Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis (Bt) es una bacteria grampositiva que se ha destacado en el control biológico de plagas agrícolas. Recibe su nombre de la ciudad alemana de Turingia, donde fue aislado por primera vez en 1911.

• Dominio: Bacterias

• Filo: Firmicutes

• Clase: Bacilos

• Orden: Bacillales

• Familia: Bacillaceae

• Género: Bacilo

• Especies: Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis Tiene varias subespecies y cepas, cada una con características específicas que determinan su eficacia contra diferentes plagas de insectos. Algunos de ellos:

• B. thuringiensis variedad. kurstaki: produce proteínas Cry activas contra orugas de lepidópteros.

• B. thuringiensis variedad. israelensis: produce proteínas Cry y Cyt eficaces contra larvas de mosquitos y simúlidos.

• B. thuringiensis variedad. tenebrionis: activo contra escarabajos (Coleoptera).

• B. thuringiensis variedad. aizawai: se utiliza para controlar plagas como polillas y orugas resistentes a otras cepas de Bt.

Además, cada subespecie puede presentar varias cepas, que difieren en cuanto a eficacia, espectro de acción y condiciones ideales de uso.

Biología

Bacillus thuringiensis Es una bacteria que se encuentra de forma natural en el suelo y en ambientes acuáticos. E incluso en hojas y superficies de plantas.

Forman esporas resistentes, que les permiten sobrevivir en condiciones adversas, como altas temperaturas y periodos de sequía.

Durante el proceso de esporulación, Bt produce cristales de proteína conocidos como proteínas Cry o δ-endotoxinas, responsables de su acción insecticida.

• Proteínas Cry: Responsable de la toxicidad específica contra los insectos. Existen cientos de variantes de estas proteínas, cada una dirigida a diferentes grupos de insectos (lepidópteros, dípteros, coleópteros, etc.).

• Proteínas citos: actúan como citolisinas, ayudando a destruir las células epiteliales en los intestinos de los insectos objetivo.

Estos cristales permanecen inertes en el ambiente hasta que son ingeridos por insectos susceptibles. En los intestinos alcalinos de estos insectos, las enzimas digestivas activan las proteínas Cry, que luego se unen a las células epiteliales del intestino, causando daños irreversibles y llevando a la muerte del insecto.

Bacillus thuringiensis Está formada por bacterias heterótrofas: obtiene energía y nutrientes de la descomposición de la materia orgánica presente en el suelo, el agua y las superficies de las plantas. Puede crecer tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas, aunque su crecimiento óptimo ocurre en ambientes con oxígeno disponible.

El ciclo de vida del Bt se puede dividir en dos fases principales:

• Fase vegetativa: la bacteria es activa y se multiplica rápidamente en ambientes ricos en nutrientes, como sustratos orgánicos en descomposición.

• Fase de esporulación: cuando las condiciones ambientales se vuelven desfavorables (como falta de nutrientes o estrés hídrico), Bt entra en la fase de esporulación. Durante este proceso, las bacterias sintetizan cristales de proteínas (proteínas Cry y Cyt) y forman endosporas extremadamente resistentes.

Las esporas pueden permanecer latentes en el ambiente durante largos períodos, esperando las condiciones adecuadas para germinar y reiniciar el ciclo de vida.

Según estudios científicos, estas proteínas son altamente selectivas y afectan únicamente a insectos pertenecientes a órdenes específicos, como lepidópteros (orugas), dípteros (moscas y mosquitos) y coleópteros (escarabajos).

Proteínas Cry

Las proteínas Cry son cristalinas y pertenecen a la familia de proteínas protoxina. Sintetizados en forma inactiva (protoxina), se vuelven tóxicos sólo después de ser procesados ​​en el intestino de los insectos objetivo. Actualmente, se han identificado más de 700 genes cry, clasificados en familias y subclases en función de su estructura molecular y especificidad para diferentes grupos de insectos.

Las principales familias de proteínas Cry incluyen:

• Cry1: activo contra lepidópteros.

• Cry2: eficaz contra lepidópteros y dípteros.

• Cry3: apuntando a los coleópteros.

• Cry4 y Cry11: específicos de larvas de mosquitos y simúlidos (dípteros).

El mecanismo de acción de las proteínas Cry implica varios pasos secuenciales:

• Ingestión de insectos: Cuando un insecto susceptible ingiere hojas o sustratos tratados con esporas y cristales de Bt, se liberan proteínas Cry en el intestino.

• Activación por enzimas digestivas: En el ambiente alcalino del intestino de los insectos, las enzimas proteolíticas (como la tripsina y la quimotripsina) escinden las protoxinas Cry, convirtiéndolas en toxinas más pequeñas y activas.

• Unión a los receptores intestinales: las toxinas activas se unen específicamente a los receptores presentes en las células epiteliales del intestino del insecto. Esta unión es altamente específica y depende de la presencia de receptores adecuados, lo que explica la selectividad de las proteínas Cry.

• Formación de poros y daño celular: Después de unirse, las toxinas se insertan en la membrana celular, formando poros que permiten la entrada de iones y agua. Esto provoca un desequilibrio osmótico, ruptura de las células intestinales y muerte del insecto debido al cese de la alimentación, infección secundaria o deshidratación.

Proteínas VIP

A diferencia de las famosas proteínas Cry, producidas durante la fase de esporulación de las bacterias, las proteínas Vip se secretan continuamente durante la fase vegetativa de crecimiento, de ahí el nombre de "Proteínas Insecticidas Vegetativas".

Su descubrimiento amplió significativamente el potencial biotecnológico de Bacillus thuringiensis, ofreciendo nuevos mecanismos de acción y espectros de actividad insecticida que complementan las proteínas Cry ya establecidas en el mercado.

Las proteínas Vip están organizadas en cuatro familias principales, cada una con características estructurales y especificidades distintas:

• Familia Vip1: comprende proteínas con actividad principalmente contra insectos coleópteros (escarabajos) y algunos hemípteros. Estas proteínas actúan como componentes de toxinas binarias, requiriendo la presencia de proteínas Vip2 para ejercer su actividad tóxica completa.

• Familia Vip2: Funciona como un componente complementario de las proteínas Vip1, formando complejos tóxicos binarios. Aunque no tiene actividad insecticida independiente, es esencial para la función de las proteínas Vip1.

• Familia Vip3: Esta es la familia más estudiada y de mayor relevancia comercial, con actividad específica contra insectos lepidópteros (orugas). Las proteínas Vip3 actúan de forma independiente, sin necesidad de socios para ejercer su actividad insecticida.

• Familia Vip4: Familia descubierta más recientemente, todavía con pocos estudios sobre su mecanismo de acción y potencial aplicación, pero con indicios de actividad contra lepidópteros.

El mecanismo de acción de las proteínas Vip varía según la familia, pero sigue principios generales bien establecidos. Para las proteínas Vip3, que son las más utilizadas comercialmente, el proceso comienza con la ingestión de la proteína por parte del insecto objetivo durante la alimentación.

En el intestino medio de los insectos, las proteínas Vip3 son activadas por proteasas específicas y sufren una escisión que expone los dominios activos. Estas proteínas activadas se unen específicamente a receptores ubicados en la membrana de las células epiteliales del intestino medio, incluidos receptores como la cadherina, la aminopeptidasa N y la fosfatasa alcalina.

Después de unirse a los receptores, las proteínas experimentan cambios conformacionales que permiten su inserción en la membrana celular, formando poros oligoméricos. Estos poros alteran drásticamente la permeabilidad de la membrana, provocando desequilibrio osmótico, lisis celular y eventual parálisis del sistema digestivo. El insecto deja de alimentarse y muere de septicemia en 2 a 5 días.

Una de las características más valiosas de las proteínas Vip es su alta especificidad. Las proteínas Vip3, por ejemplo, son altamente tóxicas para los lepidópteros, incluidas plagas económicamente importantes como:

• Spodoptera frugiperda

• Helicoverpa armígera

• Heliothis virescens

• Ostrinia nubilalis

• Diatraea saccharalis

Esta especificidad es resultado de la coevolución entre las proteínas Bt y sus huéspedes objetivo, lo que garantiza que los organismos no objetivo, incluidos insectos beneficiosos, mamíferos y otros vertebrados, no se vean afectados.

Uso para el control de plagas agrícolas

El uso de Bacillus thuringiensis El control de plagas agrícolas ha revolucionado la agricultura sostenible. Se utiliza ampliamente en forma de bioinsecticidas, disponibles tanto para aplicación directa a los cultivos como incorporados en semillas genéticamente modificadas (como variedades Bt de maíz y algodón).

Algunos de los usos:

• Control de orugas: Bt es muy eficaz contra las orugas que atacan cultivos como la soja, el maíz, el algodón y las hortalizas. Las proteínas Cry paralizan el sistema digestivo de las larvas, impidiéndoles alimentarse y provocando su muerte.

• Semillas Bt: En el caso de cultivos como la soja, el maíz y el algodón, las plantas modificadas genéticamente que contienen genes Bt producen proteínas Cry, que confieren resistencia a plagas como el gusano cogollero (Spodoptera frugiperda) y el gorgojo del algodón (Anthonomus grandis).