas las células de D. melanogaster, todas las moscas murieron. Pero cuando Tarnopol expresó el gen sólo en ciertas células inmunes, la mosca se volvió tan resistente a los parásitos como su prima, D. ananassae.
Whiteman, Tarnopol y sus colegas descubrieron posteriormente que el gen encontrado en el genoma de D. ananassae — una fusión entre dos genes de toxinas, toxina distendente citoletal B (cdtb) y Proteína inductora de apoptosis de 56 kDa. (aip56), que los investigadores llamaron fusiónB – codifica una enzima que corta el ADN.
Para descubrir cómo esta nucleasa es capaz de matar un huevo de avispa, los investigadores de UC Berkeley contactaron a István Andó en el Instituto de Genética del Centro de Investigación Biológica HUN-REN en Szeged, Hungría, quien previamente había demostrado que estas mismas moscas tienen un defensa celular contra los huevos de avispa que esencialmente separa los huevos del cuerpo de la mosca y los mata. Andó y sus colegas de laboratorio crearon anticuerpos contra la toxina que les permitió rastrearla a través del cuerpo de la mosca y descubrieron que la nucleasa esencialmente inunda el cuerpo de la mosca para rodear y matar el huevo.
«Hemos estado encontrando este enorme mundo sin explotar de factores inmunes humorales que podrían estar en juego en el sistema inmunológico de los invertebrados», dijo Tarnopol. «Nuestro artículo es uno de los primeros en mostrar, al menos en Drosophila, que este tipo de respuesta inmune podría ser un mecanismo común mediante el cual se enfrentan enemigos naturales como las avispas y los nematodos. Son mucho más letales por naturaleza que algunos de las infecciones microbianas con las que trabaja la mayoría de la gente».
Whiteman y sus colegas todavía están explorando las complejidades de estas interacciones entre mosca y avispa, y los cambios celulares y genéticos que permitieron a las moscas sintetizar una toxina sin matarse.
«Si el gen se expresa en el tejido equivocado, la mosca morirá. Ese gen nunca se extenderá por las poblaciones mediante la selección natural», afirmó Whiteman. «Pero si aterriza en un lugar del genoma que está cerca de algún potenciador o algún componente regulador que lo expresa un poco en el tejido graso del cuerpo, entonces se puede ver cómo puede hacer que esta pierna levante muy rápidamente, se obtiene esta sorprendente ventaja. «
La transferencia horizontal de genes en cualquier organismo plantearía problemas similares, dijo, pero en la carrera armamentista entre depredador y presa, puede valer la pena.
«Cuando eres una pobre mosca de la fruta, ¿cómo lidias con estos patógenos y parásitos que están evolucionando rápidamente para aprovecharse de ti?» dijo. «Una forma es tomar prestados genes de bacterias y virus porque están evolucionando rápidamente. Es una estrategia ingeniosa: en lugar de esperar a que tus propios genes te ayuden, tómalos de otros organismos que están evolucionando más rápidamente que ellos. Y Esto parece haber sucedido muchas veces de forma independiente en los insectos, dado que muchos diferentes han adoptado este gen. Nos da una imagen de un nuevo tipo de dinamismo que está ocurriendo incluso en animales que simplemente tienen sistemas inmunológicos innatos y no los tienen. tener adaptativo inmunidad.»
El trabajo de Whiteman fue financiado por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud (R35GM119816). Otros coautores del artículo son Josephine Tamsil, Ji Heon Ha, Kirsten Verster y Susan Bernstein de UC Berkeley, Gyöngyi Cinege, Edit Ábrahám, Lilla B. Magyar y Zoltán Lipinszki de Hungría y Bernard Kim de la Universidad de Stanford.
