Biotecnolog a aplicada a la Acuicultura.

B I O T E C N O L O G I A
BIOTECNOLOGIA
APLICADA
A LA ACUICULTURA
Por Igor I. Solar, Instituto de Acuicultura, Facultad de Pesquerías y Oceanografía, Universidad Austral de Chile, Puerto Montt, Chile.
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e acuerdo a proyecciones de las
Naciones Unidas, la población mundial
llegará en el año 2025 a cerca de 8 billones (Fig.1). La disponibilidad de tierras
cultivables y el aumento de la eficiencia
en la producción de alimento de origen
terrestre ha llegado a sus límites. Condiciones geográficas, climáticas, de calidad de suelos y diversos otros usos humanos determinan que los cultivos terrestres serán incapaces de proveer alimento para la siempre creciente población humana. Por otra parte, los océanos y otros ecosistemas dulceacuícolas
cubren mas del 70% de la superficie del
planeta, y constituyen cerca del 95% del
volumen de la biósfera.
Se reconoce, por lo tanto, que los ecosistemas acuáticos son una reserva casi
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ilimitada de alimentos, substancias de
importancia industrial y biomédica, y
también una fuente de degradación y dilución de desechos antropogénicos e industriales.
Estadísticas de la FAO (año 1999) indican que la producción de alimentos provenientes del medio acuático es cercana
a 137 millones de toneladas métricas, de
las cuales casi el 31% provienen de actividades de cultivo. La FAO también proyecta que para satisfacer las necesidades
de la población humana del 2025, la producción total debería aumentar a 165
millones de toneladas métricas. Este aumento significativo no puede provenir de
las capturas de especies silvestres sin causar serios daños a los ecosistemas marinos, lagos y ríos. En consecuencia, el au-
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control del sexo, incubación y desarrollo
la producción
larvario, desarrollo embrionario y metamundial
y
soPOBLACIÓN MUNDIAL (EN BILLONES)
morfosis, nutrición, conversión alimentibrepasando
cia y crecimiento, salud, genética, identi(52%) el valor
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ficación de “stocks”, bancos de genes y
de las exportatransgénesis.
ciones
de
harina
9
de pescado y
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otros productos
Inducción de maduración
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marinos.
La mayoría de las especies acuáticas no
La producmaduran normalmente en condiciones de
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ción
de
alimencautiverio, especialmente cuando las va5
1995 2005 2015 2025 2035
tos acuáticos
riables ambientales que condicionan el
La población mundial continuará aumentando durante el
que
pueda
satisdesarrollo gonadal y la maduración de gasiglo XXI a una tasa de 90 millones de personas por año.
facer efectivametos están alteradas o ausentes. En cierFuente: ONU (1996)
mente las necetas circunstancias es necesario acelerar o
sidades de la
retrasar la maduración, a fin de optimimento en la producción de alimentos de
población humana en la primera mitad
zar y sincronizar la producción de gameorigen acuático debe necesariamente prodel siglo 21, no puede estar exclusivatos de machos y hembras, de adelantar o
venir de un aumento significativo en la
mente basada en especies de alto valor y
desfasar el desarrollo embrionario y la
eficiencia productiva de los cultivos. Los
consumo restringido a segmentos de
producción de juveniles, o facilitar la hipaíses más populosos del mundo, (Chipoblaciones de mayores recursos. Es nebridización de especies o cepas que difiena, India, Indonesia), o carentes de suficesario expandir la capacidad productiren en sus períodos de maduración.
cientes áreas terrestres cultivables (Java a un amplio rango de recursos acuátiEl desarrollo de técnicas de inducción
pón), recurren mayormente a la acuiculcos incluyendo algas, peces, moluscos y
de maduración ha superado varias etatura para la producción de alimentos
crustáceos. Esto sólo se puede lograr a
pas. Desde el uso de preparaciones cru(Fig.2).
través de amplios esfuerzos en investidas de extractos pituitarios conteniendo
En efecto, en 1997, por primera vez la
gación en acuicultura en el ámbito
gonadotrofinas, preparaciones de gonaproducción mundial de salmón cultivamundial, basados en una sólida base
dotrofinas semipurificadas hasta el uso de
do sobrepasó la captura total mundial de
biotecnológica.
compuestos que estimulan la síntesis y
salmón silvestre. En el 2000, la salmoniNumerosas áreas en las ciencias biolóliberación de gonadotrofina endógena. Incultura produjo más de 1,1 millones de
gicas están participando en el desarrollo
vestigaciones sobre los mecanismos fisiotoneladas equivalentes al 61% de la prode técnicas para aumentar la eficiencia y
lógicos que regulan la maduración y los
ducción total de salmón en el mundo.
sustentabilidad de la acuicultura. La mamétodos farmacológicos que permiten su
Esta tendencia es especialmente evidenyoría tiene que ver con biotecnologías remanejo en condiciones artificiales han
te en Noruega, donde la combinación de
productivas, de crecimiento y genética.
dado la posibilidad de desarrollar y sinreducción en la disponibilidad de recurEntre las áreas de investigación están la
tetizar compuestos bioactivos análogos a
sos silvestres y el aumento sostenido de
maduración de reproductores, manejo de
hormonas de mamíferos o peces, que son
los cultivos ha resultado en que la progametos, manipulaciones cromosómicas,
efectivos en peces teleósteos. Actualmenducción de salmón del Atlánte, existen varias alternatiFIGURA 2
tico cultivado es 100 veces suvas, usando vehículos inyecPRODUCCIÓN MUNDIAL DE ACUICULTURA 1999
perior a las capturas silvestres.
tables o implantables, vía in(TOTAL 33,96 MILLONES TON. MÉTRICAS)
En Canadá, la declinación de
tramuscular o intraperitolos “stocks” naturales de salneal, e incluso oral. En numón del Atlántico y del Pacímerosas especies de agua
China
fico ha provocado severas resdulce, especialmente carpas,
India
tricciones en las capturas de
es necesario co-administrar
Japón
especies silvestres, resultando
Indonesia
factores antagonistas a la doTailandia
en que el valor actual de la
pamina (agente inhibitorio
Vietnam
producción cultivada es supede la liberación de la gonaUSA
rior al valor de las capturas
dotrofina), a fin de potenciar
Noruega
Filipinas
silvestres. En Chile, el cultivo
la liberación de gonadotroOtros
de especies salmónidas ha aufina por la pituitaria. EstuFuente: FAO (1999)
mentado sostenidamente, aldios recientes investigan
(Excluye algas marinas)
canzando en el 2000 el 27% de
también el uso de ferohorFIGURA 1
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monas como alternativa natural para estimular la maduración de los peces.
A medida que avanza el conocimiento
de los aspectos endocrinológicos que regulan la reproducción de organismos
acuáticos, podemos esperar que se perfeccionen los métodos para promover la
maduración de especies en cautiverio,
incluyendo peces y moluscos, y el desarrollo de estrategias reproductivas en
crustáceos.
Control del sexo
En varias especies de peces y en algunos crustáceos, los animales de un sexo
poseen mejores características productivas que aquellos del otro sexo. Estas características pueden incluir crecimiento
más acelerado, maduración tardía, o ambas. Las hembras de los peces planos,
como el turbot, crecen más rápido que los
machos. Por otra parte, los machos de los
salmónidos maduran en promedio un
año antes que las hembras. Los cambios
secundarios causados por la maduración
reducen el valor de mercado y obligan al
productor a cosechar el producto antes
de que haya logrado su crecimiento potencial completo. En algunos casos, como
en el cultivo de tilapias, el cultivo monosexo, preferentemente machos, permite
impedir la reproducción precoz durante
la fase de crecimiento. La aplicación de
técnicas de control de sexo también es
necesaria para el aislamiento reproductivo de organismos genéticamente manipulados, OGMs, impidiendo así interacciones con especies silvestres.
El control del sexo en organismos acuáticos cultivados puede ser logrado usando métodos endocrinos, manipulación de
complementos cromosómicos o combinación de ambas técnicas. El uso de compuestos androgénicos o estrogénicos en
el momento apropiado durante las primeras etapas de desarrollo, permite dirigir la diferenciación sexual de los peces
hacia el sexo deseado, sobrepasando la
determinación sexual genética. En ciertas especies es también posible usar esteroides sexuales para la inversión sexual
de peces, que pueden producir gametos
monosexo (carentes de cromosomas que
determinan el sexo opuesto), producien-
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do, de esta manera, descendencias para
cosecha que no han sido sometidas a tratamiento hormonal. Por ejemplo, el uso
de neo-machos (o machos productores de
semen que contienen cromosomas generadores de hembras solamente), técnica
actualmente en uso en Chile para la producción de poblaciones hembra solamente en truchas y en salmón del Atlántico.
El empleo de sondas genéticas para la detección de las secuencias que identifican
al cromosoma Y (determinante de masculinidad) ha facilitado la selección de peces según sus características sexuales genéticas (genotipo), independientemente
de su sexo funcional o fenotipo.
Las técnicas de manipulación de
complementos cromosómicos suelen ser
usadas en combinación con métodos endocrinos. La inducción de hembras triploides (con tres “sets” completos de cromosomas) permite generar individuos estériles. Salmones y truchas triploides de
sexo femenino solamente, han sido ge-
selección genética y manejo. Sin embargo, también se ha procurado aumentar
el apetito, acelerar el crecimiento y mejorar la tasa de eficiencia en la conversión
alimenticia en salmónidos, a través de
algunos mecanismos biotecnológicos.
Los niveles endógenos de hormona de
crecimiento (somatotropina) son inferiores a los necesarios para el máximo crecimiento en la mayoría de los peces, incluyendo los salmónidos. Para contrarrestar
esta limitación natural se han realizado
investigaciones con enfoque farmacológico, como la administración de factores
inhibidores de la somatostatina (que tiene efecto opuesto a la somatocrinina o
factor liberador de la hormona de crecimiento). También se ha investigado el uso
de compuestos recombinados de hormona del crecimiento de aves y mamíferos,
los que han demostrado ser efectivos en
peces. Otro compuesto con efecto anabólico que está bajo estudio es el lactógeno
placental (aislado de la placenta de bovinos y humanos),
FIGURA 3
que ha demosSISTEMA DE PRODUCCIÓN PARA LA GENERACIÓN
trado ser altaDE POBLACIÓN TODAS HEMBRAS O TRIPLOIDES
mente eficiente
TODOS HEMBRA
en acelerar el crecimiento y la caAndrógeno
pacidad osmoreHembra
Hembras
gulatoria, faciliPoblación
Triploidización
Neomachos
monosexo
tando y aceleranhembra
Ovas
normales
do de esta maneSemen
Hembras
femenino
triploides
ra la esmoltificación en salmóniCosecha
Peces
antes
de
dos y su rápido
hembra
Cosecha a
madurar
conveniencia
traslado a jaulas
de engorda en el
Producción
Reproductores
ambiente marino.
nerados también en Chile con el objeto
No obstante la promesa demostrada
de optimizar características productivas
por las investigaciones en el uso de comy eliminar maduración precoz (Fig. 3). La
puestos recombinados para mejorar el
esterilización de moluscos cultivados,
crecimiento de los peces, aspectos regucomo las ostras, vía inducción de triploilatorios impiden su aplicación en peces
día, permite mantener la calidad del proen cultivo destinados al consumo humaducto durante la estación de maduración.
no. Cabe considerar que la agencia estadounidense Food and Drugs Administration, FDA, aprobó en 1993 el uso de soCrecimiento
matotrofina bovina recombinada para auy conversión alimenticia
mentar la producción de leche, lo que poLos mejoramientos de estas caracterísdría facilitar obtener autorización de
ticas productivas han sido principalmenagencias regulatorias para el uso de prote enfocados por medio de programas de
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teínas recombinadas de la familia hormona de crecimiento-prolactina, una vez que
las mejores dosis y mecanismos de administración hayan sido determinados y
se compruebe su inocuidad para el consumidor humano.
Genética molecular
y diagnóstico
Los procedimientos desarrollados en
los últimos años para simplificar estudios, ensayos y diagnósticos en el ámbito molecular, en especial el uso de PCR
(reacción en cadena de polimerasa), han
permitido aumentar y perfeccionar los estudios basados en diagnóstico de ADN
en áreas de genética y reproducción,
agentes patógenos y evaluación del estado sanitario de los peces .
Entre las aplicaciones en genética y reproducción está la posibilidad de detección de pequeñas variaciones estructurales en el genoma, a fin de determinar cambios resultantes de programas de selección o aumento en los niveles de homocigocidad por consaguineidad. También
se han desarrollado técnicas de identificación genómica suficientemente sofisticadas para permitir la detección de salmones escapados de jaulas de cultivo viviendo en el ambiente natural, a fin de
evaluar posibles impactos ambientales.
Por otra parte, un ensayo basado en PCR
para establecer las secuencias nucleotídicas correspondientes al cromosoma Y,
permite la rápida detección del sexo genético en varias especies de salmónidos,
incluyendo salmón plateado (coho) y rey
(chinook), aunque aún no ha sido descrita para trucha y salmón del Atlántico.
Los organismos acuáticos cultivados
pueden ser afectados por una variedad
de patógenos incluyendo virus, bacterias
y parásitos. La detección temprana de
estas patologías puede ser difícil mientras la carga patogénica es baja y los síntomas de la enfermedad no son evidentes. Sin embargo, técnicas moleculares y
pruebas basadas en ADN permiten conocer las secuencias específicas de ciertos patógenos e identificar estas secuencias foráneas en el ADN de los organismos huéspedes y expuestos a infección.
En la última década se han desarrollado
pruebas de ADN para varios virus y bacgicas como las enzimas endonucleasas de
terias, incluyendo los agentes causantes
restricción para disectar secuencias de
de Necrosis Hematopoyética Infecciosa,
ADN en sitios específicos y la utilización
IHN; Septicemia Viral Hemorrágica,
de plásmidos, o moléculas de ADN cirVHS; Enfermedad Bacteriana del Riñón,
culares que pueden sobrevivir en bacteBKD; y Vibrio, entre otros. Recientemenrias y que permiten el transporte de gete, en nuestro país, un equipo de investines, han facilitado la aislación y clonación
gadores liderados por la Fundación Ciende secuencias génicas que controlan cacia para la Vida, ha definido las secuenracterísticas comercialmente importantes
cias genéticas que caracterizan a la bacen numerosos organismos (Fig. 4). Las
teria Piscirickettsia salmonis, agente cautécnicas de microinyección permiten la
sal de la enfermedad Síndrome Rickettinserción de estas secuencias, generalsial del Salmón, SRS, lo que permitirá demente al citoplasma, en ovocitos fertilisarrollar una serie de herramientas para
zados de organismos receptores. La inel diagnóstico y prevención de esta graserción exitosa del gen al genoma del reve enfermedad.
ceptor involucra su integración o incorOtra aplicación de información genéporación en un locus cromosómico, su
tica a nivel molecular es el moFIGURA 4
nitoreo de la exDEFINICIONES
presión de ciertos genes capaces de responder
BIOTECNOLOGIA: La aplicación de ciencia e ingeniería en el
a estresores amuso directo o indirecto de organismos vivos como partes o probientales, productos de otros organismos vivos para la producción de bienes y
duciendo las llaservicios.
madas “proteíORGANISMO ACUATICO GENETICAMENTE MODIFICADO:
nas de estrés”.
Organismo en el cual el material genético ha sido alterado en una
Estas proteínas,
forma que no ocurre naturalmente por cruzamiento o recombinaentre las que se
ción natural.
cuenta la metaORGANISMO TRANSGENICO: Un organismo que lleva en su
lotionina, perADN copias de construcciones nuevas de ADN que han sido introducidas mediante tecnología de ADN recombinado. Esto inmiten detectar y
cluye el uso de construcciones de la misma especie (insertos homarcar otras
mólogos) o transferencias inespecíficas (insertos heterólogos).
proteínas celulares dañadas por
condiciones ambientales anormales como niveles bajos
de oxígeno o metales pesados y otros tóxicos químicos. Las técnicas moleculares
permiten también detectar la expresión
de genes que codifican enzimas involucradas con la excreción de compuestos orgánicos nocivos como compuestos aromáticos policlorados, PCBs, compuestos
aromáticos polinucleados, PAHs, y dioxinas, que pueden provenir de fuentes naturales o industriales. De esta manera es
posible determinar si los organismos
acuáticos han sido expuestos a contaminación ambiental.
Organismos transgénicos
El desarrollo de herramientas tecnoló-
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transmisión o incorporación efectiva en
las células germinales del organismo
transgénico para su transferencia a la
descendencia, y su expresión o funcionamiento en base al control de secuencias
reguladoras que controlan su actividad
(Fig. 5).
Entre los objetivos de la generación de
peces transgénicos están la transferencia
de fenotipos ventajosos, como la tolerancia a temperaturas bajas, la resistencia a
enfermedades o determinadas capacidades metabólicas. Entre los enfoques más
investigados y exitosos de la tecnología
de transgénicos está el incremento de fenotipos como el aumento de tasas de conversión alimenticia y crecimiento. Otras
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alternativas en consideración para su desarrollo futuro son la reducción o eliminación de fenotipos relacionados con reproducción, como control de la expresión
de genes para la síntesis y liberación de
gonadotrofinas y enzimas gonadales a fin
de retardar o suprimir la maduración indeseada. Finalmente, la tecnología transgénica podría facilitar la creación de organismos con modificación de la composición nutricional de la carne, en particular la relación de los importantes ácidos
grasos de las series omega 3 y omega 6.
La inducción de organismos acuáticos
transgénicos es una biotecnología todavía en experimentación y cuya aplicación
a nivel comercial no se estima posible o
conveniente en el corto plazo. Diversas
consideraciones de carácter ético, ambiental o de percepción de los consumidores en cuanto a la inocuidad de los productos transgénicos reducen el interés del
uso de éstos de parte de los productores.
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productos, en
respuesta a las
LÍNEA GENERACIONAL EN EL PROCESO DE
inquietudes de
PRODUCCIÓN DE PECES TRANSGÉNICOS
agencias guberMicroinyección
Evaluar
Evaluar por
Establecer
Producción
namentales y de
de gene clonado integración
transmisión a
líneas de
de triploides
los consumidoy expresión
descendencia
reproductores
transgénicos
(fenotipo)
transgénicos
res. A fin de evitar posibles impactos ambien3n
tales será necesario desarrollar
y aplicar las más
eficientes y riguOvas
G0
G1
G2
Producción
rosas técnicas de
Comercial
contención física
(Modificado de Donaldson y Devlin 1996)
y biológica que
impidan interacAntes que la promesa de aumentos imciones
reproductivas
de
transgénicos
con
portantes en la eficiencia productiva y su
organismos
silvestres.
impacto en la economía de los cultivos
FIGURA 5
llegue a realizarse, será necesario el desarrollo y cumplimiento de estrictas regulaciones en relación con aspectos nutricionales, sanitarios y ambientales de los
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Igor I. Solar, Instituto de Acuicultura, Facultad de
Pesquerías y Oceanografía, Universidad Austral
de Chile, Casilla 1327, Puerto Montt, Chile.