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domingo, 20 de junio de 2010

Bombas atómicas, bacterias y delfínes





Leó Szilárd y Aaron Novick. Hace 60 años inventaron el quimiostato.


Si le preguntara a un físico quién fue Leó Szilárd es probable que me respondiera: fue el extraterrestre que ideó la bomba atómica. Pero si le preguntamos a un microbiólogo industrial respondería: fue el extraterrestre que inventó el quimiostato.


Esto último no lo hizo él solo, sino en compañía del químico Aaron Novick, uno de los pioneros de la Biología Molecular. Ambos se habían conocido en 1943 durante el desarrollo del "Proyecto Manhattan". El trabajo de Novick versaba sobre la purificación del plutonio, material con el que se construyó la bomba arrojada sobre Nagasaki. Después de la Segunda Guerra Mundial muchos de los científicos que habían estado involucrados en el desarrollo de las armas atómicas comenzaron a renegar de ellas y a trabajar en aras de la paz. Además de llevar a cabo diversas campañas de concienciación social también comenzaron utilizar sus neuronas en el campo de la Biología. Szilárd y Novick comenzaron su colaboración en 1947, y se centraron en entender el crecimiento bacteriano y como sacar provecho del mismo.


Esquema muy simplificado de un quimiostato aeróbico. La tubería superior añade medio fresco en el cultivo microbiano. La tubería inferior actúa como un aliviadero o rebosadero. Nótese que el mismo volumen que entra en el quimiostato sale por la parte inferior. (origen de la imagen)


Tomando como base la ecuación conocida como "Primera Ley de Monod" en el año 1950 consiguieron desarrollar el quimiostato, un tipo de biorreactor en el que los microorganismos de su interior se encuentran creciendo exponencialmente de manera constante. Es lo que se llama un cultivo continuo. El quimiostato permite controlar de modo independiente la concentración celular del interior y la velocidad de crecimiento del cultivo. La velocidad de crecimiento se controla ajustando la velocidad de dilución. En el quimiostato entra medio nutritivo fresco al mismo tiempo que sacamos medio nutritivo usado. Cuanto más alta sea la velocidad de dilución más rápidamente deben de crecer las células. La concentración celular se controla variando la concentración del nutriente que entra. Cuanta más comida entra, más células habrá dentro del quimiostato.


Esquema simple del proceso de depuración de aguar residuales. (origen de la imagen)


Y eso ¿para qué sirve? Bueno, para muchas cosas. Podríamos decir que sin los quimiostatos no existiría biotecnología industrial. Pero probablemente su aplicación más conocida es para la depuración de aguas, ya sea mediante procesos aeróbicos o anaeróbicos. Una estación depuradora de aguas es una especie de quimiostato en el que el "medio de cultivo fresco" es el agua residual que entra en la planta y que sirve para alimentar a los fangos activos (los microorganismos). Posteriormente se retiran los fangos del agua mediante decantación y así conseguimos agua depurada.


En 1961, Szilárd publicó un libro titulado "The voice of the dolphins" en el que debatía diversos aspectos de la Guerra Fría. La historia corta que da título al libro versa sobre un futuro en el que la raza humana se ha extinguido y los delfines son los nuevos seres inteligentes del planeta (*). En dicho relato, Szilárd imaginaba un laboratorio internacional de Biología, situado en la Europa Central. La idea se hizo realidad en 1962 con el nacimiento del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL). La biblioteca del EMBL fue bautizada Biblioteca Szilárd y en su sello aparecen los delfines.


(*) Una visión más optimista basada en la narración de Szilárd se puede encontrar en el cómic "Fragmentos de la Enciclopedia Délfica"

Esta entrada se presenta al 8º carnaval de la Física.





ResearchBlogging.org
Novick, A., & Szilard, L. (1950). Description of the Chemostat Science, 112 (2920), 715-716 DOI: 10.1126/science.112.2920.715



viernes, 11 de junio de 2010

Los primeros en responder a un derrame de petróleo



Ha pasado más de un mes desde la explosión de la plataforma petrolífera Deepwater Horizon de la compañía BP localizada en el Golfo de México. En dicha explosión murieron 11 trabajadores y comenzó a derramarse una gran cantidad de petróleo. Aunque desde el primer momento se tomaron diferentes medidas para paliar los efectos, lo cierto es que son los microorganismos los primeros que respondieron al vertido. Aquí os traigo la traducción del comentario "Small Things: First Responders to Oil Spills" escrito por los profesores D. Jay Grimes y Ronald M. Atlas en el blog "Small Things Considered". Probablemente el nombre de Ronald Atlas les suene a los alumnos de Ciencias Ambientales porque es autor de uno de los libros de texto que se utilizan en clase.



El derrame visto desde el espacio. Fotografía realizada el 24 de mayo. (Fuente: Wikipedia)


El 20 de abril de 2010, la plataforma petrolífera Deepwater Horizon localizada mar adentro en el norte del Golfo de México, explotó por causas indeterminadas. Dos días después la plataforma se hundió causando la ruptura total de las tuberías de perforación y provocando el derrame de enormes cantidades de petróleo. Las estimaciones más bajas asumen que el derrame ya ha eclipsado los 11 millones de galones (41 millones de litros) del Exxon Valdez en el año 1989. Antes de que el petróleo deje de fluir la cantidad derramada podría ser superior a los 140 millones de galones (529 millones de litros) vertidos en el Golfo de México por el estallido en 1979 de la plataforma Ixtoc-1 (*).



Dilución seriada mostrando Materia Orgánica Disuelta Coloreada. Los números son unidades estandarizadas. (Fuente: SCCF Recon)


El primer buque oceanográfico en el lugar fue el R/V Pelican. Posteriormente, tanto la compañía BP como la NOAA, enviaron buques de investigación al lugar. El Pelican realizó mediciones fluorimétricas de la materia orgánica disuelta coloreada (CDOM), para estimar indirectamente la cantidad de hidrocarburos dispersados en el agua. De esa forma encontró varias "plumas" o manchas de CDOM a profundidades entre 700 y 1,300 metros. Se han tomado muestras de agua de esas plumas para su posterior análisis para determinar la cantidad de petróleo. BP realizó diversos anuncios (18 de mayo, 23 y 25) por parte de los científicos de la NOAA, la EPA, y la BP presentes en el barco R/V Brooks McCall. Éstos comprobaron que la fluorescencia de fondo era de 5 ppb con picos de hasta ligeramente por encima de 20 ppb en los 1.200 metros. La fluorescencia de fondo puede ser atribuida a una serie de causas, incluyendo el hecho de que hay 63 filtraciones naturales en el norte del Golfo de México que contribuirían con alrededor de 20 millones de galones de petróleo al año (hacer click aquí y aquí para más detalles). Según todas las apariencias, una mancha de petróleo se está moviendo muy por debajo de la superficie, mientras que el petróleo también se está moviendo en la superficie y contaminando las costas de Louisiana.



Evolución de una mancha de petróleo. (Fuente: Tecnum)



Sin duda, los microbios del Golfo se han visto expuestos al petróleo, tanto en la superficie como en profundidad-y han sido los primeros en responder. Aunque muchos microbiólogos están interesados en la identidad de las bacterias degradadoras de petróleo, ese detalle es de menor relevancia que los cambios químicos que provocará la comunidad microbiana de microorganismos degradadores de petróleo. Por lo general, como se observó en las costas afectadas por el derrame del Exxon Valdez, la presencia de microorganismos degradadores de petróleo en la comunidad microbiana va desde menos del 1% a un 10% en aguas marinas y sedimentos expuestos al petróleo en crudo. Los microorganismos degradadores de hidrocarburos son diversos e incluyen especies de Vibrio y Pseudomonas junto con otros géneros como Alkinovorax, aislado precisamente en el Golfo de México.


Los científicos a bordo del Pelican tomaron muestras para análisis microbianos utilizando métodos moleculares modernos y así identificar y caracterizar las comunidades microbianas. También midieron el oxígeno disuelto (OD) en el interior de las "plumas" y se determinó que existía una relación inversa entre el CDOM y el oxígeno disuelto, lo que indicaba que había una degradación activa del petróleo por parte de los microorganismos en el interior de las "plumas". Los resultados mostraron que las lecturas de OD en el máximo de la pluma estaban reducidas en un 30%, pero ese valor no es tan bajo como para impedir la degradación aeróbica microbiana, un proceso muchísimo más rápido que la biodegradación anaeróbica de hidrocarburos. A pesar de la preocupación de que la bajada de OD podría volver las aguas anóxicas y por lo tanto inadecuadas para los peces, la experiencia con el derrame del Exxon Valdez sugiere que un 30% de reducción de la OD para el agua corriente es lo que se debe esperar como resultado de una activa biodegradación aeróbica de hidrocarburos. Con pocas excepciones, los datos del Brooks McCall no muestran zonas con bajas OD, por el contrario, estos datos muestran aumentos consistentes de la OD con la profundidad a partir de los 500-600 metros. Una de las excepciones que han hecho notar los científicos a bordo de la Brooks McCall muestra un pico de fluorescencia de más de 20 ppb conjuntamente a una reducción de la OD de 6 a 5 mg/L.



Biodegradación del petróleo por microorganismos. Los procesos de biodegradación son fundamentalmente aerobios. Los microorganismos azules son los biodegradadores. Dicha población crece y puede ser presa de otros microorganismos (protozoos y virus). A su vez, la degradación del petróleo cambia su composición y permite que sea accesible por otro tipo de microorganismos llamados consumidores secundarios(Fuente: Nature)


Las muestras de agua con petróleo recogidas por el Pelican evidencian la presencia de microbios en la superficie de las gotas de crudo (Grimes et al., datos de tinción de DAPI y FISH sin publicar). Las plumas subsuperficiales se pueden estar formando por la adición de dispersantes en las profundidades donde se está produciendo el derrame de petróleo. La fina dispersión material también puede ser debida a la mezcla del petróleo caliente que sale del derrame(~ 200 º C) con el agua de mar fría (~ 4 º C). Cualquiera que sea la explicación, el aumento de superficie que ofrecen esas gotitas de petróleo deberían permitir una mayor colonización por bacterias que degradan hidrocarburos. De hecho, los estudios sobre los derrames de petróleo anteriores, incluido el Ixtoc-1 y el derrame de 1978 del Amoco Cádiz en la costa de Bretaña, indican que los microbios son los primeros en responder, para degradar el petróleo a medida que avanza hacia las zonas costeras sensibles. Los estudios en curso deben mostrar como de efectivos serán en la mitigación del actuales desastroso derrame que está afectando la costa del Golfo.


Bacterias teñidas con DAPI adheridas a una gota de petróleo del vertido producido por el accidente en la plataforma Deepvater Horizon. (Fuente: Jay Grimes)



Addendum de Ron Atlas


Lo que está claro de los estudios sobre vertidos anteriores, incluyendo los estudios sobre el derrame del Exxon Valdez y un derrame experimental llevado a cabo por la EPA y realizado a lo largo de la costa de Delaware, es que es muy improbable que añadir microbios al vertido sea de alguna ayuda. Mientras que los cultivos puros de microbios hacen un trabajo maravilloso de degradación de hidrocarburos en los matraces de laboratorio y en los biorreactores, nunca han demostrado ser capaces de competir con la diversa comunidad de microorganismos degradadores de petróleo que se desarrolla de forma natural en los océanos contaminados con petróleo crudo. Tampoco son capaces de degradar todos los hidrocarburos presentes en la compleja mezcla que es el petróleo crudo. Pero eso no impide que haya empresas que traten de vender una solución inmediata que limpie al instante el petróleo derramado, o de ignorar o denigrar a la literatura científica acerca de la falta de demostración de que la siembra de cultivos es mejor que la adición de fertilizantes en la aceleración de las tasas de biodegradación de petróleo.


Durante el incidente del Exxon Valdez tuve el trabajo de evaluar muchos de los productos llevados al laboratorio de campo en Valdez. Esto incluía cultivos incluidos en arcillas que se suponía podrían hacer que el petróleo de la bahía Prince William desapareciese. La idea era que las arcillas provocaran que el petróleo se hundiera y desapareciera de la vista, pero no había pruebas de que las bacterias adheridas a las arcillas podrían competir con los microorganismos indígenas degradadores de petróleo que ya habían colonizado el crudo. Otra idea era utilizar ralladuras de limón y de naranja que provocarían la desaparición inmediata del petróleo, de hecho si se utiliza una prueba olfativa para detectar la presencia de petróleo se y agrega la suficiente cantidad de naranjas y limones, uno no será capaz de oler el crudo y podría concluir erróneamente que el petróleo se había ido. Años más tarde, en respuesta a un derrame en la selva amazónica en Ecuador, quedé horrorizado al ver a los trabajadores tirar ralladuras de limón en el petróleo. Sí, las mismas barricas de limones que no se había utilizado en la bahía de Prince William se habían llevado al Ecuador y habían sido vendidas como la solución biorremediadora maravillosa. Teniendo en cuenta las numerosas noticias de gente a lo largo de la costa del Golfo que dice que el petróleo debe estar cerca porque lo huele, mi temor es que alguien podría tratar de vender ese tratamiento a un gerente de BP o a un grupo local de ciudadanos que no esté familiarizado con las bacterias para degradar el petróleo, la biorremediación y los complejos análisis químicos que se utilizan para determinar la presencia de petróleo. Esta semana he recibido varias notas por correo electrónico de compañías que dicen estar educando a BP acerca de todas las campañas de desinformación científica, como los reclamos de que hay cultivos de microorganismos capaces de degradar instantáneamente el petróleo y que no suponen un peligro ecológico porque no son capaces de reproducirse. Esperemos que BP insista en los métodos científicamente probados y se resista a la tentación de comprar curas milagrosas.


Los autores: Ronald Atlas, Profesor de Biología y Salud Pública en la Universidad of Louisville (izquierda) y D. Jay Grimes, Profesor del Departamento de Ciencias Costeras y Ecología Microbiana Marina en el Laboratorio de Investigación de la Costa del Golfo, Universidad del Sur de Mississippi (derecha).


(*) Para comparar con algo más cercano. El Prestige vertió 63.000 toneladas de las 77.000 que transportaba. Asumiendo que 1000 litros de petróleo pesan unos 840 kilos (depende de la densidad), los 529 millones de litros equivaldrían a 446.000 toneladas.


Siglas:
DAPI: Técnica de fluorescencia con el
colorante DAPI que tiñe el DNA.
EPA =
Environmental Protection Agency.
FISH: Fluorescence in situ hybridization.
ppb = Parts Per Billion. En español, partes por cada 1000 millones ó: 1 en 109.
NOAA=
National Oceanic and Atmospheric Agency.
R/V = Research Vessel, barco de investigación



ResearchBlogging.org

Head, I., Jones, D., & Röling, W. (2006). Marine microorganisms make a meal of oil Nature Reviews Microbiology, 4 (3), 173-182 DOI: 10.1038/nrmicro1348


martes, 8 de junio de 2010

Cuestión de equilibrio

Miniatura egipcia de una mujer desnuda. (XVIII Dinastía. 1390-1353 A.C. Museo de Brooklyn)



Para que no se diga que este blog no mantiene la paridad (a ver si así me cae una subvención ;-) la entrada de hoy está dedicada a la microbiota vaginal.


Una colaboración entre varios grupos investigadores ha llevado a cabo un estudio para entender el microbioma vaginal humano y su papel en la defensa frente a las infecciones urogenitales femeninas. Para ello han tomado muestras de la microbiota vaginal de 396 mujeres norteamericanas pertenecientes a cuatro grupos étnicos: blancas, negras, hispanas, y asiáticas. La microbiota fue analizada mediante diversos procedimientos incluyendo la secuenciación y comparación de los genes que codifican para el 16S rRNA. Los resultados han sido publicados en la revista PNAS.


Uno de los objetivos era determinar si había un "microbioma nuclear" (core microbiome) común a la microbiota vaginal de todas las mujeres. Algo similar a lo que se ha descrito para la microbiota intestinal o para la del pene. Pero no ha sido así. Han encontrado que la microbiota vaginal presenta una diversidad de comunidades bacterianas que se pueden agrupar en cinco grupos (clusters). Los grupos I, II, III y V están dominados por las especies Lactobacillus crispatus, L. gasseri, L. iners, y L. jensenii. El grupo IV es muy diverso y tiene una alta proporción de organismos estrictamente anaerobios. Pero lo más importante es que los cinco grupos bacterianos tienen en común la producción de ácido láctico, un compuesto clave en la ecología de la microbiota vaginal. Es decir, no hay un "microbioma nuclear" pero las diversas comunidades microbianas interactúan como si lo hubiera. El láctico es el responsable de que el pH vaginal sea ácido, creando unas condiciones en el que no pueden crecer numerosos microorganismos patógenos.



Esquema que muestra los cinco agrupamientos genéticos (I al V) encontrados en la microbiota vaginal. La cantidad de ramas nos indica la diversidad microbiana. En la parte de abajo tenemos los valores Nugent para los distintos microorganismos caracterizados. El color rojo indica que esos micrroganismos pueden participar en procesos de vaginosisi aunque se encuentren en la microbiota normal. En la barra más inferior se indica el valor de pH óptimo de dichos microorganismos. (fuente: Ravel et al.)



Sin embargo, no todas las comunidades microbianas que forman la microbiota vaginal son igual de protectoras frente a los patógenos externos. Es importante que haya un equilibrio dinámico entre ellas para mantener una correcta salud vaginal. Las muestras vaginales fueron sometidas a los llamados criterios o puntuación de Nugent para el diagnóstico de la vaginosis bacteriana. Se realiza una tinción de Gram y se evalúa al microscopio la presencia de bacilos grandes Gram-positivos que corresponde a los Lactobacillus. Como esas bacterias corresponden a la flora normal el valor 0 se da cuando hay muchas y el valor 4 cuando hay pocas. Luego se cuentan los bacilos pequeños Gram-variables que suelen corresponder al patógeno Gardenella vaginalis, pero en este caso el 0 es para cuando no se ve ninguna y el 4 para muchas. Y finalmente se evalúan los bacilos curvados Gram-variable que se corresponden con el morfotipo patógeno Mobiluncus, aunque los valores se dan entre 0 y 2. Una puntuación de 7 ó más ese considera como indicadora de una vaginosis bacteriana. Al correlacionar los resultados genéticos con los resultados obtenidos tras aplicar el criterio de Nugent lo que se ha encontrado es que la mayor parte de microorganismos del grupo IV tienen valores de Nugent altos, mientras que los del grupo I presentan los valores más bajos.


Un resultado llamativo ha sido encontrar que hay diferencias entre los diferentes grupos étnicos. Las mujeres hispanoamericanas tienen el pH más alto (pH 5.0 ± 0.59), seguidas de las mujeres negras (pH 4.7 ± 1.04), las asiáticas (pH 4.4 ± 0.59) y finalmente las mujeres blancas (pH 4.2 ± 0.3). Esos datos se correlacionan con el hecho de que las comunidades microbianas dominadas por los lactobacilos son más abundantes en las mujeres blancas y asiáticas. Paralelamente, las comunidades microbianas que no ofrecen una protección óptima frente a los patógenos eran más comunes en las mujeres hispanoamericanas y negras que en las asiáticas y blancas.


Representación de la distribución de las comunidades bacterianas vaginales por grupo étnico. Entre paréntesis se muestra el número de mujeres muestreadas en cada grupo étnico. (fuente Ravel et al.)



El porqué de dichas diferencias es desconocido. Pero los autores dejan muy claro en el artículo que esto no quiere decir que la microbiota vaginal de las mujeres blancas y asiáticas sea más "saludable" que la de las mujeres negras e hispanas porque todas las muestras fueron recogidas de mujeres sanas. Por trabajos anteriores se sabe que la composición de la microbiota vaginal depende de factores muy diversos debidos al hospedador como son: el funcionamiento del sistema inmune, ya sea el innato o el adaptativo, las secreciones vaginales, las células del epitelio, los hábitos de higiene, los métodos anticonceptivos y el comportamiento sexual.


Como indican al final del artículo, las diferencias en la composición de las comunidades bacterianas vaginales deben de ser tomadas en cuenta cuando se estiman los riesgos de padecer una enfermedad, o bien para su diagnosis y tratamiento. Estos trabajos son los primeros pasos hacia la creación de una medicina personalizada enfocada hacia la salud reproductora de la mujer.




ResearchBlogging.org

Nugent RP, Krohn MA, & Hillier SL (1991). Reliability of diagnosing bacterial vaginosis is improved by a standardized method of gram stain interpretation. Journal of clinical microbiology, 29 (2), 297-301 PMID: 1706728

Ravel, J., Gajer, P., Abdo, Z., Schneider, G., Koenig, S., McCulle, S., Karlebach, S., Gorle, R., Russell, J., Tacket, C., Brotman, R., Davis, C., Ault, K., Peralta, L., & Forney, L. (2010). Microbes and Health Sackler Colloquium: Vaginal microbiome of reproductive-age women Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1002611107





miércoles, 2 de junio de 2010

Tú eres tus bacterias




No hay mal que por bien no venga. Rob Knight es un microbiólogo de la Universidad de Colorado que tras un viaje a Perú sufrió un caso agudo de "diarrea del viajero". Después de tomar una serie de antibióticos se recuperó. Pero resulta que Knight investiga sobre el microbioma humano, así que se puso a estudiar los efectos de los antibióticos en la recuperación de la microbiota de sus intestinos.

También hizo otra cosa. Antes del viaje, Knight se había sometido a una dieta para perder peso que demostró ser inefectiva. Tras su recuperación, la retomó y esta vez consiguió perder más de 20 kilos. Inmediatamente pensó en el papel de la microbiota, ya que un artículo de su grupo había demostrado la importancia de la composición de la microbiota en la ganancia de peso en ratones. El trasplante de microbiota de ratones obesos a ratones delgados hacia que estos últimos ganaran peso. Aunque también demostraron que la presencia de determinados receptores en las células del intestino favorecía el establecimiento de un tipo de microbiota y no de otra. Según Knight, la conjetura era que los antibióticos habían "lavado" a la microbiota "obesa" y habían permitido que fuera más fácil establecer una nueva.


En los gráficos de la izquierda puede verse la ganancia de peso en ratones deficientes en el receptor TLR5 (ratones T5KO) cuando se comparan con ratones normales (ratones wt), sin importar de que estos sean machos o hembras. A la derecha se comparan las resonancias magnéticas de ambos tipo de ratón. Las zonas blancas son zonas grasas. (Fuente: Vijai-Kumar et al. )



En una reciente revisión, el investigador Liping Zhao escribe que los seres humanos somos superorganismos cuyo fenotipo es el resultado de la interacción de los dos genomas que contiene. Uno es el genoma humano que heredamos de nuestros progenitores y que se compone de unos 25.000 genes. El otro es el microbioma humano que se adquiere del medioambiente y que está formado por 1 millón de genes. En contraste con el genoma humano, la composición del microbioma humano es muy flexible y puede ser modulada por la acción de la comida o de los medicamentos. De hecho, cada persona tiene su propio microbioma, diferente del resto de seres humanos. Podríamos decir que es una especie de huella digital microbiana.


Ambos genomas deben de trabajar de manera armoniosa para que se mantenga la salud. Una dieta no equilibrada puede transformar al microbioma de un aliado en un enemigo. Gracias a las nuevas tecnologías de secuenciación estamos comprendiendo cada vez mejor las relaciones de los diferentes miembros del microbioma ya sea entre si, o con las células de nuestro cuerpo. Pero no bastan las herramientas genómicas. Otra forma de seguimiento es el estudio de los metabolitos encontrados en la orina. Si se consigue catalogar la variabilidad de las diferentes comunidades microbianas se podrá identificar biomarcadores que puedan ser usados para predecir enfermedades, ademas de permitirnos entender mejor como esas comunidades responden a los medicamentos y a los factores medioambientales. Eso podría abrir un camino para manipularlas y usarlas en su vertiente sanitaria como una herramienta preventiva.



ResearchBlogging.org
Vijay-Kumar, M., Aitken, J., Carvalho, F., Cullender, T., Mwangi, S., Srinivasan, S., Sitaraman, S., Knight, R., Ley, R., & Gewirtz, A. (2010). Metabolic Syndrome and Altered Gut Microbiota in Mice Lacking Toll-Like Receptor 5 Science, 328 (5975), 228-231 DOI: 10.1126/science.1179721
Zhao, L., & Shen, J. (2010). Whole-body systems approaches for gut microbiota-targeted, preventive healthcare Journal of Biotechnology DOI: 10.1016/j.jbiotec.2010.02.008