Científicos de la Universidad de Granada (UGR) han dado un importante paso en la lucha contra la propagación de enfermedades transmitidas por los mosquitos, al aportar nuevos datos desconocidos hasta la fecha sobre la bacteria Bacillus thuringiensis, empleada como insecticida natural para causar daños intestinales a estos insectos y combatir así sus plagas. Las hembras de los mosquitos de la familia Culicidae, además de las molestias que su picadura produce, son conocidas por transmitir diversas enfermedades a los humanos, y a los animales, como son: la fiebre amarilla, la malaria, el dengue, la fiebre chikungunya, el virus del Zika y la fiebre del Nilo Occidental.

El calentamiento global está favoreciendo el incremento de las áreas de distribución de muchas de las especies de mosquitos y con ellas la expansión de las enfermedades que transmiten. Para reducir las poblaciones de estos insectos se han utilizado diferentes estrategias, tales como tratar de eliminar o reducir las masas de agua en que sus larvas se desarrollan (lo cual es una labor casi imposible en muchos ecosistemas).

Tras el descubrimiento del dicloro difenil tricloroetano (DDT) como agente insecticida se fumigaron de forma extensiva a lo largo del globo las zonas con presencia de estas enfermedades. Una vez que se puso de manifiesto la peligrosidad del DDT, este fue prohibido, y se ha ido sustituyendo por diferentes sustancias insecticidas. En general los insecticidas químicos producen efectos indeseados por acabar acumulándose en los ecosistemas y matar indiscriminadamente a muchas otras especies. Es por ello, que se viene investigando con otros insecticidas, y/o métodos no agresivos con el medio ambiente, tales como la esterilización (química o mediante radiación) y suelta masiva de machos, así como la lucha biológica.

Efecto insecticida

Desde que a comienzos del siglo XX se descubrió el efecto insecticida de las toxinas producidas por la bacteria Bacillus thuringiensis, sus esporas y cristales paraesporales, se han venido utilizando como un insecticida biológico, al considerarse como un método amigable para el medio ambiente. La principal característica de B. thuringiensis, comparado con los insecticidas de origen químico, es su especificidad, siendo cada cepa activa a una o a un número reducido de especies de insectos. Esto hace que su liberación a la naturaleza afecte prácticamente de forma exclusiva a la especie diana que se quiere controlar, sin afectar al resto de especies de insectos.

En este sentido, la profesora Susana Vílchez, del departamento de Bioquímica Molecular I y del Instituto de Biotecnología de la Universidad de Granada mantiene una línea de investigación sobre el uso de la variedad israelensis del B. thuringiensis (Bti), para controlar las poblaciones del mosquito de la fiebre amarilla (Aedes aegypti). En los experimentos de laboratorio se observa que, tras añadir esporas de esta variedad de bacteria al agua en que las larvas están desarrollándose, estas mueren en muy poco tiempo. Así, tras media hora de exposición las larvas comienzan a tener movimientos erráticos, pierden movilidad y finalmente mueren.

Para conocer de una forma global qué daños presentan las larvas en sus órganos tras la exposición a la bacteria contactó con el profesor de la UGR Javier Alba-Tercedor, experto en microtomografía computerizada (micro-CT) y con amplia experiencia en el uso de esta técnica para evidenciar la anatomía funcional de insectos.

La micro-CT, es una técnica que mediante el uso de rayos-X, y tras un procesado de las radiografías obtenidas con diferente software permite obtener imágenes renderizadas de alta calidad, similares a las obtenidas mediante microscopia electrónica. Gracias a esto es posible observar tridimensionalmente los órganos internos de pequeños animales desde todas las perspectivas, sin necesidad de realizar disecciones y por tanto sin deformar ni alterar la organización interna.

Se sabía que las toxinas de la bacteria afectan a las paredes del intestino medio (“estómago”) de los insectos, y hasta ahora se asumía que la muerte de los insectos se producía porque se perdía la capacidad de absorción de los alimentos y finalmente el animal moría por pura inanición. A pesar de ello, resultaba difícil pensar que un insecto pueda morir “de hambre” en menos de una hora.

A diferencia de trabajos anteriores (basados en microscopía convencional, ya sea óptica o electrónica, que se limitaban a estudios parciales, en su mayoría en forma de secciones histológicas), con esta metodología se puede observar de forma global el efecto de un patógeno. Lo novedoso del estudio es que muestra por primera vez los efectos de Bti en la anatomía interna completa de un insecto.

Comparación de una larva sana (izquierda) con otra tratada con la bacteria (derecha).

Obteniendo imágenes renderizadas en 3D fue posible estudiar el efecto de la bacteria en tejidos y órganos, no sólo en secciones sino también en su conjunto. Y tras comparar la anatomía de larvas sanas con los cambios sufridos en larvas tras ser expuestas a Bti (durante 30 min, 1 hora y 6 horas) se evidenció el daño progresivo que producen las toxinas de la bacteria. Así, se confirmaron los daños en los epitelios del intestino medio (“estómago”, con hinchazón progresiva de los enterocitos, engrosamiento de los epitelios, aumento de los espacios vacuolares y finalmente lisis (destrucción) celular, produciendo aberturas en las paredes del intestino medio. Simultáneamente, las larvas alteraron su motilidad, lo que les dificultó el ascenso a la superficie y colocar el sifón respiratorio correctamente para romper la tensión superficial y respirar. Asimismo, se observó que entre la cutícula y los órganos internos aparecía un gran espacio, y simultáneamente los tubos traqueales se colapsaban.

Los insectos no tienen pulmones, el intercambio gaseoso lo realizan mediante una compleja red de tubos que se abren al exterior por unos pequeños orificios (espiráculos respiratorios). De cada espiráculo parte un tubo traqueal que va ramificándose y disminuyendo su grosor hasta alcanzar diámetros del orden de una micra que contacta y realiza el intercambio gaseoso directamente a nivel de cada célula.

A la vista de los resultados, los autores pensaron que la destrucción de las membranas por efecto de las toxinas bacterianas desencadenaba un choque osmótico que explicaría tanto la aparición de un espacio entre la cutícula y los órganos internos, como el colapso de los tubos traqueales. Por primera vez se concluye que había evidencias de otros daños importantes, y por tanto que la muerte no se debe a la inanición.

Los insectos tienen sus órganos en una cavidad general conocida como hemocele que está llena de un líquido llamado hemolinfa. Se sabe que una ligera alcalinización de la hemolinfa produce alteraciones en el normal funcionamiento del sistema nervioso.

A la luz de las imágenes que evidencian los grandes poros que se abren en las paredes del estómago, fue fácil deducir que a través de ellos se escapan al hemocele jugos gástricos (que son alcalinos), alcalinizando la hemolinfa, lo que condiciona un mal funcionamiento del sistema nervioso. Lo que explica los movimientos erráticos de las larvas y la dificultad de subir a la superficie del agua, romper la tensión superficial y sacar el sifón respiratorio para respirar. Y a ello se suma el colapso (aplastamiento) de los tubos traqueales.

En definitiva, gracias a la microtomografía se ha evidenciado, y explicado por primera vez de una forma inequívoca, la cascada de daños y fallos orgánicos que las toxinas del Bti producen y el porqué se produce la muerte tan rápida de larvas.

La importancia de este descubrimiento radica en que supone un hito en el conocimiento en que basar futuras investigaciones que permitan controlar de forma efectiva las poblaciones de mosquitos, de forma segura y no dañina para el medio ambiente. Y de este modo seguir avanzando en la lucha contra la propagación de enfermedades que estos insectos transmiten.

Referencia:

Alba-Tercedor, J. & Vilchez, S., 2023. ‘Anatomical damage caused by Bacillus thuringiensis variety israelensisin yellow fever mosquito Aedes aegypti (L.) larvae revealed by micro‑computed tomography’. Scientific Reports (Nature), 13:8759, pp. 1-10.