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INVESTIGACIÓN DE LA UCR

Insectos podrían ser claves para producir antibióticos y biocombustibles

César A. Parral

Dos investigaciones publicadas recientemente por científicos de la Universidad de Costa Rica (UCR) y la Organización de Estudios Tropicales (OET) demuestran el potencial de las bacterias asociadas con insectos para generar productos que beneficien a la sociedad, como nuevos antibióticos y enzimas con aplicaciones biotecnológicas.

La hormiga reina de la especie Atta es mucho más grande que sus hijas y puede vivir hasta 20 años. Acá se observa cuidando de su jardín fúngico. Para fundar una nueva colonia, la reina virgen toma una pequeña porción del hongo para iniciar el nuevo cultivo (derecha).

El primero de ellos fue coordinado por el M.Sc. Bernal Matarrita Carranza, de la Organización de Estudios Tropicales, quien desarrolló el proyecto “Exploración de nuevas asociaciones entre insectos sociales y actinomicetes en Costa Rica”, como parte de su tesis de maestría en Microbiología de la Universidad de Costa Rica.

El segundo, que también es parte de la Maestría en Microbiología, se denomina “Degradación de celulosa en el jardín fúngico de hormigas zompopas y vehiculación vertical de microorganismos asociados”;  este fue desarrollado por el M.Sc. Rolando Daniel Moreira Soto, profesor e investigador de la Facultad de Microbiología e investigador del Centro de Investigación en Enfermedades Tropicales (CIET). 

Estas investigaciones contaron con el apoyo y participación del Dr Cameron Currie de la  Universidad de Wisconsin, Estados Unidos de América.

El Dr. Adrián Pinto Tomas, catedrático, Departamento de Bioquímica de la Escuela de Medicina e investigador del Centro de Investigación en Estructuras Microscópicas (CIEMIC), quien fungió como director de ambas tesis de posgrado, resaltó la importancia que tienen estos proyectos de investigación.

Según el experto,  los estudios pueden confirmar el enorme potencial de las bacterias asociadas a insectos característicos de la biodiversidad costarricense para resolver problemas que aquejan a la sociedad, como la carencia de nuevos antibióticos y de estrategias eficientes para convertir los desechos vegetales en energía.

Además, la publicación de los resultados en revistas internacionales de alto impacto demuestra la calidad de los estudios de posgrado de la UCR y de la investigación que se realiza en el país.

Antibióticos naturales

Los insectos himenópteros, entre los que se encuentran las hormigas, abejas y avispas, son muy susceptibles a infecciones causadas por hongos, por lo que estos han debido crear mecanismos de defensa efectivos  contra patógenos.

Como parte de esos mecanismos se ha demostrado la existencia de  asociaciones simbióticas entre estos insectos y unas bacterias denominadas actinomicetes, los cuales producen antibióticos naturalmente.

En este tipo de asociaciones, las bacterias producen metabolitos secundarios con propiedades antimicrobianas que protegen a su hospedero (tanto a los insectos adultos como larvas y pupas), o bien a las fuentes de alimento que almacenan en sus nidos, como la miel de las abejas.

Antes se creía que las zompopas eran los únicos insectos que obtenían antibióticos de bacterias simbiontes, pero este trabajo demuestra que otras especies de hormigas,  abejas y avispas también emplean este recurso.

En ese sentido, el M.Sc. Matarrita y su grupo de investigación estudiaron nuevas relaciones  entre actinomicetes y 29 especies diferentes de insectos himenópteros en la Estación Biológica la Selva de la OET y lugares aledaños, en el cantón de Sarapiquí, Heredia.

Los investigadores obtuvieron 150 aislamientos de actinomicetes, la mayoría de ellos del género Streptomyces. Además, fueron capaces de aislar en cultivo puro siete hongos entomopatógenos pertenecientes a las familias Ophiocordycipitaceae o Cordycipitaceae, algunos de los cuales son enemigos naturales de los insectos estudiados.

Entre ellos se destaca el parásito que convierte a las hormigas bala (Paraponera clavata) en una especia de zombi, manipulándolas para que abandonen el nido y busquen un lugar elevado para morir, de manera que el parásito pueda salir de sus cuerpos para liberar esporas que infecten  a más hormigas.

Posteriormente se realizaron bioensayos cruzados in vitro entre los actinomicetes y los hongos parásitos de insectos, lo cual permitió identificar la presencia de actividad inhibitoria contra algunos de ellos.

Los resultados  obtenidos aportan evidencia científica sobre nuevas asociaciones defensivas entre actinomicetes e insectos, sociales que a su vez, representan fuentes naturales  de sustancias antimicrobianas y enzimáticas con gran potencial para aplicaciones médicas y biotecnológicas.

“Nosotros sabemos que hay sustancias antifúngicas que inhiben el crecimiento de hongos, pero aún falta saber cuál es la estructura química de esas sustancias para ver si es algo nuevo  y si es así, si puede aplicarse para efectos medicinales. Pero todo esto lleva más investigación”, manifestó el M.Sc. Matarrita.

El M.Sc. Bernal Matarrita Carranza durante el proceso de recolección de hormigas bala (Paraponera clavata) en la Estación Biológica La Selva de la OET. Estas hormigas hacen sus nidos en la base de los árboles y son muy agresivas, su picadura es una de las más dolorosas.

Degradación de celulosa

Por su parte, el M.Sc. Moreira y su grupo de investigación estudiaron la función que cumplen diferentes tipos de bacterias que se encuentran en los nidos de las hormigas zompopas Atta y Acromyrmex, provenientes de diferentes partes del país, en la degradación de la materia vegetal.

Las hormigas zompopas cortan y acarrean hojas frescas y otros materiales vegetales para cultivar un hongo (Leucoagaricus gongylophorus)  que les sirve de alimento en las cámaras subterráneas de las colonias. Esta estructura, llamada jardín fúngico, también sirve de refugio para las hormigas y sus larvas.

Las colonias de hormigas procesan gran cantidad de material vegetal. Cada colonia consume la misma cantidad de alimento que una vaca. Investigaciones recientes  han demostrado que los jardines fúngicos están colonizados por bacterias simbióticas que contribuyen con los procesos de fijación de nitrógeno y se ha descrito su posible implicación en la degradación de biomasa vegetal.

En este trabajo, los investigadores de la UCR utilizaron una combinación de diversas técnicas, incluyendo microscopía electrónica, confocal, cultivos microbianos y estudios de  ácido desoxirribonucleico (ADN),  para investigar el proceso de degradación de celulosa en los jardines fúngicos y el posible papel de las bacterias simbióticas en el proceso. 

El investigador a cargo del estudio dijo que lo que más abunda en las plantas es la celulosa (constituida por cadena de azúcares unidos), pero es una molécula  difícil de descomponer porque tiene un tipo de enlace que dificulta la degradación.

La investigación logró determinar  que las paredes celulares vegetales están visiblemente degradadas en ciertas regiones de la sección inferior del jardín fúngico, donde las bacterias son más abundantes.

Esta es una contribución importante porque se pensaba que el hongo simbionte era incapaz de degradar la celulosa, limitándose a penetrar el tejido vegetal a través de los cortes que las hormigas hacen con sus mandíbulas.

Sin embargo, la nueva evidencia demuestra que sí hay degradación y además que las bacterias asociadas a las hormigas contribuyen en el proceso.

Gracias a su habilidad de cultivar su propio alimento, las colonias de zompopas pueden albergar varios millones de hormigas trabajadoras, pero solamente una, la reina, es capaz de poner huevos fértiles para generar nuevos insectos.

Según explicó Moreira, en determinado período del año las nuevas hormigas reinas (en este caso aladas) propagan este hongo tomando un pequeño fragmento del jardín fúngico de su colonia parental, y lo utilizan  para iniciar una nueva colonia en otro lugar.

De acuerdo con los investigadores, en este fragmento, que mide menos de 1mm de diámetro y es la semilla para alimentar a millones de hormigas, hay más de un millón de bacterias por cada gramo de hongo.

Los investigadores (as) obtuvieron evidencia de que los fragmentos del jardín fúngico llevados por las hormigas reinas vírgenes se encuentran colonizados por una comunidad de bacterias que se asemeja a las principales especies encontradas en los jardines fúngicos maduros, lo que muestra que estas bacterias son importantes para la degradación de las hojas y el funcionamiento de la colonia de las hormigas zompopas.

De acuerdo con el investigador, estos resultados sugieren que las bacterias benéficas del jardín probablemente son transmitidas por las nuevas reinas a las siguientes generaciones de hormigas.

El investigador explicó que una de las preocupaciones que tenían en mente cuando plantearon el proyecto, hace cinco años,  era la generación de energía a partir de material vegetal. 

Los materiales vegetales  tienen celulosa y en nuestro país  estos son muy abundantes en la agricultura y no siempre se aprovechan. La idea era buscar una forma de degradar ese material de forma rápida, eficiente y económica para  producir biocombustibles.

“Si uno realmente quiere llegar a una aplicación industrial de esto, tiene que analizar las bacterias en cuanto a eficiencia en la ruptura de celulosa, buscar si hay bacterias que lo hacen con suficiente eficiencia para utilizarla en procesos industriales. Si se encuentra habría que sacarla y cultivarla en bioreactores para llevarla a procesos industriales”, explicó el experto.

Para más información comunicarse con el Dr. Adrián Pinto al correo-e: adrian.pinto@ucr.ac.cr

Durante las investigaciones se encontraron casos en los cuales los hongos atacan a las hormigas, abejas y avispas. Una vez que el hongo ha colonizado el insecto,  lo convierte en una especie de zombi hasta que lo mata;  luego emerge del insecto y libera sus esporas para infectar a más hormigas.

PUBLICACIONES INTERNACIONALES

Las investigaciones del  M.Sc. Bernal Matarrita Carranza y el M.Sc. Rolando Daniel Moreira Soto, fueron publicados recientemente en prestigiosas revistas internacionales.

La investigación coordinada por el M.Sc. Matarrita se publicó bajo el título “Evidence for Widespread Association between Neotropical Hymenopteran Insects and Actinobacteria” en el mes de octubre en la revista Frontiers in Microbiology.

Por su parte, la del M.Sc. Moreira se dio a conocer ese mismo mes en la revista Microbiology, de la Sociedad Británica de Microbiología, bajo el título “Ultrastructural and microbial analyses of cellulose degradation in leaf-cutter ant colonies”.

El M.Sc. Rolando Moreira Soto recoge una hormiga zompopa Atta en el campus Rodrigo Facio, donde existen varias colonias. Para esta investigación los investigadores (as) recolectaron muestras de ocho lugares de Costa Rica, de frontera a frontera.