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GENÓMICA

Un enjambre ordenado

La secuenciación del ADN de abejas ayuda a descifrar el desarrollo de esos insectos

En la colonia de la Apis mellifera, la abeja productora de la miel que se comercializa, las tareas se encuentran bien repartidas

EDUARDO CESAREn la colonia de la Apis mellifera, la abeja productora de la miel que se comercializa, las tareas se encuentran bien repartidasEDUARDO CESAR

Alguien que se interna por el campus de Ribeirão Preto, de la Universidad de São Paulo (USP) y se deja atraer por la hermosura de un edificio franqueado por cuatro espejos de agua y un arbusto de coralillo en su entrada, puede llevarse una sorpresa. Junto a ese precioso jardín hay un prado con una centena de cajas de madera apoyadas sobre pequeños pedestales, como si fuesen altares. Lo curioso es que si uno aproxima un poco más, nota que se trata de un colmenar a cielo abierto. Allí mismo, literalmente en medio de un revuelo de abejas autóctonas sin aguijón, es que los biólogos Zilá Simões, Klaus Hartfelder y Márcia Bitondi intentan entender el modo en que la estructura social y el comportamiento de esos insectos se encuentra codificado en el ADN. Las colonias de Apis mellifera (la abeja con aguijón que comúnmente se emplea para la producción de miel) se encuentran en un área separada, donde no hay riesgo de que algún desprevenido ingrese por su cuenta.

Los tres investigadores son el núcleo central del Laboratorio de Biología del Desarrollo de Abejas (LBDA), una red de investigadores presente en diversas instituciones paulistas (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº130). El grupo formó parte de los equipos que mapearon el genoma de la Apis mellifera y, más recientemente, el de la Melipona quadrifasciata, que en Brasil recibe el nombre de mandaçaia, y ahora prepara la secuenciación del ADN de otra especie brasileña, la marmelada amarela (Frieseomelitta varia). Eso sin contar las decenas de estudios acerca de las funciones específicas de genes de desarrollo de abejas.

En la década siguiente a la publicación del primer genoma de abejas, en un artículo en la revista Nature, en 2006, el grupo comenzó a sacar provecho del mismo conjunto de herramientas que surgió con el trabajo en el genoma humano y que modificó el escenario de la investigación biomédica. Más allá de la obtención de la secuencia completa del ADN de los insectos, los investigadores ahora disponen de herramientas y know how para generar y analizar transcriptomas. Ese término es una referencia al análisis de genes que están siendo transcritos –es decir, activos en la producción de proteínas– en diferentes tejidos de las abejas.

Al analizar los resultados, los investigadores logran vislumbrar la red de interacción entre los genes transcritos, viendo cuáles de ellos influyen sobre la expresión de otros genes y cuáles se encuentran relacionados con aspectos de interés. En un estudio reciente, por ejemplo, el grupo pudo identificar el papel de los genes involucrados en el desarrollo de abejas obreras. Esa casta posee en sus patas traseras una estructura específica para el transporte del polen, la corbícula, que se encuentra ausente en las abejas reinas. Como cada larva puede convertirse en reina o en obrera, según el alimento que recibe, sólo los transcriptomas revelan cómo se diferencian. Mediante técnicas de genómica y bioinformática, los científicos de Ribeirão Preto lograron identificar genes del tipo Hox –que controlan la parte principal del desarrollo del cuerpo–, determinantes en la formación de las corbículas, y describieron el hallazgo en un artículo en la revista PLOS ONE, en 2012. Uno de esos genes, el Ubx, tenía un nivel de expresión 25 veces mayor durante la fase de pupa en las abejas obreras, en comparación con las reinas, y se reveló como una clave esencial para la diferenciación de castas.

Los Hox pertenecen a una gran familia de genes bastante estudiada por investigadores de la biología del desarrollo para determinar cuáles son las estructuras del cuerpo derivan de cada segmento de un embrión. En algunos casos, no obstante, es necesario escudriñar partes más sutiles del genoma para entender cómo se distribuyen las funciones en una colonia. En un estudio posterior que se publicó en el mismo periódico, en 2013, Hartfelder y colaboradores describen algunas secuencias reguladoras, a las que se denomina ARN no codificante largo, que influyen en el tamaño de los ovarios de las abejas. Esas moléculas, junto con los microARNs, constituyen piezas clave en el proceso de diferenciación de castas, puesto que provocan, por ejemplo, la destrucción de muchas células de los ovarios de las obreras. Eso logra que el sistema reproductivo de las reinas sea mucho mayor, una característica fundamental para la producción constante de huevos.

Cámaras nutricionales alimentan un ovocito en el ovariolo de una reina...

Juliana Ramos Martins Cámaras nutricionales alimentan un ovocito en el ovariolo de una reina…Juliana Ramos Martins

Transcriptomas
Con la meta de efectuar esa clase de estudio, el LBDA ya produjo junto a sus colaboradores más de 100 transcriptomas de diferentes tejidos del insecto, en distintas etapas de su vida. El desafío consiste en comprender en profundidad cómo está programado el desarrollo de castas en el ADN, un proceso determinado por la dieta, ya que en forma notoria, las abejas reinas son alimentadas con mayor cantidad de jalea real que las obreras en momentos clave de su desarrollo.

No constituye una novedad que la comprensión del desarrollo de las abejas se considera un desafío. La organización de esos insectos contraría un principio de la biología, según el cual, la evolución no es capaz de generar animales longevos que además posean una alta tasa de reproducción. Sería necesario un desmedro de una característica en favor de la otra. Con todo, la abeja reina vive típicamente más de un año (que es mucho para un insecto) y posee una alta tasa de reproducción, llegando a poner hasta medio millón de huevos a lo largo de su vida. Eso es posible gracias a la división de funciones con las abejas obreras, que viven alrededor de un mes y no se reproducen.

Ese singular tipo de división del trabajo en la colonia fue objeto de un estudio internacional del cual el LBDA formó parte, y es el motivo principal por el cual el laboratorio de Ribeirão Preto analizó el ADN de la mandaçaia. Existe un espectro de socialización cuando se analizan todas las especies de abejas, algunas con una separación de castas más acentuada (eusociales), mientras que en la mayoría, las hembras viven en soledad. El grupo comparó los genomas de 10 especies diferentes de abejas y descubrió que cuanto más eusocial y jerarquizada es una especie, mayor cantidad de secuencias reguladoras de genes existen en su ADN, según revela un artículo publicado el mes pasado en la revista Science. En el caso de la Apis mellifera, cuando la reina muere, las obreras producen otra reina, alimentando a una larva con jalea real. Entre las especies menos eusociales, las obreras llegan a competir con la reina por la reproducción, mientras que en las especies no sociales, todas las hembras se reproducen. En el caso de la mandaçaia, una abeja autóctona altamente social, el reparto de funciones es muy claro, pero las obreras participan en la reproducción de la colonia engendrando machos.

La red de interacción entre esos segmentos del ADN –que no contienen precisamente fórmulas proteínicas, pero influyen sobre la actividad de otros segmentos– es tan abundante que Zilá plantea la creación de un nuevo término para definirla: reguloma. “Esa palabra todavía no se utiliza, pero en la práctica, ya ha comenzado a estudiárselo”, dice la científica.

...y la musculatura (en rojo) que cubre el intestino de una obrera. En azul, los núcleos de las células.

Juliana Ramos Martins …y la musculatura (en rojo) que cubre el intestino de una obrera. En azul, los núcleos de las células.Juliana Ramos Martins

Bioinformática
Una vez dominadas las herramientas de la genómica, la cantidad de informaciones generadas por los investigadores del LBDA es tan grande que ya no es posible trabajar de la misma manera que antes. Lo que actualmente están haciendo los laboratorios de punta que se dedican a la biología de las abejas es, esencialmente, aquello que el genetista estadounidense Eric Lander (uno de los padres del Proyecto Genoma Humano) denominó “elaborar ciencia sin partir de hipótesis”, dejando a muchos biólogos perplejos. Por medio de la genómica, los científicos pueden vislumbrar el funcionamiento molecular de un organismo sin necesidad del concepto inicial al respecto de cuál gen interviene en qué, seleccionando los genes que se van a estudiar por medio de algoritmos que analizan las redes de interacción entre ellos.

No está claro si la metodología de la genómica es fundamentalmente distinta a otras áreas de la ciencia, pero concretamente, la manera de trabajar de los genetistas cambió bastante. “Actualmente, uno  de los aspectos fundamentales consisten en contar con bioinformáticos competentes, ya no podemos vivir sin ellos”, dice Bitondi. “Y un laboratorio no logra hacer eso por su cuenta. Es preciso combinar la expertise de varios laboratorios”.

En la USP de Ribeirão Preto, la demanda por ese tipo de investigador fue cubierta por proyectos de posgrado con parte de la capacitación brindada en el propio Departamento de Genética, pero el conocimiento de la ciencia de la computación hubo que buscarlo afuera. Así lo acredita la trayectoria de Daniel Guariz Pinheiro, quien se graduó en el Instituto de Matemática y Estadística (IME) de la USP, y que realizó una pasantía de posdoctorado en el Departamento de Genética de Ribeirão Preto. Hoy, él es profesor en la Unesp de Jaboticabal y el principal bioinformático en la red de colaboradores del LBDA.

Más allá de su trabajo con los transcriptomas, una de las funciones del bioinformático consiste en la organización de los genomas que se utilizan como base en los estudios, porque las máquinas de secuenciación obtienen fragmentos de ADN a los que hay que alinear de manera correcta. “La bioinformática interviene entonces para armar ese rompecabezas, ensamblando las partes para obtener la secuencia genómica completa”, dice Guariz, quien participó en el trabajo publicado en la revista Science. “Ya llevamos más del 99%, especialmente en el caso de la Apis mellifera”.

Uno de los trabajos destacados en los que participaron los científicos del LBDA fue una cooperación internacional bajo el liderazgo de la Universidad de Upsala, en Suecia, para el cual se secuenciaron los genomas de 140 abejas melíferas de todo el mundo, pertenecientes a diferentes poblaciones. El mapa de la diversidad genética de la Apis mellifera, publicado en 2014 en la revista Nature Genetics, sugiere un origen diferente para la especie. Se creía que había surgido en África, pero el estudio indica una dispersión a partir de Asia, el lugar donde también habitan hoy el resto de las abejas del género Apis.

Scatotrigona en flores de la palmera de asaí, en el estado de Pará

LÉO RAMOS Scatotrigona en flores de la palmera de asaí, en el estado de ParáLÉO RAMOS

Intervención
Con todo, no sólo del trabajo en la computadora viven los biólogos de Ribeirão Preto. Una de sus actividades primordiales es la realización de experimentos que apuntan a comprobar hipótesis postuladas por la genómica. Mediante una técnica denominada de ARN interferente, los investigadores del LBDA logran desconectar la expresión de genes específicos en abejas para estudiar su funcionalidad.

Ese tipo de investigación básica también presenta implicaciones prácticas, tales como las reducciones acentuadas de las poblaciones de diversas especies de abejas en las cuales se señala a las virosis y los pesticidas como los principales culpables. Más allá del impacto ecológico de esos factores que todavía se encuentran en estudio, se deben tener en cuenta los perjuicios para los cultivos de frutas, granos y otras plantas que dependen de las abejas para la polinización (lea el texto de al lado). Dos especies cuyos genomas se secuenciaron recientemente y se analizaron con la participación del LBDA pertenecen a abejas del género Bombus, el mismo al que pertenecen los abejorros brasileños conocidos allí con el nombre vulgar de mamangavas, muy importantes para los servicios ambientales de polinización. El resultado del trabajo se publicó en junio, en la revista Genome Biology. Los investigadores descubrieron que los abejorros Bombus, cuya sociabilidad es bastante menos compleja, poseen muchos de los genes que se consideraban exclusivos del género Apis. Sin embargo, el modelo de expresión de los ARNs se reveló marcadamente diferente entre esos dos géneros, reforzando la idea de que es en el reguloma donde se encuentra la clave para entender el comportamiento de esos insectos.

A los efectos de hallar la mejor forma de lidiar con la mengua en las poblaciones de abejas, dicen los científicos, la investigación genómica podrá aportar ayuda en sus tres esferas: comparando especies de abejas, colonias de una misma especie e individuos de una misma colonia (esta última, por medio del estudio de transcriptomas). El grupo de Ribeirão Preto desarrolló la expertise para trabajar en todas esas formas.

La polinización por abejas representa 12 mil millones de dólares para la agricultura brasileña

Desde hace al menos dos décadas, la cantidad de colmenas en diversas regiones del mundo se vienen reduciendo. Este fenómeno, al que se le dio el nombre de Trastorno del Colapso de las Colonias (o CCD, según su sigla en inglés), está muy bien documentado en Europa y en América del Norte, donde se registra un descenso en las poblaciones del orden de hasta un 50%, pero todavía es escasamente estudiado en Brasil (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 137). No obstante, el riesgo de que la agricultura nacional sufra grandes pérdidas por la falta de insectos para la polinización, es real, según revela un estudio reciente liderado por la bióloga Tereza Cristina Giannini, de la USP.

Junto a colegas de la USP y de la Universidad Federal de Ceará, Giannini analizó 141 plantas de la agricultura brasileña y constató que 85 de ellas dependen en alguna medida de la polinización que realizan las abejas. El trabajo, publicado en el mes de mayo en la Journal of Economic Entomology estima que los ingresos de los cultivos que dependen de los polinizadores se reducirían en un 30% (12 mil millones de dólares) si esos insectos desaparecieran del país. La mitad de esa cifra corresponde a las plantaciones de soja. Los cultivos de café, tomate, algodón, cacao y naranja también podrían verse enormemente afectados.

Incluso entre los vegetales que no dependen totalmente de la polinización cruzada, el intercambio de polen entre plantas diferentes incide en la calidad de los frutos. “Aquí en Brasil, existe un trabajo muy consistente con fresas que lo demuestra”, dice Giannini. “Los frutos se desarrollan mejor cuando las abejas los polinizan. Cuando ello no ocurre, la pulpa no crece en forma adecuada y compromete el desarrollo de las fresas”.

Sin embargo, los agricultores brasileños aún no son muy conscientes acerca de la importancia de esos insectos más allá de la producción de miel. En el ámbito agropecuario, comúnmente se asume que la presencia de abejas constituye un servicio ambiental importante, aunque de todas maneras son pocos los que invierten en el mantenimiento de colmenas para polinizar las plantaciones. “El servicio de polinización que suministran las abejas, no obstante, tiene un valor muy superior al de los conocidos productos de la colmena”, dice la bióloga.

En el hemisferio Norte, son varias las causas que se han señalado para el surgimiento del CCD. Las principales son el uso de insecticidas, el surgimiento de patógenos, la pérdida y la fragmentación del hábitat, los cambios en el clima, el manejo inadecuado y la competencia con especies exóticas. En Brasil, no obstante, aún no se sabe cuáles de esos factores representan la mayor amenaza.

Muchos de los cultivos que estudió el grupo de Giannini tienen a la Apis mellifera como polinizadora, pero también se destacan las abejas sin aguijón, las abejas solitarias del género Centris y los abejorros carpinteros y mamangavas (Xylocopa y Bombus). Según Giannini, hay una “necesidad urgente” de producción de investigaciones en biología reproductiva de plantas e insectos para comprender la dimensión del problema en el país.

Proyecto
Análisis causal del desarrollo de la Apis mellifera – genes reguladores y redes jerárquicas de expresión génica en la singularidad de tejidos y órganos (nº 2011/03171-5); Modalidad Proyecto Temático; Investigadora responsable Zilá Luz Paulino Simões (FFCLRP-USP); Inversión R$ 1.029.830,00 (FAPESP).

Artículos científicos
WALLBERG, A. et. al. A worldwide survey of genome sequence variation provides insight into the evolutionary history of the honeybee Apis mellifera. Nature Genetics, v. 46, n. 10, p. 1081-8. oct. 2014
SADD, B. M. et. al. The genomes of two key bumblebee species with primitive eusocial organization. Genome Biology. v. 16, n. 76. 24 abr. 2015.
GIANNINI, T. C. et al. The dependence of crops for pollinators and the economic value of pollination in Brazil. Journal of Economic Entomology. v. 108, n. 3, p. 1-9. 1º jun. 2015.
KAPHEIM, K. M. et al. Genomic signatures of evolutionary transitions from solitary to group living. Science. v. 348, n. 6239, p. 1139-43. 5 jun. 2015.

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