Con más de un millón de especies descritas, los insectos son un tesoro de la biodiversidad y representan una poderosa herramienta de investigación. La edición genética de este numeroso grupo puede ser clave para responder algunas preguntas fundamentales en biología, y también para implementar medidas de control de plagas en el ámbito de la agricultura y de la salud global.

Las técnicas actuales para la edición de genes de insectos generalmente requieren la microinyección de materiales en embriones tempranos, lo que limita seriamente su aplicación a muchas especies. Por ejemplo, los estudios precedentes no han logrado la edición genética de cucarachas debido a su estrategia reproductiva única. Además, la edición de genes de insectos a menudo requiere equipos costosos, un diseño experimental específico para cada especie, y personal de laboratorio altamente cualificado.

Para superar estas limitaciones, un equipo internacional liderado por miembros de la Universidad de Kioto, formado por investigadores de dicha universidad y del Instituto de Biología Evolutiva (IBE), un centro mixto del CSIC y la Universidad Pompeu Fabra (UPF), ha establecido un método CRISPR-Cas9 simple y eficiente para la edición de genes de insectos por inyección de hembras adultas. La técnica, llamada CRISPR parental directo o DIPA-CRISPR, del inglés Direct Parental CRISPR, podría ser fácilmente implementada en cualquier laboratorio y aplicada directamente a una gran diversidad de insectos.

Un equipo internacional con participación del Instituto de Biología Evolutiva (IBE, CSIC-UPF) ha establecido el método DIPA-CRISPR, una aproximación simple y eficiente para la edición de genes de insectos por inyección de hembras adultas. 

El equipo utilizó DIPA-CRISPR para modificar exitosamente genes de la cucaracha alemana (Blattella germanica). La técnica consiste en inyectar el complejo Cas9-gRNA en la cavidad del cuerpo de hembras adultas para introducir mutaciones hereditarias en los huevos en desarrollo. Esta novedosa aproximación permitirá a los investigadores que utilizan insectos como modelo experimental liberarse de la dificultad técnica de inyectar los huevos.

Los resultados demostraron que la eficiencia de la edición de genes de Blattella germanica podría llegar al 22%. En el escarabajo pequeño de la harina (Tribolium castaneum), DIPA-CRISPR logró una eficiencia de más del 50%. La aplicación exitosa de DIPA-CRISPR en dos especies evolutivamente distantes demuestra su potencial para un uso muy amplio.

"La cucaracha alemana, un modelo ampliamente utilizado en investigación, encapsula los huevos en una cubierta rígida - la ooteca - , lo que hace prácticamente imposible inyectar los huevos, como se hace comúnmente con los procedimientos CRISPR. El diseño que proponemos consiste en aplicar las tijeras genéticas en hembras reproductoras. Los componentes inyectados penetran en los oocitos en crecimiento y afectarán a los embriones", explica Xavier Bellés, investigador del Instituto de Biología Evolutiva (IBE) en el laboratorio de Evolución de la metamorfosis de los insectos, y participante en el estudio.

"El diseño que proponemos consiste en aplicar las tijeras genéticas en hembras reproductoras. Los componentes inyectados penetran en los oocitos en crecimiento y afectarán a los embriones", explica Xavier Bellés, investigador del IBE y colaborador del estudio.

Los experimentos mostraron que el parámetro más crítico para el éxito es inyectar los componentes del CRISPR cuando la hembra se halla en pleno ciclo reproductivo. "DIPA-CRISPR requiere de un buen conocimiento del desarrollo de los ovarios. Esto puede ser un desafío en algunas especies, dadas las diversas estrategias reproductivas de los insectos", comenta Maria Dolors Piulachs, investigadora principal del IBE en el laboratorio de Reproducción de insectos, y participante en el estudio.

A pesar de estas limitaciones, DIPA-CRISPR es accesible, muy práctico y podría implementarse fácilmente en los laboratorios, extendiendo la aplicación de la edición de genes a una amplia diversidad de especies de insectos. La técnica requiere un equipo mínimo para la inyección en adultos, y solo dos componentes, la proteína Cas9 y el ARN guía sin modificar, lo que simplifica enormemente los procedimientos para la edición de genes.

"Poder utilizar el DIPA-CRISPR de manera habitual en el laboratorio nos permitirá un conocimiento más profundo de la función de algunos genes", apunta Maria Dolors Piulachs, investigadora del IBE y colaboradora del estudio.

"Poder utilizar el DIPA-CRISPR de manera habitual en el laboratorio nos permitirá un conocimiento más profundo de la función de algunos genes", apunta Piulachs, que anteriormente lideró una campaña de mecenazgo en la plataforma “Precipita” para desarrollar esta técnica, y que contribuyó a realizar los primeros pasos de este estudio.

El desarrollo de DIPA-CRISPR abre la puerta a que en un futuro se pueda editar el genoma de otros artrópodos utilizando un enfoque similar. Estos incluyen plagas agrícolas y médicas como ácaros y garrapatas, e importantes recursos pesqueros como camarones y cangrejos.

Este trabajo ha sido financiado por JSPS KAKENHI, JSPS Open Partnership Joint Research Projects, el Ministerio de Innovación y Competitividad de España, el CSIC y La Asociación Nacional de Empresas de Sanidad Ambiental (ANECPLA), entre otros.

Artículo referenciado: Yu Shirai Y., Piulachs M-D., Belles X., Daimon T., DIPA-CRISPR is a simple and accessible method for insect gene editing; Cell Reports Methods, 2022; DOI: https://doi.org/10.1016/j.crmeth.2022.100215