Durante más de un siglo se ha creído que los insectos no son capaces de digerir el tejido vegetal sin el establecimiento de relaciones simbióticas con microorganismos como bacterias, protozoarios y hongos, debido a que carecen de genes y enzimas endógenas para digerir los tejidos vegetales. Sin embargo, el aislamiento y caracterizaron genes de enzimas involucradas en la degradación de tejido vegetal (i.e., celulasas) en termitas y cucarachas, así como en los grupos de artrópodos cercanamente relacionados a los insectos como Crustacea y Collembola, cuestionan esta hipótesis. Un estudio reciente donde se analizó la evolución de la capacidad de los insectos para digerir tejido vegetal (mecanismo libre de simbiontes) sugiere que la capacidad de digerir tejido vegetal de los insectos con sus propias enzimas es el carácter ancestral para los insectos. Esta hipótesis fue confirmada mediante un análisis de transcriptomas del insecto basal Thermobia domestica (Apterygota: Zygentoma), a partir del cual se identificaron varios genes que codifican celulasas y hemicelulasas, involucradas en el proceso de degradación de tejido vegetal, demostrando así que los genes que codifican algunas de las enzimas líticas involucradas en el proceso de degradación de tejido vegetal fueron transmitidos a partir de un ancestro común de la clase Hexapoda. Sin embargo, la presencia de estos genes aún no se ha demostrado en representantes de la mayoría de los órdenes basales de insectos que consumen tejidos vegetales (detritívoros en su mayoría), incluyendo: Apterygota (Archaeognatha), Ephemeroptera y Polyneoptera (Plecoptera, Zoraptera, Embioptera, Dermaptera, y Phasmatodea). Aunado a esto, entre los insectos para los cuales se han reportado la presencia de genes de celulasas, la funcionalidad de estas enzimas sólo se ha confirmado en pocas especies de insectos basales: Isoptera principalmente, y una especie de Ortóptera. Por lo cual, analizar la presencia y funcionalidad de este mecanismo en los insectos basales es fundamental para entender la evolución de la degradación de lignocelulosa en insectos, y el papel que jugaron estas enzimas en la evolución y diversificación del grupo. En el presente proyecto se propone estudiar la presencia de genes que codifican celulasas de la familia GH9 y la funcionalidad de estas enzimas en el proceso de digestión de lignocelulosa en especies representativas de los insectos basales: Archaeognatha, Ephemeroptera, Plecoptera, Zoraptera, Embioptera, Dermaptera, Orthoptera y Phasmatodea mediante zimógramas, y análisis de imnunodetección, así como analizar el mecanismo de digestión de celulosa de los insectos basales usando como modelo el insecto apterigota Thermobia domestica (Zygentoma). La presente propuesta representa el primer modelo el que se propone analizar los mecanismos de digestión de lignocelulosa de insectos en un contexto evolutivo. Este estudio tendrá un fuerte impacto en las ciencias biológicas, ya que permitirá identificar las adaptaciones y mecanismos digestivos involucrados en la evolución de la degradación de lignocelulosa en insectos, así como realizar una bio-prospección dirigida a la identificación de genes y/o compuestos con potencial de aplicación para el control de plagas de interés agrícola y forestal de importancia en México y en el mundo, así como en la identificación de celulasas funcionales con nuevas propiedades enzimáticas que puedan ser utilizadas para el desarrollo de biotecnologías como la producción de bioetanol lignocelulósico.

Las bases moleculares del proceso digestivo de los insectos que consumen tejidos vegetales han sido poco estudiadas. En particular, no existen estudios para especies de órdenes basales como Archaeognatha, Ephemeroptera, Plecoptera, Dermaptera, Embioptera, Zoraptera, Orthoptera: Acrididae (revisado en Calderón-Cortés et al. 2012). Por lo tanto, los resultados de este proyecto representarán los primeros reportes de los genes involucrados en el proceso de digestión celulosa para estos órdenes. En el caso de mi investigación (en colaboración con el Dr. Watanabe) en T. domestica, al haber demostrado que estos insectos filogenéticamente basales poseen sus propios genes para degradar tejidos vegetales, se proveyó de evidencia molecular clave para resolver el origen evolutivo de la capacidad de degradar tejido vegetal en los insectos, y específicamente para confirmar que este es el mecanismo ancestral para la clase Insecta (Calderón-Cortés & Watanabe, manuscrito en preparación). T. domestica es una especie que presenta un alto porcentaje de eficiencia de degradación de celulosa (70%; Zinkler & Gotze 1987), sólo superado por las termitas, y además representa un sistema de estudio modelo clave para entender la evolución de diferentes adaptaciones (y los caracteres ligados a estas adaptaciones) y procesos biológicos en los insectos (van Straalen et al. 2008). Por lo que continuar con un estudio detallado del mecanismo de digestión de celulosa usando esta especie como sistema modelo, permitirá establecer las bases para entender la fisiología y evolución del proceso de digestión de celulosa en insectos. Esta línea de investigación representa un campo de estudio emergente en el que se pueden hacer contribuciones de punta en varios campos de conocimiento como la entomología, la ecología y evolución de las interacciones planta-insecto. Aunado a lo anterior, analizar la distribución y funcionalidad de los genes de celulasas en especies representativas de los órdenes de insectos basales que no se han estudiado a la fecha, permitirá identificar si existe una correlación entre la morfología del tracto digestivo y la capacidad de degradar celulosa en los insectos, es decir, si sólo aquellos insectos que presentan un morfología digestiva similar a la T. domestica son capaces de degradar la celulosa presente en los tejidos vegetales que consumen. Esto es de suma importancia, porque además de proveer de información clave para entender los factores involucrados en la evolución de la degradación de lignocelulosa en insectos, también permitirá realizar una bio-prospección dirigida a la identificación de genes y/o compuestos con potencial de aplicación para el control de plagas de interés agrícola y forestal, así como a la identificación de celulasas funcionales con nuevas propiedades enzimáticas que puedan ser utilizadas para el desarrollo de biotecnologías como la producción de bioetanol a partir de biomasa lignocelulósica. La producción de etanol lignocelulósico representa una solución para la producción de etanol sin conflictos con la producción de alimentos, y para reducir los costos elevados del proceso. Sin embargo, la tecnología actual para la bioconversión de lignocelulosa a etanol presenta limitaciones en la eficiencia y economía del proceso (Limayen & Ricke 2012, Menon & Rao 2012). Por lo tanto, para mejorar la tecnología disponible (llevada a cabo con el uso de enzimas bacterianas y de hongos principalmente) de producción de etanol lignocelulósico, es necesario explorar otros sistemas celulolíticos eficientes en la naturaleza. Los sistemas celulolíticos de insectos en particular, comienzan a ser considerados como una estrategia viable en la producción de bioetanol, debido a los altos porcentajes de eficiencia de degradación reportados para algunas especies, a la estabilidad y amplio rango de actividad de las enzimas en diferentes condiciones de pH y temperatura, y a que son sistemas enzimáticos más sencillos en cuanto al número y diversidad de enzimas involucradas comparados con los sistemas enzimáticos de bacterias y hongos (Sun & Scharf 2010, Watanabe & Tokuda 2010). Los materiales lignocelulósicos constituyen un recurso renovable substancial para la producción de bioetanol que no compite con la producción de alimentos. Por lo que explorar el potencial biotecnológico de las enzimas lignocelulolíticas de insectos, puede brindar opciones de manejo sustentable de los recursos naturales y proveer información necesaria para el diseño de bio-reactores que imiten el sistema digestivo de los insectos. Esto representa un área de investigación de frontera en el campo de estudio de la biomimética, cuyo objetivo principal es usar el conocimiento generado sobre la biodiversidad y los procesos naturales en el diseño de productos, materiales y herramientas para la solución de problemas actuales. Específicamente este proyecto tendrá las siguientes contribuciones: • Establecerá un programa de investigación sobre la evolución de la digestión de celulosa en insectos. • Integrará de aspectos moleculares, bioquímicos y fisiológicos para entender el proceso de digestión de celulosa en especies representativas de insectos basales. • Permitirá identificar si existe una correlación entre la morfología del tracto digestivo y la capacidad de degradar celulosa en los insectos. • Proveerá información sobre los sistemas celulolíticos de insectos, que pueda usarse para modelar un bio-reactor artificial. • Se espera que contribuya a la formación de estudiantes de licenciatura. • Se elaborarán publicaciones científicas de alto impacto en la literatura científica sobre la digestión de celulosa en insectos. • Se presentarán resultados de esta investigación en foros científicos nacionales e internacionales, entre ellos la reunión de la Sociedad Científica Mexicana de Ecología, la reunión anual de la Sociedad Entomológica de América (ESA), y el Simposio Internacional de Ciencia Molecular en Insectos, así como en universidades nacionales.