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Gen

Los secretos de la nobleza

Los biólogos comienzan a entender como actúan los genes en la diferenciación entre las abejas reinas de las obreras.

“La vida de las abejas es como un pozo mágico. Cuanto más se saca, más hay para sacar”. La frase es de Karl von Frisch (1886-1982), el austríaco que descifró la comunicación entre las abejas y por eso compartió junto a dos colegas el Premio Nóbel de Fisiología y Medicina, en 1973, y el título de padre de la etología, que es el estudio del comportamiento animal. Los biólogos Zilá Simões, Klaus Hartfelder y Márcia Bitondi, del Laboratorio de Biología del Desarrollo de Abejas (LBDA) en el campus de Ribeirão Preto de la Universidad de São Paulo (USP), hace más de dos décadas que sacan tesoros de ese pozo. Ellos investigan cómo los genes y hormonas interactúan con el ambiente y determinan las castas de las abejas, uno de los grandes misterios de la biología. El equipo brasileño forma parte de un consorcio internacional de grupos de investigación que en octubre anunció que completaron la secuencia del genoma de la abeja, el primer insecto social en ser estudiado en ese aspecto. Lo que vino dentro de ese balde sacado del pozo muestra que la declaración de Von Frisch es más actual que nunca.

En la sociedad de las abejas sólo la reina se reproduce. Las obreras cuidan las larvas y garantizan el mantenimiento de la colonia. Charles Darwin llegó a temer que la existencia de una casta estéril pusiese en riesgo su teoría de la selección natural ?que dice que sólo vencen en el juego de la evolución aquéllos que dejan descendientes fuertes. El enigma fue estudiado desde diversos ángulos a lo largo del último siglo, y ahora la genómica, llega para dar una manito. Como participantes del Proyecto Genoma, los genetistas de Ribeirão Preto son responsables por la investigación de la genética de la formación de castas. Con base en experimentos realizados a lo largo de la última década ellos ahora identificaron 51 genes decisivos en la diferenciación de reinas y obreras y están develando un complejo sistema de regulación genética, protagonista en la evolución del sistema social de las abejas.

Luego del nacimiento
Quienes creen en la supremacía de los genes se sorprenderían al descubrir que abejas de castas diferentes sean iguales desde el punto de vista genético. “Eso se sabe desde hace décadas”,  afirma Zilá. En las primeras 48 horas de vida, cometa Márcia, basta alimentar a cualquier larva con jalea real para originar una nueva reina. Los apicultores, que crían abejas para la producción comercial de miel y propóleos, utilizan ese conocimiento para multiplicar sus colmenas.

A pesar de la homogeneidad genética, las diferencias entre las castas son pronunciadas. Una reina vive entre uno y dos años. Durante ese tiempo ella pone hasta 2 mil huevos por día, a partir de espermatozoides almacenados en una única ocasión. Las obreras parecen ser en cierta forma descartables. Ellas viven entre treinta días y seis meses, y al volverse “campestres o recolectoras” tienen un sistema inmunológico poco activo y comen menos, prácticamente sólo carbohidratos. Existen decenas de miles en cada colonia y, al morir, son sustituidas por otras.

Durante su vida laboral, esencial para la supervivencia y el crecimiento de la colmena, la función de las obreras adultas varía conforme a la edad: limpiar y construir la colmena, alimentar y cuidar a las larvas en desarrollo, defender la colonia y recolectar alimento. En esta última función ellas son llamadas campestres. Para monitorear el comportamiento de los insectos durante el transcurso de esos diferentes estadios, en el Laboratorio de Abejas los investigadores observan colmenas vidriadas, donde las obreras son marcadas con plaquitas coloreadas numeradas adosadas en su torso. Las abejas marcadas no parecen incomodarse: comienzan a volar y, de regreso en la colonia, a bailar para indicar a las compañeras donde está la comida. Explicar el orquestado de toda esa variedad comportamental y fisiológica estimula desde hace más de dos décadas la curiosidad de Zilá, Hartfelder y Márcia. Para entender cómo se crea una reina o una obrera, ellas emprendieron una extensa investigación del funcionamiento genético y hormonal de las abejas. El esfuerzo dio sus frutos: antes de que se iniciase el Proyecto Genoma, el grupo ya había identificado y secuenciado un gen clave en la diferenciación de castas. Es el responsable por la síntesis de la vitelogenina (VG), una proteína esencial para la reproducción, ya que representa buena parte del alimento (vitelo) que nutre al embrión dentro de los huevos. Además de su función reproductiva, la vitelogenina influye en la longevidad y en el sistema inmunológico del insecto, tanto en reinas como en obreras.

El proyecto de investigación llevado a cabo en  el LBDA indicó que la alimentación de las larvas con jalea real tiene influencia directa sobre el sistema hormonal, que aumenta la síntesis de hormonas juveniles. Esas larvas entonces se vuelven reinas, que producen más vitelogenina. “Es posible crear reinas sin jalea real”, cuenta Zilá. “La hormona juvenil aplicada experimentalmente conduce a su formación”. Según Hartfelder, se encuentra programada en las células de los ovarios de las obreras una muerte celular acentuada. Una mayor cantidad de hormona juvenil en la larva de la reina impide la atrofia de los órganos reproductivos. Las obreras, que escaparon de la dosis mágica de hormona juvenil durante el desarrollo embrionario, no se hallan exentas de su influencia. En cierto momento de su vida la producción de hormonas aumenta, la síntesis de vitelogenina cae y ellas comienzan a volar en búsqueda de alimento: se vuelven campestres.

Pero cuidado: No estamos ante la posibilidad de denominar al gen VG como gen de las castas. Las interacciones génicas son muy complejas y aún se encuentran lejos de ser completamente comprendidas. Con el genoma completo, ahora será posible investigar en forma más general la influencia de los genes en el organismo y en el comportamiento de las abejas. En el caso del LBDA, el equipo identificó en el genoma, 51 genes ligados al desarrollo de las castas. Los investigadores consideran que esos no son los únicos genes envueltos en el proceso, pero parecen estar entre los más importantes.

Trabajo acelerado
Los genetistas creen que los resultados sobre el genoma proporcionarán un gran avance en el conocimiento sobre insectos sociales. Trabajar con un gen por vez se hace muy lento. Zilá estima que llevará alrededor de un año para secuenciar cada uno de ellos. Por ello, el método diez veces más rápido empleado en los proyectos de secuenciado de los genomas permite un progreso considerable. Pero es la experiencia laboral de Zilá, Márcia y Hartfelder con los sistemas genético y hormonal de las abejas lo que los conduce a integrar el consorcio internacional que reúne a 170 investigadores de 65 instituciones para descifrar el ADN de la abeja. La estimación es que su genoma se halle compuesto por alrededor de 10 mil genes, una cantidad menor a la de otros insectos ya secuenciados: la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster), el mosquito que transmite la malaria (Anopheles gambiae) y el gusano de seda (Bombyx mori).

Con la secuenciación del genoma, surgen puntos que antes no podían estudiarse. En este caso, cuestiones típicas de los insectos sociales, como la división del trabajo, las castas reproductivas o los sistemas de comunicación. Un proceso simplificado, que ya se utilizó en otros proyectos como el de la vaca y el del eucalipto, permite secuenciar solamente los genes activos — aquéllos que tienen la función de producir proteínas.

Pero el ADN contiene una inmensidad de otros tramos que no producen sustancias directamente, y por eso eran llamados ADN basura. Sin embargo cada vez más investigaciones están demostrando que esos tramos del genoma tienen una importancia inmensa. “El genoma completo contiene información acerca de secuencias reguladoras”, dice Hartfelder. El sistema de regulación permite entender cómo funciona el organismo y puede contener el origen de marcadas diferencias entre animales genéticamente similares. El análisis del genoma de la abeja ya develó importantes pistas sobre mecanismos de regulación de los genes — el sistema de metilación y los micro ARN’s. Son moléculas capaces de desligar genes y por eso determinan las partes del genoma activo conforme cada individuo y cada momento. Las interacciones dentro del genoma y la actividad de los genes son conocidas como redes genéticas. Ese tipo de sistema puede ser responsable por buena parte de las diferencias entre la casta reproductiva y la no reproductiva, además de determinar las sucesivas funciones de las abejas obreras a lo largo de su vida.

La diferencia entre reinas y obreras, por ejemplo resulta evidente cuando se estudian las redes genéticas de ambas castas. Esas redes se representan como pequeños círculos que indican los genes super expresados (más activos), con líneas entre ellos que muestran conexiones funcionales — un gen activa o inactiva a otro, por ejemplo. Zilá muestra dos de esos esquemas, uno de ellos tan intrincado que las líneas se entrecruzan en la vista: “Ésta es una obrera”, remarca. La más simple muestra una reina. Para el genetista es como mirar fotografías de las abejas de ambas castas. Las obreras tienen un cerebro mayor, con más neuronas, y su red genómica es más compleja.

Además de representar un avance importante en la comprensión de un insecto social, el Proyecto Genoma de la abeja puede contar con aplicaciones prácticas. Zilá destaca la posibilidad de mejora genética de las abejas para la producción comercial de miel, pues ahora se sabe que son los genes los que confieren las características deseables. Pero el investigador en apicultura Mendelson Guerreiro de Lima, de la Universidad del Estado de Mato Grosso (Unemat), ve estos avances con cautela: “Los resultados de la investigación de avanzada tardan en aplicarse en el campo real”.

Brasil es uno de los mayores productores mundiales, pues fue aquí que se  desarrolló la abeja híbrida entre la variedad europea y la africana, mucho más productiva y resistente, pero también extremadamente agresiva — o defensiva, como dice Hartfelder. Pero, explica Lima, por causa del carácter extractivo de la apicultura brasileña, la producción por colmena es cinco veces menor que la de Canadá, por ejemplo, donde las condiciones climáticas limitan la etapa de producción a menos de la mitad del año y obligan a los apicultores a optimizar la productividad.

Desde su ventana del campus de la USP en Ribeirão Preto, Zilá y sus colegas observan colmenas donde las abejas que estudian conviven con agutíes, lagartos y boas. Ese escenario tan brasileño ya formaba parte del paisaje internacional, como prueba la presencia de Klaus Hartfelder: él realizó su doctorado en Alemania en colaboración con el grupo brasileño y acabó cambiando su carrera académica en su país natal por la USP en el interior paulista. Zilá afirma que el Proyecto Genoma tiene también ese mérito: llevó a la comunidad internacional de investigadores de insectos sociales a interactuar en modo mucho más activo. Con ese equipo organizado, el pozo mágico no hallará sosiego.

Los proyectos
1- Genómica funcional de la Apis mellifera — búsqueda de nuevos genes y redes funcionales en el contexto del desarrollo, de la diferenciación de castas y de la reproducción.
2- Modelado con ecuaciones diferenciales del desarrollo sexual de la Apis mellifera.

Coordinadora
Zilá Luz Paulino Simões — USP

Inversión
R$ 830.083,39 (FAPESP) y  R$ 99.000 (CNPq)

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