La acuicultura es un sector crucial para la producción y el comercio mundial de alimentos. Las técnicas de edición genómica, en particular el sistema CRISPR/ Cas9, están transformando la industria al permitir modificaciones genéticas precisas en especies de peces. Estos avances mejoran la resistencia a las enfermedades, el crecimiento y la reproducción, lo que hace de la acuicultura una industria más eficiente y sostenible

Por: Redacción PAM*

Introducción

La producción mundial de pescado se ha convertido en el sector alimentario de más rápido crecimiento en las últimas décadas. La acuicultura produce ahora más biomasa de pescado que la carne de vacuno e incluso que la pesca de captura (incluidas las especies no comestibles) (Edwards et al., 2019). En el siglo XXI, la producción acuícola y pesquera se ha expandido significativamente (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, FAO, 2022). La producción acuícola pasó de 5 millones a 63 millones de toneladas, mientras que la pesca de captura aumentó de 69 millones a 93 millones de toneladas en 30 años. El consumo de pescado comestible creció a una tasa anual del 1.4 %, alcanzando los 20.5 kg per cápita en 2019. En 2020, la acuicultura representó 178 millones de toneladas de pescado comestible, siendo los peces de aleta (57.5 millones de toneladas), los moluscos (17.7 millones de toneladas) y los crustáceos (11.2 millones de toneladas) los principales contribuyentes. Asia lideró la producción (91.6%), con China a la cabeza desde 1991. Otros productores clave son Vietnam, Bangladés, Egipto, Noruega y Chile. Para 2050, con una población mundial prevista de 10,000 millones de personas, la producción alimentaria deberá ser más eficiente. El pescado es una fuente esencial de proteínas, rica en ácidos grasos omega-3, vitaminas y minerales.

El sector ha experimentado un cambio hacia el cultivo de especies acuáticas alimentadas, lo que ha impulsado el crecimiento de la producción y reducido los precios del pescado. Sin embargo, el cambio climático plantea un reto importante, que requiere inversiones en prácticas sostenibles y nuevas tecnologías (FAO, 2022; Boyd et al., 2020). La modificación genética podría apoyar la expansión de la acuicultura y mejorar la salud de los peces (Banco Mundial, 2013).

La edición genómica optimiza rasgos de crecimiento y reproducción en especies comerciales.
Al mejorar el factor de conversión alimenticia y el peso final, las biotecnologías modernas
permiten que la acuicultura produzca más biomasa de manera eficiente, superando incluso a
la ganadería vacuna tradicional.

Edición genómica

Las técnicas de ingeniería genética surgieron a finales del siglo XX para modificar genomas con precisión (Perota et al., 2016). Los avances en ingeniería genética han tenido un impacto significativo en la medicina, especialmente en la terapia génica (Catho-men, 2008). La edición genómica permite modificaciones específicas del ácido desoxirribonucleico (ADN) mediante nucleasas modificadas genéticamente. Permite alteraciones precisas de los rasgos, como correcciones de alelos o transferencias entre especies (Malik, 2020; Gratacap, 2019). Los mecanismos de reparación del ADN, principalmente la unión de extremos no homólogos (NHEJ, por sus siglas en inglés) y la reparación dirigida por homología (HDR), son cruciales para la recuperación tras la edición (Takate, 1998; Lans, 2012).

Nucleasas con dedos de zinc

Las nucleasas con dedos de zinc (ZFN, por sus siglas en inglés) son proteínas modificadas genéticamente que se utilizan para la edición genómica (Choo, 1994). Consisten en dominios de unión al ADN con dedos de zinc fusionados con la endonucleasa Fok I. Las ZFN introducen roturas de doble cadena (DSB) en sitios específicos del genoma, lo que desencadena reparaciones mediadas por la NHEJ (Cathomen, 2008; Tang, 2015). A pesar de su precisión, los efectos fuera del objetivo siguen siendo un reto (Carroll, 2014). Esta técnica se ha aplicado con éxito en células de pez cebra (Danio rerio) y humanas (Palpant, 2013; Hockemeyer, 2009).

Nucleasas efectoras similares a activadores de transcripción

Las nucleasas efectoras tipo activador de la transcripción (TALEN, por sus siglas en inglés), derivados de la bacteria Xanthomonas, utilizan proteínas de unión al ADN y nucleasas Fok I para inducir DSB. Ofrecen una alta especificidad y eficacia, pero su uso requiere mucho trabajo y resulta costoso (Joung, 2013; Lamb, 2013). Entre sus aplicaciones se encuentra la modificación genética en organismos modelo, pero la necesidad de alternativas más sencillas ha llevado al desarrollo de técnicas más avanzadas (Malik, 2020).

Sistema CRISPR/Cas9

El sistema de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y espaciadas regularmente – Cas9 (CRISPR/Cas9, por sus siglas en inglés), descubierto en 2012, revolucionó la edición genómica gracias a su simplicidad, rentabilidad y eficiencia (Malik, 2020; Jinek, 2012). Utiliza ARN guía (sgRNA) para dirigir la endonucleasa Cas9 hacia secuencias de ADN específicas, lo que permite ediciones precisas. El sistema se utiliza ampliamente en diversos campos, incluidas aplicaciones biomédicas y agrícolas (Xu, 2020).

Silenciamiento génico

La interferencia de ARN (RNAi, por sus siglas en inglés) regula la expresión génica inhibiendo la traducción del ARN mensajero (mRNA) (Singh, 2019; Hood, 2004). Las enzimas Dicer procesan el ARN de doble cadena (dsRNA) en ARN pequeño interferente (siRNA), que guía al complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC) para degradar el mRNA objetivo (Singh, 2019; Sen, 2006). El ARNi desempeña un papel fundamental en la defensa inmunitaria y en las innovaciones en terapia génica (Hood, 2004; Wang, 2007).

Aplicaciones en la acuicultura

La acuicultura se enfrenta a importantes retos derivados de los patógenos infecciosos. Las técnicas de modificación genética pueden mejorar la resistencia a las enfermedades, aumentar la eficiencia de la producción y favorecer la salud de los peces (Gotes-man, 2018). Los peces sirven como biorreactores eficaces para aplicaciones médicas debido a sus cortos intervalos generacionales y a su costo de mantenimiento. La edición genómica se ha aplicado con éxito en la cría, el desove y el control de enfermedades de los peces, lo que ofrece avances prometedores para la indus-tria (Lucas, 2013).

Edición genómica en especies de piscicultura mediante CRISPR/ Cas9 y otras herramientas

En las últimas décadas se han descifrado más de 70 genomas de peces acuáticos. El CRISPR/Cas9 y otras herramientas de edición genómica están impulsando la acuicultura al permitir la esterilidad, la resistencia a las enfermedades, la pigmentación y la mejora del crecimiento. Estas innovaciones ofrecen soluciones a importantes retos en la acuicultura.

Edición genómica en la ciencia pesquera

El pez cebra, ampliamente utilizado como organismo modelo, ha contribuido a avances en modificaciones genéticas, toxicología e interacciones entre huésped y patógeno. El CRIS-PR/Cas9 ha modificado con éxito genes en diversas especies, incluyendo el salmón del Atlántico, el medaka y la tilapia. En la tilapia del Nilo, las mutaciones genéticas dirigidas se han transmitido eficazmente a la descendencia, lo que demuestra la alta eficacia del CRISPR/Cas9 en especies no modelo.

Edición genómica en poblaciones monosexuales

La edición genómica puede crear poblaciones de peces monosexuales, mejorando las tasas de rendimiento y evitando la reproducción no deseada en el medio natural. En tilapia, se han inactivado los genes que determinan el sexo femenino para influir en la diferenciación sexual. Los tratamientos hormonales tradicionales para la inversión de sexo plantean riesgos ecológicos, pero la edición genómica ofrece una alternativa sostenible. Los estudios con medaka utilizando TALEN demostraron una inactivación génica eficaz para la regulación reproductiva.

Edición genómica para la esterilidad de los peces

La esterilidad previene los riesgos ecológicos que plantean los peces de piscifactoría que se escapan. Mediante la tecnología ZFN, se produjeron bagres de canal estériles al interrumpir el gen de la hormona luteinizante hipofisaria. En el salmón del Atlántico, la inactivación mediante CRISPR/Cas9 del gen dead end (dnd) eliminó las células germinales, impidiendo el flujo genético entre las poblaciones de piscifactoría y las silvestres. También se han seleccionado genes de pigmentación (slc45a2), produciendo salmones albinos.

Edición genómica en la reproducción

El sistema del gen que codifica la kisspeptina —Kiss1 (Kiss1/Grp54)—regula la reproducción en los vertebrados. En el pez cebra, las mutaciones inducidas mediante TALEN en los genes kiss2 demostraron que el potencial reproductivo no se veía afectado, lo que sugiere diferencias entre las estrategias reproductivas de los mamíferos y los peces.

Edición genómica en peces de crecimiento rápido

Las especies de peces de agua fría suelen tener tasas de crecimiento lentas debido a factores genéticos y ambientales. Se ha utilizado el CRISPR/Cas9 para inactivar la miostatina, un inhibidor del crecimiento muscular, en la carpa común, lo que ha dado lugar a un aumento de la masa muscular. Se han aplicado enfoques similares a especies de crecimiento lento, como la trucha de las nieves, para mejorar las tasas de crecimiento.

Edición genética en peces ornamentales

La edición genómica dirigida ha facilitado el desarrollo de colores y pigmentación deseados en los peces ornamentales. Se han utilizado técnicas como ZFN, TALEN y CRISPR/Cas9 para mutar genes relacionados con la pigmentación en el pez cebra, lo que ha dado lugar a ojos de color claro hereditarios y a fenotipos de pérdida de función. El sistema CRISPR/ Cas9 ha permitido la inactivación génica eficaz, afectando a múltiples loci simultáneamente (Figura 1).

La interferencia de ARN (RNAi) es una herramienta potente para la genómica funcional en
medicina acuática. Permite el silenciamiento preciso de genes específicos, facilitando el
estudio de enfermedades y el desarrollo de nuevas terapias biotecnológicas para especies
acuáticas de alto valor comercial.

Edición genómica en la pigmentación

La edición genómica con TALEN en el pez cueva (Astyanax mexicanus) se dirigió a genes de la pigmentación, lo que dio lugar a una pérdida de melanina con patrón mosaico. Un estudio reciente en la tilapia del Nilo demostró una pigmentación roja hereditaria mediante una mutación mediada por CRISPR/Cas9 en el gen slc45a2, lo que confirma su aplicabilidad en la acuicultura (Figura 2).

Edición genómica en el crecimiento

La mejora del crecimiento mediante la transferencia génica ha dado lugar a aumentos de tamaño de hasta un 300%. La inactivación del gen de la miostatina (MSTN, por sus siglas en inglés) mediada por CRISPR/Cas9 en el bagre de canal aumentó el crecimiento muscular y el peso corporal. Este enfoque podría impulsar significativamente la productividad de la acuicultura.

Edición genómica en la configuración corporal

Las modificaciones transgénicas han mejorado las propiedades nutricionales de los peces. El pez cebra modificado con genes de desaturasa de salmón mostró un aumento de los niveles de ácidos grasos omega-3, un resultado que también se observó en la carpa y el bagre. Estas modificaciones mejoran el valor nutricional de los peces de piscifactoría.

Edición genómica en oomicetos

El Aphanomyces invadans causa el síndrome ulcerativo epizoótico (EUS, por sus siglas en inglés), una amenaza significativa para las poblaciones de peces. El CRISPR/Cas9 se dirigió a los genes de la serina proteasa de este patógeno, previniendo eficazmente la virulencia. Los pe-ces de experimentación expuestos a A. invadans editados genéticamente no mostraron signos de infección, lo que pone de relieve el potencial del CRISPR/Cas9 en la gestión de enfermedades y el desarrollo de fármacos. Estas ventajas demuestran el potencial transformador de la edición genómica en la acuicultura, mejorando la sostenibilidad, la productividad y el equilibrio ecológico.

Silenciamiento génico en medicina piscícola

La herramienta de RNAi se ha utilizado ampliamente para analizar la función de los genes en enfermedades acuáticas y desarrollar terapias antivirales para el ganado y las especies acuáticas. La mayoría de los estudios sobre RNAi en peces se han realizado en el pez cebra, un modelo clave para la acuicultura y la biomedicina.

Silenciamiento génico en enfermedades virales en medicina piscícola

Se han utilizado terapias basadas en el RNAi para inhibir la replicación viral. En un estudio, el siRNA se dirigió contra los transcritos de la nucleoproteína (N) y la fosfoproteína (P) del virus de la viremia de la carpa (SVCV, por sus siglas en inglés) en células de epitelioma papuloso de ciprínidos (EPC), reduciendo la replicación. Otro estudio utilizó siRNA para inhibir el herpesvirus de los ciprínidos tipo 3 (CyHV-3) en células de cerebro de carpa común (CCB), dirigiéndose a los genes de la timidina quinasa (TK) y la ADN polimerasa (DP). Para lograr una inhibición óptima, es necesario dirigirse a múltiples genes virales.

Silenciamiento génico para estudios de la función génica en medicina de peces

El ARN en horquilla corta (shRNA, por sus siglas en inglés) ha inhibido con éxito la expresión génica en el pez cebra. Los estudios se centraron en los genes wnt5b y zDisc1, demostrando una inhibición eficaz. Otro estudio utilizó un sistema de plásmido T7 transcrito in vivo para silenciar los genes de la proteína fluorescente verde (gfp) y no tail (nt1), confirmando la actividad del mecanismo de RNAi en células de pez cebra.

Silenciamiento génico en oomicetos

En Saprolegnia parasitica, un patógeno de la acuicultura, el silenciamiento del gen de la tirosinasa (SpTyr) redujo la producción de melanina y alteró la morfología celular, lo que demostró que el RNAi es una herramienta funcional.

Silenciamiento génico en crustáceos

A pesar de los limitados datos genómicos sobre los crustáceos, el RNAi ha demostrado su eficacia. Los estudios mostraron la inhibición mediada por RNAi del virus del síndrome de la mancha blanca (WSSV, por sus siglas en inglés), el virus de la cabeza amarilla (YHV) y el virus del síndrome de Taura (TSV) en el camarón (Penaeus monodon). Además, el RNAi se dirigió a la proteína receptora pmYRP65, impidiendo la entrada del YHV.

En las infecciones bacterianas, la inactivación del gen de la profenoloxidasa (proPO) en el cangrejo de río (Pacifastacus lenusculus) debilitó las defensas inmunitarias, mientras que la inactivación de la pacifastina potenció la inmunidad. El RNAi también inhibió la hormona hiperglucémica de los crustáceos (CHH, por sus siglas en inglés) en Litopenaeus schmitti, reduciendo los niveles de glucosa. En este sentido, el RNAi continúa siendo una herramienta poderosa para comprender las enfermedades acuáticas.

Conclusiones

Las preocupaciones éticas acerca del CRISPR/Cas9 giran en torno al equilibrio entre beneficios y riesgos. Las mutaciones fuera del objetivo, las alteraciones genéticas no deseadas y la posible muerte celular plantean retos importantes. Se están realizando esfuerzos para mejorar la precisión mediante variantes enzimáticas. El elevado costo de las herramientas y los reactivos limita aún más la accesibilidad. Los riesgos medioambientales incluyen la liberación involuntaria de organismos modificados genéticamente (OMG), lo que podría alterar los ecosistemas a través de la extinción por impulsión genética. Las mutaciones fuera del objetivo pueden amplificarse a lo largo de generaciones, lo que dificulta su control. Además, existen preocupaciones respecto a los riesgos para la salud, la reducción de la biodiversidad y las implicaciones éticas de la modificación genética.

La edición genómica está transformando la acuicultura, mejorando los rasgos genéticos mediante la cría selectiva y las biotecnologías. El CRISPR/Cas9 permite modificaciones precisas en especies como el salmón del Atlántico y el pez cebra, mejorando la resistencia a las enfermedades y el crecimiento. La interferencia de ARN (RNAi) también desempeña un importante papel en el silenciamiento de la expresión génica. A pesar de los avances, persisten los retos normativos, económicos y éticos, que influyen en la aceptación pública y el crecimiento del sector.

Esta es una versión resumida desarrollada por el equipo editorial de Panorama Acuícola Magazine del artículo “REVIEW: RECENT APPLICATIONS OF GENE EDITING IN FISH SPECIES AND AQUATIC MEDICINE” escrito por GUTÁSI, A., HAMMER, S., EL-MATBOULI, M. y SALEH, M. Universidad de Medicina Veterinaria, Viena, Austria. La versión original, incluyendo figuras, fue publicada en ABRIL de 2023 en ANIMALS. Se puede acceder a la versión completa a través de este enlace: https://doi. org/10.3390/ani13071250