Especies invasivas: una creciente crisis ecológica

Las especies invasoras son organismos no nativos que, cuando se introducen en nuevos entornos, causan daño a la economía, el medio ambiente o la salud humana. Ahora son reconocidos como uno de los cinco principales factores de pérdida de biodiversidad mundial, junto con la destrucción del hábitat, sobreexplotación, contaminación y cambio climático. El costo económico es asombrosa: un estudio de 2021 en ] Naturaleza calcula que los mil millones de dólares son mayores de mil millones de dólares anuales.

Ecológicamente, los invasores degradan hábitats nativos, superan o se desprevenen a especies nativas, introducen enfermedades y perturban los servicios de los ecosistemas. Ejemplos clásicos incluyen la serpiente de árbol marrón en Guam, que erradicó la mayoría de las aves forestales nativas de la isla; los mejillones de cebra en las vías navegables norteamericanas, que obstruyen infraestructura y alteran las redes de alimentos acuáticos; y las islas de extinción de cañas son casi 75%.

Los métodos de control tradicionales, en comparación con los plaguicidas químicos, a menudo perjudican a las especies no metagenas, causan contaminación ambiental y pueden conducir a la resistencia. La remoción mecánica es un enfoque intensivo, costoso y raramente logra la erradicación completa en grandes áreas.El control biológico conlleva sus propios riesgos de cascadas ecológicas no deseadas.

¿Qué son los sistemas de transmisión de genes?

Los sistemas de accionamiento genético son elementos genéticos que sesgo la herencia para que un rasgo particular se difunda a través de una población más rápido de lo que ocurriría bajo la herencia mendeliana normal. En la genética mendeliana, una variante de genes (allele) tiene una probabilidad de ser pasada de padre a descendencia. Una unidad de genes puede aumentar esta probabilidad de cerca del 100%, asegurando que la modificación genética deseada se pasa a prácticamente todas las descendencias, incluso si reduce la aptitud del organismo.

El mecanismo central se basa en una nucleasa específica de secuencia (como CRISPR-Cas9) que se integra en el genoma junto con una carga útil deseada (por ejemplo, una infertilidad que confiere). Durante la reproducción, la nucleosis corta el cromosoma homologo en un sitio específico. La maquinaria de reparación de ADN natural de la célula luego copia el casgo de unidad de genes en el cromosoma roto

Las unidades genéticas pueden diseñarse para diferentes fines: la supresión de la población (reducir o eliminar una especie), la modificación de la población (alterando un rasgo, como hacer que los mosquitos resistan a un patógeno), o incluso revertir los rasgos diseñados (accionamientos reversales).La tecnología fue demostrada con éxito en Drosophila] en 2015 y desde entonces se ha demostrado trabajar en mosquitos, levaduras, y levaduras.

Componentes clave de una unidad de genes

  • CRISPR-Cas9 nuclease: Las tijeras moleculares que cortan el ADN en una secuencia de destino específica.
  • Guide RNA (gRNA): dirige el nucleasa al locus objetivo del genoma.
  • Pagar: La modificación genética deseada a ser diseminada (por ejemplo, un gen de esterilidad).
  • Promoters: secuencias regulatorias que controlan la expresión de la nucleasa y la carga útil.

Los investigadores también están desarrollando “impulsiones de entrega”, “impulsiones de cadena de datos” y “sistemas de bajodominio” que ofrecen un control más fino y un riesgo ecológico potencialmente reducido. Estas variaciones tienen como objetivo limitar la propagación a una población específica o hacer que la unidad se autolimite con el tiempo.

Cómo las unidades genéticas pueden combatir las especies invasivas

Las unidades genéticas son ideales para controlar especies invasivas porque pueden propagar un rasgo borroso a través de una población sin requerir una intervención humana repetida. El objetivo es suprimir a la población (reducir sus números a un umbral de daño o llevarlo a la extinción local) o modificar la población (por ejemplo, hacerlo menos dañino).

Para las especies invasivas, la aplicación más discutida es la supresión con impulsos de infertilidad femenina. Al interrumpir un gen esencial para la fertilidad o viabilidad femenina, el impulso puede causar un colapso de la población. Debido a que los hombres no son directamente dañados, continúan apareando y transmitiendo el impulso, ejerciendo un fuerte efecto supresivo. Los modelos matemáticos sugieren que una unidad genética bien diseñada puede eliminar una población aislada de un ratón invasivo o mosquito menos de 20 generaciones.

Objetivos prioritarios para unidades de genes

  • Monedores invasivos en las islas: Las ratas y los ratones son uno de los invasores más destructivos de las islas, causando extinciones de aves marinas, reptiles y plantas. La erradicación tradicional mediante rodenticidios es posible en las islas pequeñas, no habitadas, pero es costosa, difícil y peligrosa para la vida silvestre no buscada.
  • Mosquidos invasivos: Mientras la mayoría de las investigaciones de mosquitos se centran en suprimir vectores de enfermedades (por ejemplo, Anopheles gambiae para la malaria), mosquitos invasivos como Aedes aegypti[LT] y [FLT]
  • Pesca invasiva: En los sistemas de agua dulce, los peces invasivos como el carpa común (]Cyprinus carpio) han decimado comunidades de peces nativos en América del Norte y Australia. Un impulso genético que reduce la viabilidad femenina podría ayudar a controlarlos.
  • Invasivas plagas agrícolas: El gusano del ejército de otoño (]Spodoptera frugiperda), una polilla nativa de las Américas, invadió África en 2016 y Asia en 2018, causando grandes pérdidas de cultivos. Los impulsos genéticos podrían ser desarrollados potencialmente para la supresión de la población, aunque las preocupaciones sobre el flujo de genes deben ser consideradas nativos.
  • Plantas invasivas:] La ingeniería genética ofrece posibilidades para suprimir plantas invasivas, por ejemplo, apuntando a genes necesarios para la producción de semillas o la viabilidad de polen. Sin embargo, las unidades de genes de plantas enfrentan obstáculos adicionales debido a genomas poliploides complejos y la dificultad de la ingeniería de unidades estables en muchas especies de plantas.

Estudios de casos en el desarrollo

Control de ratón en las Islas

La conservación de las islas proporciona el caso de uso más convincente a corto plazo para las unidades de genes. Muchas especies amenazadas de aves marinas dependen de islas libres de depredadores para reproducirse. La eliminación de roedores invasivos ha demostrado que desencadenan una recuperación rápida de los ecosistemas, pero las técnicas actuales son limitadas. ]El biocontrol de ratas de roedores invasivos (GBIRd): una colaboración exitosamente entre universidades, organismos gubernamentales

Represión de mosquitos en el laboratorio

Los experimentos más avanzados de la unidad genética se han realizado en mosquitos. En 2018, científicos del Imperial College London informaron de una unidad genética basada en CRISPR en Anopheles gambiae que se extendió con la herencia super-Mendeliana y causó infertilidad 100% femenina cuando ambas copias del gen objetivo fueron interrumpidas.

Desafíos y riesgos

A pesar de la promesa, la tecnología de la unidad de genes se enfrenta a obstáculos significativos antes de que pueda ser desplegado en el salvaje.

Desafíos técnicos

  • Evolución de resistencia: El obstáculo técnico más grave es la evolución de la resistencia. Cuando la nucleasa corta un cromosoma, el proceso de reparación puede a veces introducir mutaciones en el sitio objetivo que previene el corte futuro, lo que hace ineficaz la unidad. Diseñar unidades que apuntan múltiples genes esenciales o utilizar diferentes sistemas de nucleasa puede reducir los riesgos de resistencia, pero sigue siendo un área primaria de investigación.
  • ]Eficiencia y estabilidad duraderas: No todas las unidades alcanzan el sesgo deseado de la herencia 100%. Efectos fuera de los objetivos, mutaciones no deseadas y copia incompleta pueden reducir la propagación de la unidad. Los conductores también deben funcionar de forma fiable en diversas poblaciones y condiciones ambientales.
  • Contención y confinamiento: Para la investigación de laboratorio, la contención física (por ejemplo, los insectos, las instalaciones de roedor seguras) es esencial para prevenir la liberación accidental. Muchos laboratorios han construido múltiples barreras, pero pueden ocurrir accidentes. El NIH y otros órganos de financiación requieren protocolos rigurosos de evaluación y contención de riesgo para experimentos de transmisión de genes.

Riesgos ecológicos

  • Impactos no deseados sobre especies no-objetivas: Un impulso genético diseñado para suprimir una especie invasiva podría potencialmente extenderse a un congénero nativo (especies relacionadas) a través de la hibridación o el flujo de genes. Esto es una preocupación particular para los roedores y peces, donde las especies relacionadas pueden ser simpáticas.
  • Interrupción del ecosistema: Incluso si se erradica la especie objetivo, las consecuencias ecológicas pueden ser complejas. La eliminación de una especie invasiva podría desencadenar invasiones secundarias, cascadas tróficas u otros cambios impredecibles. La modelación cuidadosa y las introduccións graduales pueden ayudar, pero los efectos del ecosistema completos son difíciles de predecir.
  • Pase más allá de la zona prevista: Los impulsos genéticos están diseñados para extenderse, y si se liberan en una zona, podrían trasladarse a otras poblaciones o países mediante la dispersión natural o el transporte humano, lo que plantea cuestiones transfronterizas y la necesidad de una gobernanza internacional.

Desafíos éticos y de gobernanza

  • Consentimiento y toma de decisiones: ¿Quién decide si liberar un impulso genético que podría afectar a toda una región o especie? La gestión invasiva de especies a menudo implica múltiples partes interesadas, incluyendo comunidades indígenas, residentes locales, organizaciones de conservación y gobiernos.
  • Consideraciones morales de erradicar una especie: Incluso cuando la especie es invasiva, causando deliberadamente su extinción plantea cuestiones éticas. Algunos argumentan que tenemos la responsabilidad de proteger la biodiversidad nativa, que puede justificar la erradicación. Otros advierten contra acciones irreversibles y la pérdida de valor potencial de la especie en su gama nativa.
  • Marcos reguladores: La mayoría de los países aún no han desarrollado regulaciones específicas para las unidades genéticas. El Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología y otros acuerdos internacionales proporcionan alguna orientación, pero fueron creados antes de que las unidades geneas fueran una perspectiva realista. La Convención sobre Diversidad Biológica ha discutido las unidades de genes y ha llamado a un enfoque responsable[LT].
  • Dual-use concerns: The same technology that can suppress invasive species couldpotentially be used maliciously to harm agriculture or ecosystems. Safeguards, such as designing drives that are self-limiting or require specific conditions to function, are being explored.

Perspectivas futuras y caminos para un despliegue seguro

The field of gene drive research is advancing rapidly, driven by improvements in genome editing, synthetic biology, and ecological modeling. Several key milestones are needed before field trials can proceed.

Enfoque gradual para los ensayos sobre el terreno

Los investigadores abogan por un proceso de evaluación gradual: estudios de laboratorio con alta contención → ensayos controlados de campo abierto en áreas aisladas (por ejemplo, pequeñas islas) → implementaciones monitorizadas. El uso de unidades reversibles o autolimitantes puede servir como primer paso para reducir el riesgo. Las unidades de “chate de la hostia”, por ejemplo, están diseñadas para perder la función a lo largo de unas pocas generaciones, una vez que el suministro inesperado de larvae releas.

Mejora de la modelización y la evaluación de riesgos

Modelos computacionales que integran genética de población, ecología y comportamiento ayudan a predecir la propagación de la unidad, la resistencia potencial y los resultados ecológicos. Estos modelos se están volviendo más sofisticados y pueden incorporar datos espaciales, patrones de apareamiento y variabilidad ambiental. También ayudan a identificar parámetros sensibles y brechas de datos antes de cualquier liberación. ]Universidad de California

Participación y gobernanza

Es esencial un compromiso significativo con las comunidades locales e indígenas para cualquier posible liberación. Proyectos como Target Malaria han establecido precedentes al trabajar estrechamente con las comunidades de África, proporcionar información, solicitar información y obtener el consentimiento. Riesgos y beneficios de los organismos de impulso genético iniciativa (una colaboración del marco nacional de análisis de costos)

La gobernanza internacional se está discutiendo bajo Convención sobre la Diversidad Biológica] (CBD). En 2018, el CDB adoptó una decisión que pide un enfoque preventivo para los organismos de impulso genético e instó a que “cualquier liberación de organismos que contengan impulsos genéticos diseñados en el medio ambiente debe estar sujeta a una evaluación exhaustiva del riesgo”. La Unión Africana y la Unión Europea también han emitido declaraciones que apoyan una regulación cuidadosa.

Conclusión

Los sistemas de accionamiento genético representan un cambio paradigmático en nuestra capacidad de gestionar especies invasoras. Al bistar la herencia para difundir un rasgo a través de una población, ofrecen la posibilidad de un control humano, altamente selectivo, eficiente y altamente humano, especialmente para ecosistemas aislados de islas donde los métodos tradicionales se desprevenen. La tecnología se basa en el poder revolucionario de CRISPR y se está probando en laboratorios de todo el mundo.

Sin embargo, el camino hacia el despliegue seguro es es pronunciado. Los obstáculos técnicos como la evolución de la resistencia, las incertidumbres ecológicas y las cuestiones éticas y de gobernanza profundas siguen sin resolverse. El desarrollo responsable de las unidades de genes requerirá una inversión sostenida en investigación, una evaluación de riesgos sólida, un diálogo público transparente y una cooperación internacional. Si estos desafíos pueden ser encontrados, las unidades de genes pueden convertirse en una herramienta indispensable para proteger la biodiversidad de la amenaza acelerada de las especies invasivas.

Más lectura: Las academias nacionales de ciencias, ingeniería y medicina informan sobre las unidades genéticas; proyecto de Meta para la malaria; asociación con GBIRd; y las decisiones del Convenio sobre la Diversidad Biológica sobre biología sintética.

National Academies Report on Gene Drives Silencio Target Malaria Project Silencio Genetic Biocontrol of Invasive Rodents (GBIRd) TEN [4]Convención sobre Diversidad Biológica [FLT8]