Estudio de Mayo Clinic conduce a pesticidas más seguros

12 de octubre de 2006

ROCHESTER, Minnesota: Cada año, las haciendas pierden millones de dólares en sus cosechas, a causa de la devastadora acción de dos insectos: el pulgón de los cereales (Schizaphis graminum) y el pulgón de la espiga (Sitobion avenae). Estos dos pequeños insectos de la familia de los áfidos y de color verde aunque miden apenas 1,6 milímetros (1/16 de pulgada), constituyen una pesada carga para la industria agrícola. En 2005, el Departamento de Agricultura informó que se perdió cien millones de dólares en las cosechas de seis estados debido a estas plagas.

En un estudio que consta en la edición de octubre de Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters (Cartas de Bioorgánica y Química Medicinal), un científico de Mayo Clinic publicó un trabajo que abre las puertas a la posibilidad de crear pesticidas más seguros que permitan controlar al pulgón verde de los cereales y al pulgón de la espiga en las haciendas agrícolas. Según el autor del estudio, Dr. Yuan-Ping Pang, director del Laboratorio de diseño molecular asistido por computador de Mayo Clinic, la clave radica en identificar una enzima propia del insecto, la cual puede usarse como blanco directo para un nuevo insecticida que no afectaría a los humanos ni a los animales. La investigación se realizó con el apoyo de un poderoso supercomputador con capacidad de teraescala, diseñado por el Dr. Pang para desarrollar el modelo tridimensional de una enzima obtenida de estos dos insectos. (El término teraescala se refiere a un computador tan poderoso que puede realizar un billón de operaciones por segundo).

"Ahora contamos con un esquema que permitirá el desarrollo de una nueva generación de pesticidas no tóxicos para los humanos. La idea es que algún día podamos comer manzanas sin necesidad de lavarlas primero, aunque estén cubiertas de pesticidas", comenta el Dr. Pang.

El pulgón verde de los cereales está presente en todo el continente americano, Europa, África, Medio Oriente y Asia. En el sur de Europa, el centro de Asia, el Medio Oriente y África existen áfidos desde 1912. El Dr. Pang explica que el tipo de áfido más dañino es el pulgón verde de los cereales porque succiona el jugo de las plantas mientras les inyecta una toxina, la misma que causa más daños que los ocasionados por la lesión física producida por el insecto.

Hasta la fecha, el método común para proteger las cosechas del pulgón verde de los cereales y del pulgón de la espiga ha sido el uso de pesticidas con agentes anticolinesterasa, desarrollados durante la Segunda Guerra Mundial. Estos pesticidas incapacitan una enzima llamada acetilcolinesterasa que descompone la acetilcolina, un neurotransmisor cerebral que envía señales entre las neuronas. Al incapacitar la acetilcolinesterasa se produce un desequilibrio químico en el cerebro de los insectos, lo cual los elimina en última instancia. El problema es que la acetilcolinesterasa afecta a los insectos pero también a los humanos.

"Desgraciadamente, los pesticidas actuales con agentes anticolinesterasa apuntan hacia un residuo común de la acetilcolinesterasa, ostensible en insectos y en humanos. El uso de los pesticidas potencialmente dañinos desarrollados hace décadas se basa en la hipótesis que estos productos se emplean en dosis bajas, las cuales son toleradas por los humanos mas no por las plagas", señala el Dr. Pang.

Sin embargo, según un informe de la Secretaría del Inspector General de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, algunos pesticidas anticolinesterasa pueden ingresar al cerebro de un feto o de un niño pequeño y destruir las neuronas de su sistema nervioso en desarrollo.

Hasta la fecha, no se han diseñado pesticidas que tengan la misma eficacia pero ofrezcan seguridad para reemplazar a los actualmente utilizados en las haciendas, añade el Dr. Pang.

Los pesticidas con agentes anticolinesterasa apuntan hacia un aminoácido que se encuentra dentro de la enzima acetilcolinesterasa, llamado serina. La serina no es propia de los insectos, razón por la cual los insecticidas a base de serina afectan también a humanos y animales. El doctor Pang desarrolló en el computador un modelo tridimensional, el cual identificó un aminoácido diferente, denominado cisteína, propio de los insectos y que se ubica en la abertura del sitio activo de la acetilcolinesterasa.

"Mi objetivo era encontrar un residuo enzimático que fuese propio de los insectos, para así permitirnos diseñar una molécula que inhibiría selectivamente la enzima del insecto. A partir de eso, era factible concebir la creación de un pesticida con toxicidad únicamente para los insectos y no para los humanos", añade el Dr. Pang.

El Dr. Pang analizó las secuencias de la proteína anticolinesterasa en 72 especies, desde humanos hasta pollos, otros mamíferos y plagas. Descubrió la presencia del aminoácido cisteína en las secuencias de la proteína anticolinesterasa del pulgón verde de los cereales y del pulgón de la espiga, el cual estaba ausente en las secuencias comparables de humanos y animales.

A continuación, el Dr. Pang tomó un paso crucial que consistió en examinar los modelos tridimensionales de las enzimas acetilcolinesterasa de ambos tipos de áfidos con el supercomputador con capacidad de teraescala, diseñado por él mismo. Así descubrió el residuo de cisteína propio de las plagas, ubicado en el borde del sitio activo de la acetilcolinesterasa.

Las enzimas acetilcolinesterasa tienen un sitio activo profundo y estrecho. En el insecto, el residuo de cisteína se ubica en la abertura del sitio activo de acetilcolinesterasa y puede reaccionar ante un pesticida de molécula pequeña. Es decir, el residuo de cisteína sirve como un gancho capaz de agarrar una molécula pequeña en el sitio activo para dañar la enzima.

Por otro lado, la cisteína no está presente en la acetilcolinesterasa de seres humanos ni animales, de manera que el residuo de la cisteína constituye básicamente un marcador entre las especies para el desarrollo de nuevos pesticidas que no afectarían a los humanos porque la cisteína no es una enzima activa en la especie humana ni animal, expone el Dr. Pang.

"Después de inspeccionar todo el sitio activo de la enzima humana, no pudimos encontrar residuo de cisteína", añade.

"Es razonable pensar que una molécula con estabilidad química reaccionaría ante el residuo de cisteína específico del insecto para inhibir irreversiblemente la acetilcolinesterasa, en cuanto se une al sitio activo. Por lo tanto, creo que el residuo de cisteína puede usarse como un marcador entre las diferentes especies para desarrollar una nueva generación de pesticidas más seguros que puedan inhibir la acetilcolinesterasa del pulgón verde de los cereales y del pulgón de la espiga, pero no la de los seres humanos y otros animales", declara el Dr. Pang.

"Las secuencias proteicas, como información unidimensional, nos indican si el aminoácido en el cual estamos enfocamos es exclusivo, mas no señalan su ubicación en el sitio activo de la enzima. No podemos apuntar hacia el residuo si no sabemos dónde se encuentra. Ahora, podemos examinar la ubicación del residuo en un espacio tridimensional mediante el computador con capacidad de teraescala.

"Este proyecto ofrece una base estructural que posibilita el diseño de pesticidas con toxicidad para los insectos, pero no para los humanos. Demuestra las ventajas del poder de la biología molecular que llevaron al descubrimiento del residuo de la cisteína, el mismo que tiene una función importante, es propio de la plaga y se encontraba escondido en un mar de secuencias proteicas, sobre lo cual se informó originalmente en el año 2002", agrega el Dr. Pang.

Este estudio se financió gracias a la Fundación Mayo para la Educación e Investigación Médicas.

Mayo Clinic, a través de un enfoque dedicado a las necesidades individuales de los pacientes, proporciona servicios de diagnóstico y tratamiento en cada sub-especialidad en sus instalaciones de Rochester en Minnesota, Jacksonville en Florida, Phoenix y Scottsdale en Arizona.

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