Whiteman y sus colegas de la Universidad de California, Berkeley, han convertido moscas de la fruta perfectamente apetecibles (al menos, apetecibles para las ranas y los pájaros) en presas potencialmente venenosas que pueden provocar que cualquier cosa que se las coma vomite.En cantidades suficientemente grandes, las moscas probablemente también provocarían vómitos en un ser humano, de forma muy similar al efecto emético del jarabe de ipecacuana.

Esto se debe a que el equipo diseñó genéticamente las moscas, utilizando la edición genética CRISPR-Cas9, para poder comer algodoncillo sin morir y secuestrar sus toxinas, tal como lo hace la mariposa más querida de Estados Unidos, la monarca, para disuadir a los depredadores.

Esta es la primera vez que alguien ha recreado en un organismo multicelular un conjunto de mutaciones evolutivas que conducen a una adaptación totalmente nueva al medio ambiente; en este caso, una nueva dieta y una nueva forma de disuadir a los depredadores.

Al igual que las orugas monarca, los gusanos de la mosca de la fruta CRISPRed se alimentan del algodoncillo, que contiene toxinas que matan a la mayoría de los demás animales, incluidos los humanos.Los gusanos almacenan las toxinas en sus cuerpos y las retienen mediante metamorfosis, después de convertirse en moscas adultas, lo que significa que las "moscas monarca" adultas también pueden hacer que los animales vomiten.

El equipo logró esta hazaña realizando tres ediciones CRISPR en un solo gen: modificaciones idénticas a las mutaciones genéticas que permiten a las mariposas monarca comer algodoncillo y secuestrar su veneno.Estas mutaciones en la monarca le han permitido comer plantas venenosas comunes que otros insectos no podían y son clave para la próspera presencia de la mariposa en América del Norte y Central.

Las moscas con la triple mutación genética demostraron ser 1.000 veces menos sensibles a la toxina del algodoncillo que la mosca silvestre de la fruta.Drosophila melanogaster.

Whiteman y sus colegas describirán su experimento en la edición del 2 de octubre de la revista.Naturaleza.

moscas monarca

Los investigadores de la Universidad de California en Berkeley crearon estas moscas monarca para establecer, sin lugar a dudas, qué cambios genéticos en el genoma de las mariposas monarca eran necesarios para permitirles comer algodoncillo con impunidad.Sorprendentemente, descubrieron que sólo tres sustituciones de un solo nucleótido en un gen son suficientes para dar a las moscas de la fruta la misma resistencia a las toxinas que las monarcas.

"Todo lo que hicimos fue cambiar tres sitios y creamos estas supermoscas", dijo Whiteman, profesor asociado de biología integrativa."Pero para mí, lo más sorprendente es que pudimos probar hipótesis evolutivas de una manera que nunca había sido posible fuera de líneas celulares. Habría sido difícil descubrir esto sin tener la capacidad de crear mutaciones con CRISPR".

El equipo de Whiteman también demostró que otros 20 grupos de insectos capaces de comer algodoncillo y plantas tóxicas relacionadas, incluidas polillas, escarabajos, avispas, moscas, pulgones, un gorgojo y un verdadero insecto, la mayoría de los cuales lucen el color naranja para ahuyentar a los depredadores,Mutaciones evolucionaron independientemente en una, dos o tres de las mismas posiciones de aminoácidos para superar, en diversos grados, los efectos tóxicos de estos venenos vegetales.

De hecho, su equipo reconstruyó una, dos o tres mutaciones que condujeron a cada uno de los cuatro linajes de mariposas y polillas, y cada mutación confiere cierta resistencia a la toxina.Las tres mutaciones fueron necesarias para convertir a la mariposa monarca en la reina del algodoncillo.

Sin embargo, la resistencia a la toxina del algodoncillo tiene un costo.Las moscas monarca no se recuperan tan rápidamente de perturbaciones como las sacudidas, una prueba conocida como sensibilidad al "golpe".

"Esto muestra que las mutaciones tienen un costo, en términos de recuperación del sistema nervioso y probablemente otras cosas que desconocemos", dijo Whiteman."Pero el beneficio de poder escapar de un depredador es tan alto... si se trata de muerte o toxinas, las toxinas ganarán, incluso si hay un costo".

Planta contra insecto

Whiteman está interesado en la batalla evolutiva entre plantas y parásitos y estaba intrigado por las adaptaciones evolutivas que permitieron a la monarca vencer la defensa tóxica del algodoncillo.También quería saber si otros insectos resistentes (aunque todos menos resistentes que la monarca) utilizan trucos similares para desactivar la toxina.

"Desde que las plantas y los animales invadieron la tierra por primera vez hace 400 millones de años, se cree que esta carrera armamentista coevolutiva ha dado lugar a gran parte de la diversidad de plantas y animales que vemos, porque la mayoría de los animales son insectos, y la mayoría de los insectos son herbívoros: comenplantas", afirmó.

El algodoncillo y una variedad de otras plantas, incluida la dedalera, la fuente de digitoxina y digoxina, contienen toxinas relacionadas, llamadas glucósidos cardíacos, que pueden matar a un elefante y a cualquier criatura con el corazón palpitante.El efecto de la dedalera en el corazón es la razón por la que un extracto de la planta, del género Digitalis, se ha utilizado durante siglos para tratar afecciones cardíacas, y por la que la digoxina y la digitoxina se utilizan hoy en día para tratar la insuficiencia cardíaca congestiva.

El amargor de estas plantas por sí solo es suficiente para disuadir a la mayoría de los animales, pero a una pequeña minoría de insectos, incluida la monarca (Danaus plexippus) y su pariente, la mariposa reina (Danaus gilippus), han aprendido a amar el algodoncillo y a utilizarlo para repeler a los depredadores.

Whiteman señaló que la monarca es un linaje tropical que invadió América del Norte después de la última edad de hielo, en parte gracias a las tres mutaciones que le permitieron comer una planta venenosa que otros animales no podían, dándole una ventaja de supervivencia y una defensa natural contra los depredadores..

"La monarca es la que mejor resiste la toxina de todos los insectos y tiene la mayor población de todos ellos; está en todo el mundo", dijo.

El nuevo artículo revela que las mutaciones tenían que ocurrir en la secuencia correcta, de lo contrario las moscas nunca habrían sobrevivido a los tres eventos mutacionales separados.

Frustrando la bomba de sodio

Los venenos de estas plantas, la mayoría de ellos un tipo de cardenólido, interfieren con la bomba de sodio/potasio (Na+/K+-ATPasa) que la mayoría de las células del cuerpo utilizan para sacar los iones de sodio y entrar los iones de potasio.desequilibrio que la célula utiliza a su favor.Las células nerviosas, por ejemplo, transmiten señales a lo largo de sus cuerpos celulares alargados, o axones, abriendo puertas de sodio y potasio en una onda que desciende por el axón, permitiendo que los iones entren y salgan para equilibrar el desequilibrio.Una vez pasada la onda, la bomba de sodio restablece el desequilibrio iónico.

La digitoxina, de la dedalera, y la ouabaína, la principal toxina del algodoncillo, bloquean la bomba e impiden que la célula establezca el gradiente de sodio/potasio.Esto altera la concentración de iones en la celda, causando todo tipo de problemas.En los animales con corazón, como las aves y los humanos, las células del corazón comienzan a latir con tanta fuerza que el corazón falla;el resultado es la muerte por paro cardíaco.

Los científicos saben desde hace décadas cómo interactúan estas toxinas con la bomba de sodio: se unen a la parte de la proteína de la bomba que sobresale a través de la membrana celular, obstruyendo el canal.Incluso han identificado dos cambios o mutaciones de aminoácidos específicos en la bomba de proteínas que las monarcas y otros insectos desarrollaron para evitar que la toxina se una.

Pero Whiteman y sus colegas no estaban satisfechos con esta sencilla explicación: que los insectos desarrollaron coincidentemente las mismas dos mutaciones idénticas en la bomba de sodio 14 veces distintas, fin de la historia.Con la llegada de la edición de genes CRISPR-Cas9 en 2012, inventada por Jennifer Doudna de UC Berkeley, Whiteman y sus colegas Anurag Agrawal de la Universidad de Cornell y Susanne Dobler de la Universidad de Hamburgo en Alemania solicitaron a la Fundación Templeton una subvención para recrear estas mutaciones enmoscas de la fruta y para ver si podían hacer que las moscas fueran inmunes a los efectos tóxicos de los cardenólidos.

Siete años, muchos intentos fallidos y una nueva subvención de los Institutos Nacionales de Salud después, junto con el dedicado trabajo CRISPR de GenetiVision de Houston, Texas, finalmente lograron su objetivo.En el proceso, descubrieron una tercera mutación compensatoria crítica en la bomba de sodio que tenía que ocurrir antes de que se mantuviera la última y más potente mutación de resistencia.Sin esta mutación compensatoria, los gusanos morían.

Su trabajo de detective requirió insertar mutaciones simples, dobles y triples en el gen de la bomba de sodio de la mosca de la fruta, en varios órdenes, para evaluar cuáles eran necesarias.Los insectos que tenían sólo uno de los dos cambios de aminoácidos conocidos en el gen de la bomba de sodio eran los mejores para resistir los venenos de las plantas, pero también tenían efectos secundarios graves (problemas del sistema nervioso) consistentes con el hecho de que las mutaciones de la bomba de sodio en los humanos a menudo sonasociado con convulsiones.Sin embargo, la tercera mutación compensatoria reduce de alguna manera los efectos negativos de las otras dos mutaciones.

"Una sustitución que evolucionó confiere una resistencia débil, pero siempre está presente y permite sustituciones que conferirán la mayor resistencia", dijo la becaria postdoctoral Marianna Karageorgi, genetista y bióloga evolutiva."Esta sustitución en el insecto desbloquea las sustituciones de resistencia, reduciendo los costos neurológicos de la resistencia. Debido a que este rasgo ha evolucionado tantas veces, también hemos demostrado que esto no es aleatorio".

El hecho de que se requiera una mutación compensatoria antes de que los insectos con la mutación más resistente puedan sobrevivir impuso una limitación a la forma en que los insectos podrían desarrollar resistencia a las toxinas, lo que explica por qué los 21 linajes convergieron en la misma solución, dijo Whiteman.En otras situaciones, como cuando la proteína involucrada no es tan crítica para la supervivencia, los animales pueden encontrar soluciones diferentes.

"Esto ayuda a responder la pregunta: '¿Por qué la convergencia evoluciona a veces, pero no otras?'", dijo Whiteman."Tal vez las limitaciones varíen. Esa es una respuesta simple, pero si lo piensas bien, estas tres mutaciones convirtieron una proteína de Drosophila en una monarca, con respecto a la resistencia a cardenólidos. Eso es bastante notable".

La investigación fue financiada por la Fundación Templeton y los Institutos Nacionales de Salud.Los coautores con Whiteman y Agrawal son los primeros coautores Marianthi Karageorgi de UC Berkeley y Simon Groen, ahora en la Universidad de Nueva York;Fidan Sumbul y Felix Rico de la Universidad Aix-Marseille en Francia;Julianne Peláez, Kirsten Verster, Jessica Aguilar, Susan Bernstein, Teruyuki Matsunaga y Michael Astourian de UC Berkeley;Amy Hastings de Cornell;y Susanne Dobler de la Universität Hamburg en Alemania.