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jueves, 12 de junio de 2008

Evolución, en vivo y en directo

Grandes momentos de la evolución. Fuente de la imagen


Hace unos años tuve la oportunidad de asistir a un seminario del profesor Richard Lenski. Allí nos explicó su experimento sobre Evolución utilizando bacterias. En 1989, Lenski tomó del congelador de -80º C un vial que contenía una cepa de Escherichia coli. A partir de esa cepa estableció doce cultivos de 10 mililitros de medio DM suplementado con glucosa y los puso a crecer a 37º C. En esas condiciones las bacterias crecían hasta acabar con la glucosa y entonces paraban su crecimiento por llegar a la fase estacionaria. Al día siguiente, volvía a propagar cada uno de los cultivos diluyendo 0,1 ml del cultivo crecido en 9,9 ml de medio fresco estéril y volviéndolos a poner a 37º C. Y así todos los días. Cada 75 días se tomaba una muestra y se congelaba. En esos 75 días habían transcurrido 500 generaciones desde el comienzo del experimento. La pregunta era ¿Hay alguna diferencia entre la cepa original y sus descendientes?





Para hacernos una idea, en términos humanos y asumiendo que hay una generación cada 20 años, 500 generaciones es como comparar a un españolito de hoy en día con uno de hace 10.000 años. Esa es la ventaja de utilizar microorganismos para los estudios evolutivos: son pequeños, se reproducen rápidamente y lo mejor de todo, podemos congelar a los ancestros. Porque eso es lo que hizo Lenski, comparar los descendientes de esas 500 generaciones con la bacteria original congelada. Como era de esperar no encontró muchas diferencias. Pero ¿y si continuamos el experimento? Eso es lo que el grupo de Lenski sigue haciendo. Cada día se diluyen los cultivos y cada 75 días se congela una muestra de los mismos. Y ya han pasado 19 años y más de 40.000 generaciones. En términos humanos estaríamos hablando de compararnos con el Homo antecessor.


Tras 10.000 generaciones las bacterias ya tenían bastantes diferencias con su ancestro. Las bacterias evolucionadas eran más grandes y se dividían mucho más rápidamente en medio DM que la cepa original. Se habían adaptado a las condiciones del experimento. Pero lo mejor de todo es que Lenski dispone de un "registro fosil" en su congelador de -80ºC de lo que ha pasado cada 500 generaciones.


Los resultados de Lenski propiciaron que se establecieran otros experimentos parecidos pero con diferentes condiciones: temperatura, otras fuentes de carbono, presencia de antibióticos; o con diferentes microorganismos: Pseudomonas fluorescens, Myxococcus xanthus, icluso levaduras. Y en todos ellos se encontraban resultados parecidos. Los microorganismos cambiaban, evolucionaban y se adaptaban a las condiciones del cultivo.


Sin embargo había un resultado que aun no se había obtenido: no se había detectado ningún cambio drástico. Todos los cambios parecían graduales y acumulativos. Volviendo a la comparación con los humanos. Si tomamos un Homo sapiens del Paleolítico medio y lo comparamos con un Homo sapiens actual encontraremos diferencias pero no tantas como para decir que ambos son especies biológicas distintas. Si realizamos la comparación con un Homo antecessor veremos que ya hay diferencias más significativas. Y si la realizamos con un Australopithecus, las diferencias ya son enormes. ¿Cómo han ocurrido esos cambios?


Eso es lo que parecen haber encontrado Lenski y sus colaboradores. En la generación 31.500 de uno de los 12 cultivos se había producido un "cambio evolutivo". Habían crecido muchas más bacterias. El medio DM es lo que en microbiología conocemos como medio mínimo o pobre. Lleva fosfato, amonio, sulfato y citrato. Pero la única fuente de carbono que puede utilizar E. coli es la glucosa que se le añade. El citrato es una molécula tan oxidada que E. coli no es capaz de usarla. De hecho es una de las pruebas de diagnóstico que se usan rutinariamente para distinguir E. coli de otras enterobacterias como Enterobacter o Klebsiella. E. coli es citrato negativa (Cit- para abreviar) y las otras son citrato positivas (Cit+). El "cambio evolutivo" consistió en que las bacterias de uno de los cultivos comenzaron a metabolizar el citrato por lo que aprovechaban mucho mejor el medio DM y por eso crecían más. Las E. coli de ese cultivo eran mutantes Cit+.


Prueba del citrato


Gracias a que tienen congelados a los ancestros se ha podido determinar que tipo de "cambio" había sucedido. La primera pregunta es: Si cogemos a los ancestros anteriores a la generación 31.500 del cultivo que metaboliza el citrato, ¿desarrollarán dicha capacidad otra vez? La respuesta es , siempre que el ancestro pertenezca a la generación 20.000 o mayor. Es decir, algo pasó en la generación 20.000 que permitió el cambio en la generación 31.500. El grupo de Lenski está intentado identificar que tipo de cambio ha hecho posible que la mutación Cit+ se produzca 10.000 generaciones después.


En segundo lugar se preguntaron ¿La mutación Cit+ aparecerá en todos los ancestros posteriores al número 20.000 y anteriores al 31.500? La respuesta es que no sucede en todos, pero es mucho más probable cuanto más cerca está el ancestro del número 31.500. Algo sucedió en la generación 20.000, pero eso no asegura que la población se vuelva Cit+ en la generación 31.500. Lo que indica ese resultado es que la evolución del fenotipo Cit+ es una contingencia particular de esa población.


En tercer lugar se preguntaron ¿Podrá alguno de los otros 12 cultivos evolucionar y ser capaces de metabolizar el citrato? Por ahora la respuesta es no. Las bacterias presentes en los otros 11 cultivos no han desarrollado esa capacidad lo que parece indicar que un evento fortuito puede a veces abrir una puerta evolutiva para una población que permanece cerrada para otras. Y ese evento ha permitido que aparezcan innovaciones clave que no han surgido mediante selección gradual y acumulativa. Esto es una prueba de que la Evolución no siempre conduce a la mejor de las soluciones.


Quizás algún día veamos completo el proceso de especiación en el laboratorio.

Audio 1 y Audio-2 en "El podcast del microbio"
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lunes, 9 de junio de 2008

Nosotros, los marcianos


"Crónicas marcianas" es una de las más famosas novelas de la Ciencia-Ficción (no confundir con el bodrio televisivo). En ella se nos relata la llegada a Marte y posterior colonización del planeta por los humanos. Bradbury relataba como finalmente los humanos acabábamos desplazando a los marcianos y, tras la destrucción de nuestro planeta en un holocausto nuclear, nos convertíamos a su vez en los nuevos marcianos.


El Phoenix



Bueno, el caso es que recientemente hemos mandado la nave Phoenix a Marte, y se ha posado en el polo norte del planeta. Una de las muchas pruebas que debe de realizar dicha nave consiste en analizar muestras del suelo marciano para ver si contienen moléculas orgánicas. Para dicho análisis, la nave utilizará un instrumento denominado instrumento denominado TEGA. El nombre hace referencia a Thermal and Evolved Gas Analyzer ( en cristiano: Analizador de gases termales y evolucionados). Phoenix tomará ocho muestras de suelo y hielo marciano y las introducirá en pequeños hornos del tamaño de un deposito de tinta de un bolígrafo. Poco a poco irá incrementando de manera constante y controlada la temperatura de dichos hornos (es lo que se conoce como calorimetría de barrido) hasta llegar a los 1000º C. Al cocer de esa forma a las muestras se espera que las moléculas orgánicas presentes se vaporicen y puedan ser analizados por un espectrómetro de masas que nos dará la concentración y composición de la muestra. Dependiendo de la composición unas moléculas se vaporizaran antes que otras. Por eso lo de gases evolucionados, el espectro que se consigue evoluciona, cambia, según se desarrolla el análisis.


Montaje del TEGA



El caso es que el TEGA es un instrumento extremadamente sensible. Su umbral de detección es de 10 partes en 1000 millones. Y eso es lo malo. Tal y como recoge la revista Nature, puede llegar a detectar la contaminación producida en la Tierra cuando se fabricó y ensambló dicho instrumento en la nave.

Hay que tener en cuenta que estas naves no tripuladas que se lanzan a Marte o a otras partes del cosmos son esterilizadas antes de ser lanzadas al espacio. Sería un desastre que un planeta que pudiera contener vida extraterrestre se viera contaminado por microorganismos terrestres. Pero los procedimientos de esterilización de naves espaciales no eliminan los componentes orgánicos de los seres vivos inactivados. No solo eso, a las moléculas orgánicas de origen biológico hay que añadir las moléculas de origen artificial. Las naves espaciales no tripuladas son máquinas y las maquinas necesitan lubricantes, y los lubricantes suelen ser compuestos orgánicos. La posibilidad de que TEGA detecte contaminantes orgánicos de origen terrestre es bastante alta.

Los ingenieros que han diseñado la nave Phoenix han tenido en cuenta estos problemas y han intentado minimizarlos. Por un lado han identificado esos contaminantes que pueden ser detectados por el instrumento. Por otro han colocado un "control negativo". Un pequeño bloque de cristal-cerámico que no contiene traza alguna de carbono orgánico. Ese bloque será manipulado por el robot como si fuera una muestra de suelo marciano. Si su análisis no muestra trazas de carbono orgánico entonces todo irá bien. El carbono será marciano. Pero si hay carbono orgánico entonces indicará que durante el proceso de ensamblaje o manipulación de la nave se ha producido dicha contaminación, por lo que el análisis del TEGA quedará invalidado. Lo que estará detectando seran compuestos terrícolas.

Crucemos los dedos porque el control negativo salga bien.


viernes, 6 de junio de 2008

Las bacterias y la paradoja de Einstein

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Cuando Einstein intentaba explicar su famosa Teoría de la Relatividad a menudo acudía a ejemplos simples y sencillos. Uno de los más famosos es la paradoja del viaje en el tiempo. Más o menos es como sigue:

Una persona descubre como viajar en el tiempo. Con dicha máquina viaja al pasado y mata a su padre antes de que conozca a su madre, por lo cual el viajero temporal no ha nacido. Y si no ha nacido no puede inventar la máquina del tiempo.





Bart se multiplicará por cero si viaja al pasado y evita que Homer conozca a Marge



Dejando aparte universos paralelos, líneas temporales, supercuerdas y con el permiso de Stephen Hawking, al parecer las bacterias "han solucionado" la paradoja arriba indicada.

Un grupo de la Universidad de Rutgers (New Jersey) ha realizado un curioso experimento. En su universidad guardaban congeladas cepas aisladas de suelos recogidas entre 1960 y los 70. En concreto usaron dos cepas de Klebsiella pneumoniae y una del género Alcaligenes. Hasta ahí nada raro, cualquier estudiante de Biología sabe que los microorganismos pueden permanecer congelados durante largos períodos de tiempo. Es decir, esos microorganismos estaban metabólicamente activos cuando la gente ya había visto la película "La maquina del tiempo" y escuchado cantar a los Rolling Stone decir que no estaban satisfechos. En esos años en el mundo de la medicina se empleaban los antibióticos casi sin restricciones y el problema de la resistencia a dichos compuestos aun no preocupaba a las autoridades sanitarias. De hecho, muchos antibióticos sintéticos que utilizamos actualmente ni siquiera existían.



Ciprofloxacina, un inhibidor de la DNA girasa



Pues bien, a dicho grupo se le ha ocurrido poner a los microorganismos de dicha época en medios de cultivo conteniendo antibióticos sintéticos desarrollados a finales de los años 80 como la ciprofloxacina. Y lo que han encontrado es que muchos de ellos son resistentes a dichos antibióticos. Volviendo al ejemplo de la paradoja de Einstein, es como si el viajero en el tiempo se encontrara con que su padre utiliza una armadura que su arma no puede atravesar.





Si lo pensamos un poco esto no debería de ser tan sorprendente. Los antibióticos son una especie de "arma química" desarrollada por muchos microorganismos que viven en el suelo. Es una forma de eliminar a la competencia por los nutrientes. Por ello no es de extrañar que se hayan desarrollado defensas contra ellos como una parte de la carrera de armamentos evolutiva entre los microbios del suelo (algunas de esas defensas consisten en comerse al antibiótico). Y esas defensas antiguas bien pueden funcionar con antibióticos nuevos. El siguiente paso será caracterizar los genes responsables de dichas resistencias. Teniendo en cuenta como actua la ciprofloxacina mi apuesta es por una resistencia basada en bombas de expulsión, pero ya veremos.




Distintos mecanismos de resistencia a los antibióticos: Degradación, alteración y expulsión.



Para que luego digan que las bacterias son simples.


Audio relacionado en "El podcast del microbio"
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miércoles, 4 de junio de 2008

Bacterias y Pollos

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He añadido en la columna de la izquierda un pequeño apartado titulado Microbeworld News en la que se actualizan a tiempo real noticias relacionadas con el mundo de la microbiología. Y así uno puede encontrar historias tan curiosas como esta.

Un grupo de la Universidad de Georgia ha encontrado que los pollitos recién nacidos presentan bacterias en su interior. Pero no hay que asustarse. Al parecer las bacterias no son patógenas. Hasta ahora se pensaba que con las aves pasaba algo parecido a lo descrito para los mamíferos. Cuando un mamífero nace, no presenta ni un sólo microbio en su organismo. Al pasar por el canal del parto, el animal se inocula de bacterias presentes en la microflora de la madre. De hecho, si a un animal se le hace nacer por cesárea en condiciones estériles y se le mantiene así, el animal no presentará bacterias intestinales. Estos animales son denominados animales axénicos (o libres de gérmenes) y se utilizan para diversos estudios inmunológicos o de establecimiento de microflora de manera controlada. En ese caso se les conoce por animales gnotobióticos. En las aves, se había demostrado que no se podían aislar cepas de microorganismos usando placas petri con distintos medios de cultivo.

El caso es que este grupo ha encontrado que los pollos en desarrollo dentro del huevo presentan bacterias. Y lo han demostrado tomando 300 huevos, bañándolos en una solución con lejía para eliminar los microbios de la cáscara, extrayendo los embriones y analizando mediante técnicas de análisis de DNA los intestinos de los embriones. De esta forma han encontrado DNA bacteriano. La hipótesis que tienen que demostrar ahora es que las bacterias son capaces de atravesar la cascara del huevo y llegar al intestino aviar.

¿Por qué no se aislaron en medios de cultivo bacterias anteriormente? Pues por la famosa anomalía del recuento de placa. Sólo podemos cultivar un 1% de los microorganismos presentes en el medio ambiente y al parecer el embrión de pollo no es una excepción.




Este descubrimiento puede tener aplicaciones económicas importantes. Una de las preocupaciones en Salud Pública son las enfermedades transmitidas por alimentos basados en el pollo. Una forma de prevenirlas era el uso masivo de antibióticos en las granjas avícolas para evitar el crecimiento de microorganismos patógenos. Recientemente, había una tendencia a administrar probióticos a los pollos nada más nacer. De esa forma se comprobó que el establecimiento de bacterias patógenas en los animales era más difícil. Sin embargo se observó que el establecimiento de las bacterias probióticas no siempre era exitoso. Este resultado parece indicar que los probióticos no deben de ser dados a los pollitos, sino que debe de administrarse a los huevos, quizás mediante un simple baño en un cultivo de bacterias probióticas.



Probióticos: Bacterias amistosas




Audio en "el podcast del microbio"
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lunes, 2 de junio de 2008

E Pluribus Unum



Hace un par de entradas comentaba el reciente número de la revista Science dedicado a la Ecología Microbiana. Se ve que su competencia, la revista Nature, tampoco se quiere quedar atrás en el tema y en su último ejemplar se dedican una serie de artículos al Microbioma Humano y a la Metagenómica.


El Microbioma humano puede definirse como el conjunto de los genomas de todos los microorganismos presentes en el cuerpo humano. Es decir, se considera que un ser humano es en realidad un super-organismo compuesto por células humanas y células microbianas. Dentro de esas "células microbianas" hay representantes de las bacterias, las arqueas y de los eucariotas microscópicos. Y no debemos olvidar a los virus. Las células humanas son más grandes y pesan más, pero en número, las células microbianas son diez veces más que las humanas. Es decir, en nuestros cuerpos hay 10 microorganismos por cada una de nuestras células. Pero la diferencia es abismal cuando hablamos de volumen de información genética. Los 20.000 genes humanos parecen poca cosa cuando lo comparamos con los millones de genes microbianos.


El Microbioma es un metagenoma. Eso simplemente quiere decir que es un conjunto de genomas. Y la rama que estudia los metagenomas es la metagenómica. Sencillo ¿no? En realidad, estos nuevos términos están mostrando un cambio de tendencia en las ciencias biológicas. Se está pasando de un enfoque reduccionista a un enfoque mucho más holístico. No en vano, en Biología el todo siempre es mayor que la suma de las partes.


Además del Microbioma hay otros metagenomas en estudio. Por ejemplo, el metagenoma marino, el metagenoma de fondos marinos, el metagenoma de suelos, el metagenoma de la rizosfera, etc. Y la fiebre del "meta-nosequé" no para ahí. También se estudia el Micrometaboloma humano que podría ser considerado como el conjunto de reacciones metabólicas que han co-evolucionado por la interacción entre microorganismos y seres humanos.


Se han identificado más de 500 especies procariotas habitantes habituales de nuestro intestino. Sin embargo se sabe que hay muchas más por los estudios de secuencia del 16S rRNA. La mayor parte de dichos microorganismos pertenecen al dominio Bacteria, principalmente a las divisiones Firmicutes y Bacteroidetes. Pero también hay representantes de las otras divisiones y del dominio Archaea.





Evidentemente nuestro estado de salud depende de que nuestros compañeros microbianos funcionen correctamente. No en vano el NIH de los Estados Unidos destinó el año pasado unos 115 millones de dólares a su estudio. La CEE tampoco se quedó atrás aunque lo hizo de manera más modesta, unos 20 millones de euros.

La metagenómica también se ha comenzado a aplicar al estudio del microbioma de otros animales. En un reciente artículo de la revista Science se han comparado los microbiomas intestinales de 60 especies de mamíferos incluyendo a los seres humanos. Lo que se ha encontrado es que los carnívoros presentan la microflora con menos diversidad microbiana, seguido de los omnívoros. Son los herbívoros los que presentan la mayor diversidad microbiana.

Parece que la pregunta "¿Quién soy?" no es la correcta. La pregunta a responder es "¿Quiénes somos?"



Audio en "El podcast del microbio"