Una bacteria en el umbral

Wolbachia es la bacteria más abundante del planeta. Suele decirse que es la pandemia más exitosa. Se encuentra en artrópodos (en insectos, en algunos arácnidos y crustáceos terrestres) y también en nematodos filariales (gusanos parásitos), lo que explica su amplísima profusión en la naturaleza. Y tiene una particularidad: Wolbachia tiene la capacidad de manipular el sistema reproductivo de sus hospedadores.

Hasta aquí, se postulaba la existencia de un “umbral” de densidad bacteriana, una cantidad de Wolbachia en las hembras de estas especies que hacía viables estos mecanismos de manipulación reproductiva, pero nadie había logrado comprobarlo. Un equipo de investigadoras del Instituto de Ecología, Genética y Evolución de Buenos Aires (IEGEBA, UBA-CONICET) acaba de hacerlo, en un paper de alto impacto científico que aporta una nueva herramienta para la optimización de mecanismos de control de plagas agrícolas y de insectos vectores de enfermedades infecciosas que portan esta bacteria.

“Wolbachia se transmite de manera vertical, es decir, de madres a hijas e hijos, porque se aloja en el sistema reproductivo, en el citoplasma del huevo. Es decir que para esta bacteria, el macho es un ‘callejón sin salida’ evolutivo, una línea muerta para la transmisión, porque solo aporta ADN al nuevo ser. El citoplasma, con sus bacterias, lo aporta la madre”, explica Marcela Rodriguero, investigadora y docente del Departamento de Ecología, Genética y Evolución de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (Exactas UBA), que lleva unos veinte años estudiando esta peculiar bacteria.

Wolbachia mata selectivamente a los embriones machos, lo que aumenta las chances de sobrevivir de las hembras y de reproducir la infección.

“A partir de esa vía de transmisión maternal –continúa–, en Wolbachia evolucionó todo un repertorio de mecanismos de manipulación de la reproducción orientados a aumentar la cantidad de hembras infectadas. Por ejemplo, la partenogénesis o reproducción asexual. Sin necesidad de ser fecundada por un macho, la hembra infectada con esta bacteria da descendencia femenina infectada”.

La bacteria tiene otras formas de mostrar que, para su supervivencia, el macho es accesorio. La feminización, es decir, convertir al macho en una hembra funcional, que transmite Wolbachia a sus huevos. El male-killing o androcidio en larvas caníbales que se comen entre ellas: Wolbachia mata selectivamente a los embriones machos, lo que aumenta las chances de sobrevivir de las hembras y de reproducir la infección.

“Y por último, la forma más abundante de manipulación reproductiva en la naturaleza: la incompatibilidad citoplasmática. Si la hembra está infectada y el macho no, como Wolbachia está en el huevo, se producen hijos infectados. Si la hembra no está infectada y el macho sí, la progenie es abortiva. Como esa hembra no va a producir hijos infectados, algo hace Wolbachia en el ADN del esperma que hace inviable la reproducción –puntualiza Rodriguero–. Es un mecanismo evolutivo adaptado a la transmisión vertical, que aumenta la prevalencia de Wolbachia generación tras generación. De ahí el éxito que tuvo”.

También se da en Wolbachia la transmisión horizontal, de una especie a otra. “Habitualmente esa transmisión está mediada por parasitoides, como las avispas. Los parasitoides ponen huevos o larvas en estadios muy tempranos dentro de otro organismo, del cual las larvas se alimentan y emergen los insectos adultos. El parasitoide infectado con una cepa de Wolbachia inocula así la bacteria, que tiene la posibilidad de colonizar ese nuevo organismo y reproducirse antes de que el individuo muera. A veces sucede al revés: el parasitoide se infecta al picar a otro insecto infectado.

También la dieta es un mediador de la transmisión: individuos que se alimentan de hojas contaminadas con Wolbachia o de otros organismos infectados, pueden contraer la infección”, enumera Lucía Fernandez Goya, becaria posdoctoral del CONICET en el IEGEBA y primera autora del artículo que motiva esta nota.

Publicado en la revista Insect Molecular Biology, de la Royal Entomological Society, y destacado por esa institución en su journal highlight, se trata de un paper de gran relevancia científica, que aporta una respuesta largamente postergada.

“Logramos comprobar que Wolbachia y también Rickettsia, otro endosimbionte que influye en la reproducción partenogenética de los gorgojos que estudiamos, deben alcanzar una cierta densidad en el hospedador para causar ese efecto. Es lo que llamamos ‘umbral’ –dice Rodriguero–. O sea que la modificación en la reproducción no depende de que haya o no infección, sino de que la infección se verifique con una carga bacteriana considerable. La existencia de ese umbral fue dada por cierta en muchos trabajos previos, pero hasta aquí nadie había diseñado un experimento crítico que pusiera a prueba esa hipótesis”

La manipulación reproductiva debida a bacterias endosimbióticas como Wolbachia solía describirse en términos binarios: los hospedadores están infectados o no. Una visión demasiado simplista, que fue reemplazada por la idea de que es la densidad bacteriana –no su sola presencia– la que determina esos resultados reproductivos. Pero aunque esta hipótesis fuera ampliamente aceptada, nunca había sido explícitamente demostrada.

La existencia de un umbral fue dada por cierta en muchos trabajos previos, pero hasta aquí nadie había diseñado un experimento crítico que pusiera a prueba esa hipótesis.

Uno de sus experimentos con gorgojos partenogenéticos de la familia Naupactini le permitió a Rodriguero descubrir que el tratamiento con antibióticos provocaba esterilidad pero no eliminaba por completo la bacteria Wolbachia. Es decir, todavía había bacteria pero ya no era viable la partenogénesis. Lo cual sugería que reducir la carga bacteriana por debajo de un umbral crítico permitiría interrumpir la manipulación reproductiva.

Ya ese experimento daba por tierra con el viejo enfoque binario. El paso siguiente era comprobar que, en efecto, se requiere un umbral de densidad de estos endosimbiontes para inducir la partenogénesis. Allí comenzó el paciente trabajo de Fernandez Goya.

“Para poner a prueba esta hipótesis –explica la becaria– había que relacionar la cantidad de bacteria con el éxito reproductivo, obtener una curva que nos permitiera asociar una cierta densidad de Wolbachia con un nivel de viabilidad de la progenie”.

Para ello tuvo que medir la proporción de larvas que eclosionan de los huevos que ponían más de un centenar de “bichas” –así llama a las hembras de gorgojo– y la densidad bacteriana al momento de cada postura, a lo largo de todos los veranos –la temporada reproductiva– que duró su doctorado, de lunes a lunes y en condiciones controladas de luz, temperatura y humedad, para identificar esa dosis umbral que hace viable –o no– la reproducción.

Las particulares características de Wolbachia vienen impulsando su uso como herramienta alternativa para el control del dengue.

El estudio demandaba un dispositivo de control que demostrara que no era el antibiótico –más allá de la carga relativa de Wolbachia– lo que afectaba la reproducción. “Me decían: ‘Tenés que incluir en el experimento un bicho con reproducción sexual’. ¡Pero andá a encontrarlo! –exclama Rodriguero–. Yo había visto un par de poblaciones de gorgojos sexuales, en Chaco y en Santa Fe, pero cuando volví después de dos o tres años, el ambiente estaba modificado y esas poblaciones ya no estaban. Más tarde, a través de una página de ciencia ciudadana, conseguí en Recreo, provincia de Santa Fe, dos hembras sexuales, que no alcanzaban para hacer un experimento serio. Por fin, muchos años después, volvimos con Lucía, y en Recreo y en Santo Tomé encontramos grandes poblaciones de gorgojos que mantienen la bisexualidad”.

Precisamente, esas poblaciones “nos sirvieron como dispositivo de control. Eso le dio el broche de oro al experimento. Al repetirlo con las hembras sexuales, comprobamos que no había diferencias en cuanto a la viabilidad. El antibiótico no incide. Lo que importa es la carga bacteriana”, resume Fernández Goya.

Al cuantificar la carga bacteriana, entonces, las investigadoras lograron demostrar que tanto Wolbachia como Rickettsia deben superar umbrales de densidad específicos para desencadenar la reproducción partenogenética en las hembras de gorgojo. Por el alto impacto científico de este trabajo, Fernandez Goya fue recientemente premiada con un reconocimiento institucional en el marco de la 3ª Jornada de Becarias y Becarios UBA.

Ahora bien, las particulares características de Wolbachia –su capacidad para manipular la forma en que se reproducen sus hospedadores– vienen impulsando su uso como herramienta alternativa para el control del dengue.

“Aedes aegypti raramente se infecta con Wolbachia en la naturaleza. Pero se ha logrado, a través de la cepa Wolbachia presente en Drosophila melanogaster, la mosca modelo, crear líneas de mosquitos infectados –describe Rodriguero–. Y se vio que esta cepa produce inmunidad contra dengue. Los mosquitos sanos a los que se infectaba con Wolbachia, al picar a otros organismos infectados con dengue, no adquirían el virus. A su vez, la bacteria produce incompatibilidad citoplasmática y se esparce en una población de mosquitos que ya no son vectores de la enfermedad”.

Este hallazgo impulsó la liberación de mosquitos inoculados con Wolbachia en Australia, Brasil, Indonesia y otros países, como parte del World Mosquito Program (WMP). Sin embargo, si bien se observó que la población de mosquitos con dengue bajó el primer año, el efecto no persistió. Por el contrario, la ciudad de Niterói, en el estado de Río de Janeiro, que en 2023 había sido declarada la primera ciudad del mundo protegida del dengue por Wolbachia, un año después registró su mayor epidemia de dengue en una década.

“¿Qué está pasando? En estos días se conoció un trabajo del reconocido biólogo David Gorla, que alerta que la cepa de Wolbachia de D. melanogaster es muy sensible a la temperatura. En países tropicales, el excesivo calor reduce la densidad bacteriana”, dice Rodriguero. ¿Por qué se interrumpió entonces la manipulación reproductiva? ¡Porque el umbral bacteriano realmente existe! Las investigadoras del IEGEBA acaban de medirlo. “Quizás –arrojan– para el control del dengue deban migrar a la cepa de Aedes albopictus, menos sensible a las altas temperaturas”.

Gorla agregó otra señal de alerta: la posibilidad de que estos dispositivos con Wolbachia estén generando una presión de selección extra, que provoque una evolución de los serotipos del virus del dengue. Y le dijo a Rodriguero y Fernandez Goya que usará su paper para convencer a los organismos de salud pública de poner un paréntesis en estas estrategias, al menos hasta obtener nueva evidencia de su eficacia. En su trabajo explica que, precisamente, los métodos de monitoreo con PCR del WMP detectan la presencia o ausencia de la bacteria en los mosquitos, pero no la cantidad de bacteria.

En definitiva, los resultados a los que arribaron las investigadoras de Exactas comprueban que la manipulación reproductiva no es un simple proceso de activación/desactivación, sino un fenómeno cuantitativo. “Los endosimbiontes no actúan entonces como interruptores, sino como reguladores de intensidad –concluye Rodriguero–, y en evolución, la cantidad suele importar más que la presencia”.