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LYSIN-XF investiga cómo reducir el patógeno vegetal Xylella fastidiosa aplicando endolisinas fágicas

Almendros en flor / Pixabay

El objetivo principal del proyecto de investigación LYSIN-XF es reducir y minimizar el efecto de las plagas de la bacteria Xylella fastidiosa en el cultivo del almendro mediante el desarrollo de endolisinas. La investigación, cuyo título completo es “Uso de endolisinas fágicas para la optimización del control integrado de Xylella fastidiosa”, está teniendo lugar en la Universidad de Alicante por el grupo liderado por Jesús García Martínez y Cesar Bordehore, en el marco del programa AGROALNEXT.

X. fastidiosa es una bacteria capaz de producir enfermedades en diferentes cultivos vegetales, entre ellos el del almendro. Al multiplicarse dentro de sus vasos puede llegar a taponarlos, obstruyendo el flujo de savia bruta. Esto provoca carencia de agua o nutrientes y daña la planta, pudiendo reducir su productividad en primer lugar, y si avanza, provocar la muerte. Este patógeno puede ser destruido de forma natural mediante la acción de bacteriófagos o fagos, un tipo de virus que infecta bacterias. En concreto, los fagos son capaces hacer que las bacterias sinteticen moléculas que posteriormente causen su autodestrucción. Estas son las endolisinas, enzimas que provocan la ruptura de la pared celular, un proceso conocido como “lisis”.

La aplicación de endolisinas reduce las colonias de X. fastidiosa (abajo)

El proyecto LYSIN-XF investiga la actividad y la estabilidad de las endolisinas en diferentes condiciones con el fin de desarrollar un tratamiento exitoso contra X. fastidiosa. Para ello, el personal investigador crea simulaciones mediante modelos biomatemáticos teniendo en cuenta todos los componentes del ecosistema como especies vegetales objetivo, especies silvestres o insectos vectores. Estos modelos incluyen también la cinética de actuación de las endolisinas, la visión macro del ecosistema y las interacciones planta-insecto. De este modo, pueden identificarse puntos críticos en los que el tratamiento con endolisinas es adecuado. La modelización del sistema completo se realiza con la herramienta de programación STELLA Architect y el análisis matemático con los softwares MATLAB y R.

En la parte de microbiología, hacen uso de técnicas bioinformáticas que permiten predecir la estructura y función de las proteínas. De ese modo, pueden generar endolisinas quiméricas, o lo que es lo mismo, endolisinas que reúnen las regiones más eficaces encontradas en proteínas por separado. Las tecnologías utilizadas son “Gibson Assembly”, un protocolo que permite unir fragmentos de ADN, y “QuickChange”, que permite generar mutaciones controladas.

Modelo dinámico realizado para el patosistema de Xylella fastidiosa

Aunque la investigación está todavía en curso, ya está arrojando algunos resultados. Se ha encontrado una endolisina con actividad directa frente a una cepa de X. fastidiosa. A partir de ella se derivarán nuevas proteínas sintéticas para determinar su grado de efectividad y el rango de hospedadores. La investigación tiene como especie objetivo el almendro, pero espera ser extrapolable a otros hospedadores como cítricos, olivos o frutales de hueso. Además, la investigación espera beneficiar a los polinizadores reduciendo el uso de plaguicidas gracias a esta alternativa de control de plagas.

Entrevista a Jesús García Martínez, investigador principal del proyecto LYSIN-XF

¿Cuál es el objetivo principal de su investigación?

El desarrollo de endolisinas (proteínas fágicas con actividad lítica) frente al patógeno vegetal Xylella fastidiosa, así como la caracterización de su actividad y estabilidad en diferentes condiciones, con el fin de determinar mediante estudios de modelización ecológica cuáles serían los puntos críticos del sistema (teniendo en cuenta todos los componentes del ecosistema, desde las especies vegetales objetivo, especies vegetales silvestres o los insectos vectores, entre otros) en los que la efectividad de un posible tratamiento fuera la más adecuada, incluso testando la sinergia con otros enfoques de control.

¿Qué resultados ha obtenido hasta el momento y cómo cree que estos pueden contribuir al objetivo principal de su investigación?

Se ha encontrado ya una endolisina con actividad directa frente a una cepa de X. fastidiosa aislada en cultivos de almendros infectados, a partir de la cual se derivarán nuevas proteínas sintéticas no naturales para determinar su grado de
efectividad y rango de hospedadores. A nivel de modelización ya contamos con un modelo general bastante completo, aunque falta ajustar valores de diferentes variables y validación para diferentes escenarios y, posteriormente realizar análisis de sensibilidad y comparación de escenarios.

¿Qué metodología y tecnologías está utilizando en su investigación?

En la parte de microbiología, principalmente, se están empleando técnicas bioinformáticas de predicción de dominios y estructura terciaria de proteínas para determinar las diferentes zonas de interés de cada enzima, con el propósito de generar endolisinas quiméricas por fusión de las regiones más eficaces de cada una de ellas. Para ello, se seguirá el método basado en la tecnología de “Gibson Assembly”. Además, se generarán también mutaciones puntuales por el proceso QuikChange de mutagénesis dirigida.
La metodología utilizada para la modelización del sistema completo (desde la cinética de actuación de las endolisinas, a la visión macro del ecosistema y las interacciones planta-insecto) es los sistemas dinámicos, utilizando como herramienta de programación STELLA Architect (IseeSystems) y para análisis matemático y optimización, MATLAB y R.

¿En qué medida su investigación está contribuyendo al desarrollo de un sector agroalimentario más verde, sostenible y/o saludable? ¿En cuáles de los Objetivos de Desarrollo Sostenible se enmarca su proyecto?

Esta investigación pretende minimizar los daños ocasionados por una plaga, la bacteria fitopatógena Xylella fastidiosa en la especie objetivo (en nuestro caso los almendros, pero también extrapolable a todas las plantas de producción potencialmente hospedadoras como cítricos, olivos o frutales de hueso, entre otros), pero también nuestra técnica permitiría reducir los impactos ambientales de las técnicas “tradicionales” de lucha contra insectos vectores, como es el uso, a veces abusivo y sin una evaluación de daños ambientales, de plaguicidas que podría afectar por ejemplo a polinizadores.

¿Qué desafíos ha encontrado en la implementación de sus resultados en el sector agroalimentario?

Todavía estamos en una fase de investigación básica. Entendemos que uno de los desafíos será cómo incorporar nuestra proteína al sistema, bien sea al árbol, a los insectos o en algunos puntos estratégicos del ecosistema para reducir la probabilidad de infección por Xylella fastidiosa.

¿Qué impactos sociales y económicos cree que puede tener la implementación de sus resultados en el sector agroalimentario?

Aún es pronto para evaluar ésto, aunque los primeros resultados de laboratorio son prometedores a nivel de eficacia, hay un tema crucial que es la escalabilidad al mundo real con todo lo que supone, desde precios de síntesis o aplicación. No obstante entendemos que si finalmente obtenemos una serie de proteínas anti-Xylella será un paso necesario para contener esta plaga que afecta en todo el mundo a muchos tipos de cultivos.

¿Qué recomendaciones tiene para otros investigadores o actores del sector agroalimentario en cuanto a la implementación de sus resultados?

La biotecnología aplicada junto con la modelización y la ecología de sistemas puede ayudar a mejorar la resiliencia de los cultivos no sólo contra las plagas sino también en apoyo a la producción en un medio ambiente cambiante.