Identificaron una toxina bacteriana que actúa solo en insectos y no en mamíferos

La bacteria Streptomyces lleva más de 400 millones de años en el suelo y es la fuente de algunos de los antibióticos más usados en la historia de la medicina.

Su relación con los insectos siempre se estudió desde el lado de la cooperación: los protege, degrada celulosa en sus intestinos y produce compuestos que los atraen.

Ahora, un estudio publicado en la revista Nature Microbiology cambió esa imagen al documentar que ciertas cepas de Streptomyces producen una toxina proteica que mata insectos con una especificidad que no se había descrito antes en ese género bacteriano. Fue realizado por investigadores de Canadá, Estados Unidos y Suecia.

El hallazgo podría facilitar el desarrollo de una nueva generación de plaguicidas biológicos.

Los primeros autores del estudio fueron Ying Xu, Reed Stubbendieck y Raghuvir Viswanatha.

Contaron con la participación de investigadores del Hospital Infantil de Boston, la Escuela de Medicina de Harvard, la Universidad de Wisconsin-Madison, la Universidad de Estocolmo, la Universidad de Yale, la Universidad McMaster de Canadá y la Universidad de Waterloo.

La bacteria que esconde un arma contra insectos

Durante décadas, los científicos exploraron las relaciones entre Streptomyces y los insectos desde un ángulo positivo. La posibilidad de que esta bacteria también atacara a los insectos con toxinas proteicas propias permanecía sin explorar.

El problema central era la ausencia de evidencia de que Streptomyces produjera factores de virulencia dirigidos exclusivamente a insectos.

Otros compuestos tóxicos ya conocidos de esta bacteria dañan el ADN de forma inespecífica y afectan a muchos organismos, no solo a los insectos.

El objetivo del equipo de investigadores fue determinar si existía alguna toxina proteica con esa especificidad, identificar su receptor en los insectos y establecer el mecanismo por el cual actúa dentro de las células.

Los investigadores buscaban además entender si esa toxina tiene un origen evolutivo antiguo o reciente.

El equipo encontró que la toxina, a la que llamaron SAIP (proteína insecticida de Streptomyces antiquus, por sus siglas en inglés), es estructural y funcionalmente similar a la toxina diftérica, la responsable de la difteria, una enfermedad que mató a millones de niños a lo largo de la historia, pero con un blanco completamente distinto: los insectos.

Cómo se hizo el estudio y qué encontraron

Los investigadores comenzaron con un análisis bioinformático para rastrear proteínas similares a la toxina diftérica dentro del genoma de distintas bacterias. Identificaron ocho variantes muy similares entre sí, todas presentes en cepas de Streptomyces.

Luego ampliaron la búsqueda a todos los genomas de Streptomyces disponibles en bases de datos internacionales, incluida la del Departamento de Agricultura de Estados Unidos, y secuenciaron cepas de sus propias colecciones. En total, identificaron 26 variantes agrupadas en 8 subtipos.

Para probar si la toxina era realmente letal, la produjeron en laboratorio y la aplicaron sobre células de tres especies de insectos: Drosophila melanogaster (la mosca de la fruta), Aedes aegypti (el mosquito transmisor del dengue) y Anopheles coluzzii (mosquito transmisor de la malaria).

La toxina mató al 50% de las células con concentraciones menores a 10 picomolar, una cantidad extremadamente pequeña, mientras que en células humanas y de ratón no produjo efectos hasta concentraciones mil veces mayores.

En insectos vivos, la inyección de apenas 4 femtomoles de SAIP mató al 80% de las moscas en 60 horas.

El equipo utilizó la tecnología CRISPR-Cas9, una herramienta de edición genética que permite desactivar genes uno por uno, en una pantalla a escala genómica sobre miles de genes de Drosophila.

Lo que encontraron al desactivar esos genes fue el receptor de la toxina: una proteína de membrana llamada Flower, presente en la superficie de las células de los insectos pero ausente en humanos y ratones, lo que explica por qué SAIP mata insectos sin tocar a los mamíferos.

“Por ahora, este es un descubrimiento de ciencia básica, pero uno que puede tener aplicaciones muy prácticas en el futuro”, afirmó Cameron Currie, quien lideró a los investigadores.

Una toxina como la que estudiaron “podría ayudar a controlar vectores de enfermedades humanas, como los mosquitos, que transmiten la malaria y el virus del Nilo Occidental, o quizás usarse para proteger cultivos de plagas de insectos. Es posible que se pueda usar de varias maneras diferentes”, comentó.

Currie y sus colaboradores ya patentaron el descubrimiento y ahora exploran posibles vías de comercialización de la toxina, en particular en la agricultura, donde las toxinas insecticidas suelen tener una alta demanda.

El equipo de investigación estudia cómo se comportan las SAIP en entornos biológicos más complejos, incluidos sistemas experimentales con grillos y gusanos de la harina, organismos que sirven como modelos para estudiar la infección y la toxicidad.

Esos estudios también permiten a los investigadores aislar los antimicrobianos secretados por las cepas de Streptomyces productoras de toxinas, lo que ayudará a comprender mejor su potencial clínico.

Pero más allá de cómo evolucione ese trabajo posterior, Currie destacó que el descubrimiento en sí es un logro científico relevante y una señal de cuánto queda por aprender sobre las bacterias.

“El hecho de que hayamos encontrado algo tan novedoso en uno de los grupos de bacterias más abundantes y estudiados del mundo subraya lo poco que realmente sabemos sobre ellas”, señaló Cameron.

“Esta toxina es un poderoso recordatorio de que las bacterias son organismos increíblemente diversos, con capacidades que no dejan de sorprendernos”, recordó.