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martes, 31 de mayo de 2011

Escherichia coli O104:H4 Enterohemorrágica



Durante los pasados días se ha organizado un gran revuelo con las noticias sobre un brote en Alemania de Escherichia coli O104:H4 enterohemorrágica (más conocida por las siglas EHEC por EnteroHemorragic E. Coli). En un principio la culpa se echó a una partida de pepinos españoles, pero hoy mismo la ministra alemana de Salud de la ciudad-estado de Hamburgo ha tenido que reconocer que se precipitaron en sus conclusiones y que el origen parece estar en Hamburgo.

Inicialmente se pensó que el brote era a causa de otra cepa EHEC, la tristemente famosa E. coli O157:H7, parecido al que ocurrió en los EEUU en el 2008. Pero el serotipo O104:H4 que encontraron los alemanes era muy distinto y raro.

¿Y qué es eso del serotipo? Bueno, para explicarlo hay que repasar un poco la envoltura de esta bacteria. E. coli es una bacteria gramnegativa, eso quiere decir que tiene una membrana citoplasmática, rodeada de una capa de peptidoglicano, que a su vez está rodeada de una membrana externa. Esta última membrana es una bicapa formada por fosfolípidos, proteínas y lipopolisacáridos.



Estructura de las envolturas de una bacteria gramnegativa como E. coli. En la parte inferior tenemos a la membrana citoplasmática. Envolvieéndola está la pared de peptidoglicano y finalmente la membrana externa. Los cuadrados amarillos con colas de hexágonos son el lipolisacarido. Fuente: Universidad de Granada a partir del Brock, Biología de los Microorganismos



Fijémonos en el lipopolisacárido, también conocido por las siglas LPS. Estas moléculas son bastante grandes y están localizadas en la lámina externa de la membrana externa (valga la redundancia). Esta macromolécula es el resultado de ensamblar tres tipos de componentes: el lípido A, el polisacárido medular y el polisacárido O específico.




Estructura química del lipopolisacárido de una bacteria gramnegativa. Fuente: Universidad de Granada a partir del Brock, Biología de los Microorganismos


El lípido A es el que está embebido en la membrana externa. Es prácticamente idéntico en todas las bacterias gramnegativas. Son dos moléculas de glucosaminas unidas (un disacárido) a las que en sus grupos hidroxilo se les ha unido un ácido graso. Esta molécula es esencial para la bacteria pues sin ella no puede formarse membrana externa.

Al lípido A se le une el polisacárido medular o nuclear, también muy conservado entre las gramnegativas, en el que a su vez se distinguen dos regiones, la interna formada por 2-ceto-3-desoxioctónico (KDO) y la externa formada por diversas hexosas y heptosas.

Finalmente, el polisacárido O específico, que consiste en la repetición de hasta 40 veces (la "n" de la figura) de unidades tri-, tetra- o pentasacarídicas ramificadas. Los azúcares que se pueden encontrar son muy variados y poco frecuentes. Podríamos decir que esta parte de la molécula es la "piel" de la bacteria. La denominación "O" (la letra o, no el número cero) es porque es la denominación que se le dio cuando se comprobó que esta molécula era un antígeno muy potente que activaba el sistema inmune (por eso lo de "serotipo").

Al lipopolisacárido también se le conoce como endotoxina. Eso denominación proviene del siglo XIX cuando se comenzaba a estudiar la toxicidad bacteriana. Se descubrió que ciertas bacterias presentaban mayor toxicidad cuando eran fragmentadas que cuando estaban intactas. Así que se supuso que en su interior (endo-) se almacenaban toxinas que se liberaban tras su lisis. Posteriormente se descubrió que el lipopolisacárido era el responsable de la toxicidad. En cierto sentido es un mecanismo defensivo a lo "Alien el 8º pasajero". Si el sistema inmune acaba con la bacteria, se liberan los componentes de la membrana externa que causarán daño al organismo.

Pues bien. O104:H4 es un tipo de LPS y O157:H7 es otro tipo de LPS (bueno, la "H" hace referencia a otro tipo de antígeno, la flagelina, pero de eso hablaré en otro momento). De hecho hay unos 160 lipopolisacáridos descritos sólo para E. coli (C. Raetz y C. Whitfield 2002). Cómo es lógico, hay unas cuantas enzimas encargadas de producir el lipopolisacárido, y se ha visto que los genes que codifican para las mismas son de fácil transmisión horizontal entre las diversas cepas. Es decir, una E. coli con un determinado serotipo puede transformarse en otro serotipo distinto si capta dichos genes.

Sin embargo la gran patogenicidad de las cepas EHEC no es debida sólo al LPS. Muchas portan genes que codifican para toxinas del tipo Shiga, denominada así porque fue descrita por primera vez en la bacteria Shigella dysenteriae. Esas toxinas son exotoxinas, es decir, son secretadas por la bacteria y no forman parte integral de ellas. En el caso de las toxinas tipo Shiga, se trata de proteínas que inhiben varios procesos. Es decir, son como una navaja suiza pero en maligno. La toxina está compuesta de dos subunidades: A y B. La subunidad B se une a las membranas de las células que tapizan el interior del intestino bloqueando la captación de electrolitos.

Tras la unión, la subunidad A penetra en la célula e inactiva al 26S RNA ribosomal bloqueando el proceso de traducción. Esto acaba matando a las células intestinales y causando una grave diarrea. Pero por si fuera poco, la toxina acaba también con las células de los capilares (de ahí la diarrea sanguinolenta) y dispara la reacción de los neutrófilos. Se acaba produciendo un mayor daño tisular, lo que permite que la toxina pueda acabar en el torrente sanguíneo. Una vez allí se disemina por el organismo causando varios efectos, siendo uno de los más graves el destruir las células de los glomérulos renales, con lo que puede llegar a producirse un fallo renal (el llamado síndrome urémico hemolítico o HUS). Por si fuera poco, también tiene un efecto neurotóxico por lo que puede causar daños permanentes en el sistema nervioso.



Estructura tridimensional de la toxina-Shiga de E. coli O157:H7. En rojo se muestra la subunidad A y en azul la subunidad B Fuente: Wikipedia


Esto explica el porqué el tratamiento con antibióticos de este tipo de cepas no es tan efectivo e incluso puede llegar a ser contraproducente. La acción de la toxina Shiga no se ve afectada, y la destrucción de bacterias por el efecto de los antibióticos produce que se libere LPS, aumentando el efecto tóxico. Añadamos el hecho de que muchas cepas EHEC portan genes de resistencia a los antibióticos y el cuadro no es precisamente halagüeño.

Generalmente el tratamiento suele ser sintomático. Es decir, se suministra líquidos al paciente y se espera que la diarrea remita. En algunas ocasiones se recurre a transfusiones de sangre para eliminar la toxina del organismo. Pero si la infección es grave y los niveles de toxina elevados el paciente puede llegar a tener secuelas e incluso fallecer.

El caso es que los alemanes pueden haber dado con un tratamiento alternativo, aunque no ha sido debido a este brote. El pasado otoño, Franz Schaefer un nefrólogo de un centro pediátrico de Heidelberg trató a una niña de HUS. La terapia estaba fallando y se le ocurrió utilizar un anticuerpo monoclonal denominado "Eculizumab" que se utiliza en la terapia de una patología sanguínea. Este anticuerpo bloquea la acción de la proteína C5 del sistema de complemento, un mecanismo que provoca la lisis de las células que han sido "marcadas" por el sistema inmune. Al usarlo en la paciente ésta mejoró en tan sólo 24 horas. Al parecer, el HUS es causado por una hiperactividad del sistema de complemento disparada por la acción de la toxina Shiga. El tratamiento fue probado en otros dos niños con parecido éxito. Actualmente se está planteando utilizarlo con alguno de los actuales pacientes afectados por el brote de E. coli, aunque hay un pequeño problema. El Eculizumab es el medicamento más caro que se conoce, con un coste de 15.000 euros por paciente. Y desde el punto de vista clínico es difícil considerar el resultado con tres pacientes como una terapia efectiva. Esperaremos acontecimientos



Vídeo sobre como EHEC O157:H7 coloniza el intestino

Esta entrada participa en el V Carnaval de la Química, organizado por Scientia.




ResearchBlogging.org

Lapeyraque AL, Malina M, Fremeaux-Bacchi V, Boppel T, Kirschfink M, Oualha M, Proulx F, Clermont MJ, Le Deist F, Niaudet P, & Schaefer F (2011). Complement Blockade in Severe Shiga-Toxin-Associated HUS. The New England journal of medicine PMID: 21612462

Raetz, C., & Whitfield, C. (2002). LIPOPOLYSACCHARIDE ENDOTOXINS Annual Review of Biochemistry, 71 (1), 635-700 DOI: 10.1146/annurev.biochem.71.110601.135414

lunes, 30 de mayo de 2011

Un nuevo antibiótico: Fidaxomicina



La FDA acaba de aprobar un nuevo antibiótico para uso clínico. Se trata de la fidaxomicina, un antibiótico macrocíclico que inhibe a la RNA polimerasa.



Estructura de la fidaxomicina (Fuente: Wikipedia)


¿Qué tiene de novedoso este antibiótico? Su nombre comercial nos da una pista: "Dificid". Es un antibiótico bastante selectivo contra la bacteria Clostridium difficile. Ya hemos hablado anteriormente de este patógeno intestinal. C. difficile pueda colonizar el tracto intestinal provocando un cuadro de diarrea severa debido a las toxinas que produce. La infección es complicada de tratar debido a que las esporas de la bacteria resisten el tratamiento con antibióticos. Generalmente las infecciones de C. difficile son tratadas con vancomicina, un antibiótico glicopéptido que afecta a la síntesis del peptidoglicano de las bacterias gram positivas sobre todo. Eso quiere decir que no discrimina entre "bichos malos y buenos". La ventaja de la fidaxomicina es que es muy selectiva contra C. difficile por lo que los "bichos buenos" de nuestra microbiota intestinal no se ven tan afectados.

Según el CDC, tan sólo en los Estados Unidos las infecciones por esta bacteria afectan anualmente a unas 500.000 personas de entre las cuales causa la muerte a 30.000. No es de extrañar que la FDA haya considerado que los ensayos clínicos de este antibiótico tenían la máxima prioridad. En el ensayo con 548 pacientes han visto que su nivel de efectividad es similar al de la vancomicina (88% frente a un 86%).



Resultado de los ensayos clínicos con la fidaxomicina (Fuente: Biotech Investment Paradigm)


Como puede uno imaginar, las acciones de la compañía que fabrican este antibiótico van a subir como la espuma. Se espera que las ventas superen los 217 millones de dólares para el 2015 sólo en los EEUU, y en todo el mundo se espera que sean de 500 millones.


Esta entrada participa en el V arnaval de la química organizado por Scientia.

miércoles, 25 de mayo de 2011

Historia de Weber


Weber


Los hurones son unos pequeños cazadores de fácil domesticación, por lo que hay numerosas familias que los tienen como mascota. Estos mustélidos son muy juguetones y curiosos así que les gusta meterse por cualquier recoveco o agujero. Se suele recomendar que vayan al veterinario una vez al año y se les debe de vacunar contra los virus que causan el moquillo y la rabia.

En septiembre del 2008, Weber, un hurón albino que padecía de ceguera fue llevado a la consulta veterinaria de Neus Morera en Barcelona. En el reconocimiento se le detectó una pequeña masa bajo el maxilar de la cual se tomaron muestras. Se trataba de una linfoadenopatía (un ganglio inflamado) y al analizarlo bajo el microscopio se detectó la presencia de una levadura de morfología esférica con una gruesa cápsula. Por dicho aspecto se diagnosticó que el hurón padecía una infección generalizada causada por una levadura del género Cryptococcus. Inmediatamente, Weber fue puesto en tratamiento y se le suministró fluconazol, un medicamento antifúngico.



Preparación citológica del nódulo submaxilar de Weber. En el centro podemos ver las células redondeadas de Cryptococcus rodeadas de macrófagos y neutrófilos. En el recuadro se observan las células de la levadura a mayor aumento. El halo claro que las rodea es la cápsula polisacarídica. (Fuente: Morera et al)


Aunque rara, no era la primera vez que se describía una criptococosis en un hurón. Se sospecha que en 1954 fue descrito el primer caso en el Reino Unido, aunque fue diagnosticado como una torulosis, una infección generalmente producida por levaduras del género Candida. Aparte de ese caso, hay descritos otros 15 más, pero todos ellos se han dado en otras partes del mundo como Australia, Canadá y los Estados Unidos. El caso de Weber era la primera criptococosis de un hurón descrita en el continente europeo.

Sin embargo había un dato preocupante. La mayor parte de las criptococosis en hurón son causadas por una especie en particular llamada Cryptococcus gattii. Y en la actualidad esa especie de levadura está siendo considerada como un patógeno emergente. Aunque la posibilidad de que C. gattii infecte a otros animales y a los seres humanos es pequeñísima, como suele decirse lo mejor es prevenir. Así que Neus envió muestras al laboratorio de Micología de la UMH dirigido por la Dra. Kika Colom (al que yo pertenezco), ya que su línea de trabajo se centra en el estudio de las levaduras patógenas del género Cryptococcus.



Distintas pruebas identificativas de la levadura que infectó a Weber. (A)Crecimiento en medio Sabouraud. (B) Desarrollo de pigmentación melánica en medio Staib. (C) Crecimiento en medio CGB. (D) Perfil metabólico determinado mediante el kit Auxacolor. (E) Producción de ureasa (Fuente: Grupo Micología UMH ISHAM 2009)


Los análisis de laboratorio confirmaron que la levadura que afectaba a Weber era efectivamente una cepa de Cryptococcus gattii. Inmediatamente se recomendó que se tomaran muestras de las fosas nasales de los dueños de Weber y de los otros hurones que convivían con él ya que C. gattii es un patógeno que entra por vía inhalatoria. Tras los análisis de laboratorio se comprobó que en ambos dueños y en dos hurones que convivían con Weber se aislaron colonias de la levadura.

¿De dónde había salido el C. gattii que había infectado a Weber y había colonizado a los dueños y sus otros congéneres? Está descrito que C. gattii es una levadura que se encuentra en el medio ambiente y cuyo habitat es la materia vegetal en descomposición, por ejemplo los detritos de árboles como el eucalipto.

Pero esos aislamientos del medio natural se habían realizado en Australia, en la India, en los Estados Unidos y en otros lugares. Nunca en Europa. Y eso a pesar de que se han descrito diversos casos de criptococosis, tanto en humanos como en animales, en diversos países europeos incluido España. Nadie hasta la fecha había conseguido encontrar el hábitat natural de esta levadura en Europa. De hecho, una de las líneas de investigación seguida por nosotros era la búsqueda de dicho hábitat natural, y para ello habíamos estado años tomando muestras de diversos árboles como eucaliptos, olivos o encinas, a lo largo y ancho de la Península Ibérica, pero en todas las ocasiones sin éxito.



Un algarrobo. A la derecha se muestra en detalle la base del árbol en la que pueden verse numerosos huecos donde se acumulan detritos vegetales y en los que los hurones se introducían para jugar. (Fuente: Grupo Micología UMH)


La infección de Weber supuso la pista crucial para encontrar el hábitat natural de C. gattii en la Región Mediterránea. Las mascotas necesitan que se las saque a pasear y los dueños de Weber y de los otros hurones no eran la excepción. Los llevaban a pasear a un parque público. Ya he indicado más arriba que lo que más le gusta a los hurones es curiosear, así que en los paseos soltaban a Weber y sus compañeros para que corretearan por entre los huecos de los diversos árboles del parque, y esos árboles eran algarrobos (Ceratonia siliqua) y pino mediterráneo (Pinus halepensis). Dos de los árboles más típicos de los ecosistemas mediterráneos. Así que Kika y sus chicos se fueron a recoger muestras de dichos árboles. En paralelo, un servidor se puso a recoger muestras de algarrobo pero en la provincia de Alicante.



Dendrograma de las diferentes cepas de C. gattii aisladas en España agrupadas en base a los datos obtenidos por la técnica AFLP. Las cepas CCA pertenecen a la Colección Cryptococcus Alicante. La letra E al final del número indica que son aislados medioambientales. En el recuadro rojo se indica la cepa aislada de los tejidos de Weber. (Fuente: Colom et al.)


Tras realizar los cultivos de las muestras del parque se consiguieron aislar diversas cepas de la levadura C. gattii. Pero ¿era la misma cepa que había infectado a Weber? Para contestar a esa pregunta había que realizar un análisis genético de los diferentes aislados y para ello se acudió Ferry Hagen y Teun Boekhout del CBS-KNAW de Holanda. Sus resultados confirmaron que los aislamientos de la levadura de los árboles del parque y de Weber eran prácticamente la misma cepa. Sólo quedaba una pregunta más que contestar. ¿El aislamiento en el parque había sido un hecho aislado o es que el algarrobo podía ser un hábitat natural para la levadura? Las muestras recogidas en los algarrobos de Alicante mostraron que C. gattii también estaba presente en dichos árboles.


A pesar del tratamiento antifúngico, Weber tuvo que ser sacrificado siete meses después de haber sido diagnosticada su criptococosis, pero gracias a él ahora sabemos donde se puede esconder Cryptococcus gattii en los ecosistemas mediterráneos.


Esta entrada participa en el IV Carnaval de la Biología organizado por BioUnalm


ResearchBlogging.org

Morera N, Juan-Sallés C, Torres JM, Andreu M, Sánchez M, Zamora MA, & Francisca Colom M (2011). Cryptococcus gattii infection in a Spanish pet ferret (Mustela putorius furo) and asymptomatic carriage in ferrets and humans from its environment. Medical mycology : official publication of the International Society for Human and Animal Mycology PMID: 21395475

Colom MF, Hagen F, Gonzalez A, Mellado A, Morera N, Linares C, García DF, Peñataro JS, Boekhout T, & Sánchez M (2011). Ceratonia siliqua (carob) trees as natural habitat and source of infection by Cryptococcus gattii in the Mediterranean environment. Medical mycology : official publication of the International Society for Human and Animal Mycology PMID: 21521012

martes, 17 de mayo de 2011

Sepias espaciales



A cualquiera que le guste la saga de "La Guerra de las Galaxias" recordará una escena de "El Retorno del Jedi" en la que el almirante al mando de la flota estelar de los rebeldes era una especie de calamar. Bueno, pues ahora la NASA ha mandado a unas cuantas de sus parientes al espacio en el último vuelo de la lanzadera Endeavour, y su misión también será importante. Nada menos que determinar si la falta de gravedad puede afectar al comportamiento de las bacterias simbiontes.



Euprymna scolopes al microscopio electrónico de barrido en falso color(Fuente: New Scientist)



Euprymna scolopes, es una sepia de unos 3 cm de tamaño que vive en las aguas de Hawai. En el mundo de la microbiología es conocida porque suele establecer una simbiosis con la bacteria Vibrio fischeri. La sepia posee en su parte ventral una bolsa que está repleta de dichas bacterias. ¿Y para qué le sirve tenerlas ahí? Pues para generar luz.



Vibrio fischeri al microscopio electrónico, al microscopio de fluorescencia y cultivado en una placa petri (Fuente de las imágenes: PNAS, Microbewiki y Journal of Bacteriology)


Vibrio fischeri es una bacteria bioluminiscente. En su genoma se encuentran unos genes llamados lux que codifican, entre otras cosas, a la enzima luciferasa. Esta enzima es capaz de generar luz mediante una reacción bioquímica. Pero, si observamos a una bacteria bajo el microscopio no veremos una pequeña bombillita nadadora. La emisión de luz requiere que haya una determinada densidad de población bacteriana. Es decir, si hay pocas bacterias, no hay bioluminiscencia. Si hay muchas, entonces comienzan a brillar. Luego Vibrio fischeri es capaz de detectar la densidad de población de sus congéneres. Es lo que se llama en biología, sentido de quorum (o en inglés quorum sensing)



Mecanismo de quorum y bioluminiscencia. Cuando hay pocas bacterias no hay gran cantidad de moléculas inductoras (pentágonos rojos). Cuando hay muchas, hay una gran cantidad de moléculas inductoras que inducirán una gran expresión de los genes lux y por tanto de producción de luz (Fuente: Universidad de Zurich)


La sepia Euprimia scolopes alimenta con azúcares y aminoácidos a las bacterias que contiene su órgano luminiscente para así conseguir una gran densidad celular y poder emitir una potente luz. Si hiciéramos una disección de dicho órgano encontraríamos que no es una simple bolsa. En la parte más interna las paredes de la bolsa están recubiertas de una proteína conocida como reflectina. Y su función precisamente es reflejar la luz. En la parte de la bolsa que da al exterior, lo que hay es unas proteínas que forman una lente. El saco de tinta además está modificado para actuar como una especie de diafragma. De esa forma la sepia puede regular la intensidad del haz de luz que generan las bacterias bioluminiscentes.



Tejidos reflectantes de E. scolopes. Clikear en la imagen para agrandarla (A) Localización de los tejidos reflectivos en una disección ventral (dg, glándula digestiva ; er, reflector ocular; lor, órgano reflector de luz; m, manto) y no reflectivos (el, lentes oculares; g, branquias) En el cuadro pequeño se puede ver al animal adulto emitiendo luz. (B) Microfotografía de la disección del órgano luminoso (pequeña línea naranja de la foto A). El epitelio central (e) está rodeado del reflectante (lor), que a su vez está rodeado de divertículos de la bolsa de tinta (is). El tejido de la lente (lol) está localizado en la superficie ventral del órgano luminoso. (C) Imagen de microscopía electrónica de transmisión del cuadrado naranja en B. Pilas de placas con material reflector (p) entre fibras de tejido conectivo (ct) y gránulos de tinta (ig). (D) Placas de material reflectante magnificadas. En su interior se encuentra la reflectina. (Fuente: Crookes et al.)



Y eso es muy importante para la sepia. Euprimia scolopes es un cazador nocturno. Durante el día se entierra en la arena. Por la noche abandona su escondite y caza pequeñas gambas. Pero con 3 cm de tamaño, la sepia corre el peligro de ser el cazador cazado. Muchos depredadores se colocan en el fondo y cuando observan alguna silueta recortada en el cielo estrellado van a por ella. Pero la sepia tiene un camuflaje infalible. La luz emitida por sus bacterias hace que se parezca a una estrella más.

Cuando llega el día, la sepia vuelve al fondo arenoso a enterrarse. Pero antes de hacerlo expulsa el 95% de las bacterias de su interior. Se piensa que sería muy costoso para la sepia el mantenerlas vivas durante todo el tiempo que no está alimentándose. De esa forma, las bacterias vuelven a crecer en el interior del órgano, aunque también vuelve a recapturar algunas mientras respira el agua de mar. Y las bacterias que han sido liberadas pueden buscar una nueva sepia como hospedador.



Euprymna scolopes enterrándose en la arena(Fuente: Wikipedia)


La simbiosis mutualista entre Vibrio fischeri y Euprimia scolopes no es obligada, pues cada uno de ellos puede vivir sin el otro. Pero ciertamente es muy íntima y por eso es un buen modelo para estudiar el establecimiento de una simbiosis entre un animal y una bacteria. La relación entre ambas comienza desde muy temprano en la vida de la sepia. Nada más nacer las sepias comienzan a interaccionar con todos los microorganismos presentes en el agua de mar. Una de las cosas que hacen es generar una sustancia mucosa alrededor de los poros que dan entrada al órgano bioluminiscente. La síntesis de dicha mucosidad se ve estimulada por el peptidoglicano, el componente esencial de las paredes bacterianas. Ese moco es una primera barrera para las bacterias, pues sólo las que estén flageladas como Vibrio pueden nadar dentro de él y llegar al interior.




Hay otras barreras que impiden que el interior de la sepia sea colonizada. La sepia produce una peroxidasa que utiliza el peróxido de hidrógeno para producir especies reactivas del oxígeno que acaben con las bacterias. Vibrio fischeri evita ese ataque simplemente generando una catalasa que destruye el peróxido de hidrógeno antes de que pueda ser usado por la peroxidasa. Una vez que V, fischeri alcanza el interior del órgano bioluminiscente pierde la flagelación y se agrupa formando un biofilm.

Pues bien, según se cuenta en la revista New Scientist lo que se quiere saber es si la falta de gravedad puede alterar el establecimiento de la simbiosis entre la sepia y la bacteria. Para ello, en el Endeavour se han mandado unas sepias recién nacidas que no han estado en contacto con la bacteria y que serán incubadas con ellas durante 28 horas. Posteriormente las sepias con sus bacterias serán fijadas y se analizará que ha pasado. Se espera que los resultados puedan ayudar a entender o prever posibles problemas en otro tipo de simbiosis mucho más diversas y complejas: las de los seres humanos con su microbiota.



Esta entrada participa en el IV Carnaval de la Biología organizado por BioUnalm, y en el V Carnaval de la Química y el XIX Carnaval de la Física organizado por Scientia.




ResearchBlogging.org

Crookes, W. (2004). Reflectins: The Unusual Proteins of Squid Reflective Tissues Science, 303 (5655), 235-238 DOI: 10.1126/science.1091288

Visick KL (2009). An intricate network of regulators controls biofilm formation and colonization by Vibrio fischeri. Molecular microbiology, 74 (4), 782-9 PMID: 19818022

martes, 10 de mayo de 2011

¿Cuántas g's puede aguantar un ser vivo?


Crecimiento de P. denitrificans a 30 ºC en 1 g (A) o en 134.435 g's (B) (Fuente: Deguchi et al.)



Las bacterias acaban de ganar un nuevo record de resistencia. Son los únicos seres vivos que pueden, no sólo aguantar, sino vivir bajo la acción de una aceleración superior a 400.000 g’s. Es decir, 400.000 veces la fuerza de gravedad de la Tierra.

Para hacernos una idea de lo que eso significa. Un tiovivo de unos 5 metros de radio y girando a unas 15 revoluciones por minuto llega a las 1,26 g's. La mayor parte de los seres humanos pierden la consciencia cuando se les somete a 5 g’s. Los astronautas llegan a sufrir un acelerón de unas 9 g’s cuando son lanzados en un cohete. Si nos aplicaran una fuerza de 400.000 g’s quedaríamos convertidos en pulpa.

Pero al biólogo Shigeru Deguchi, de la agencia japonesa de Tecnología y Ciencia Marina y Terrestre le surgió la pregunta de qué ocurriría si a unas bacterias se las sometía a dichas fuerzas tan enormes. Para ello utilizó una ultracentrífuga: una maquina en la que se pueden simular dichos campos de fuerza mediante la fuerza centrífuga. Las centrífugas son uno de los aparatos estándar de cualquier laboratorio de Biología Molecular. Gracias a la fuerza centrífuga se pueden precipitar diversas macromoléculas, o incluso separarlas en base a su densidad.


John Stapp, un piloto de pruebas estadounidense, llegó a estar sometido a 46'2 g's. En estas imágenes se muestra un test donde sufrió 15 g's durante 0.6 segundos con un pico de 22 g's (Fuente: Wikipedia)


En nuestra experiencia cotidiana la centrífuga más famosa es la del tambor de la lavadora. La velocidad que alcanzan es de hasta 1200 revoluciones por minuto. Teniendo en cuenta un radio de 30 cm, la fuerza que ejerce es equivalente a unas 480 g’s. Para aquellos que estudian una carrera de Biología o similar, una centrífuga de tubos eppendorf (la que suele aparecer en los laboratorios de la serie CSI) alcanza hasta unas 18.000 g's.

Pues bien, una ultracentrífuga es algo parecido a nuestras lavadoras pero el rotor puede girar a velocidades que permiten alcanzar esas 400.000 g’s (incluso se alcanza el millón de g's). Así que el grupo de Shigeru Deguchi cogió unos cuantos cultivos bacterianos, entre ellos a nuestra amiga Escherichia coli, a la bacteria del suelo Paracoccus denitrificans, a Shewanella amazonensis, a Lactobacillus delbruecki y a la levadura Saccharomyces cereviseae, y las puso a girar en ese diabólico tiovivo.

Probablemente esperaban encontrar que algunas bacterias sobrevivieran al tratamiento, pero lo que han encontrado es incluso más sorprendente. Hay bacterias que no sólo sobreviven, sino que son capaces de crecer y reproducirse en esas condiciones. Es decir, no están en forma latente, sino que están vivas y activas. Al microscopio no parecen mostrar alteraciones de consideración.



Crecimiento de P. denitrificans en hiperaceleración. Las fotografías muestran el pellet (precipitado) de células bacterianas después de ser incubadas a 30º C y 403.627 × g. (A) 0 horas, (B) 6 horas, (C) 24 horas y (D) 48 horas. El diámetro del tubo es de 18 mm. (Fuente: Deguchi et al.)


La levadura S. cereviseae llegó a aguantar hasta las 52.000 g's, superando a la bactteria L. delbrueckii (hasta 44.000 g's). Pero las bacterias no tienen orgánulos y el contenido del citoplasma no parece verse muy alterado, o al menos no tanto como para dejar de funcionar. Las bacterias E. coli y S. amazonensis llegaron hasta las 77.000 g's. La campeona absoluta fue la bacteria P. denitrificans con 403.627 g's. Deguchi piensa que las bacterias aguantan más que los eucariotas debido a que la organización intracelular bacteriana es mucho más simple que la organización eucariota. Cuando una célula eucariota es sometida a unas fuerzas centrífugas tan elevadas, sus orgánulos internos como las mitocondrias o el núcleo comienzan a sedimentar.



(A) Curvas de crecimiento de P. denitrificans a distintas hiperaceleraciones. (B) Variación del tiempo de generación de diferentes microorganismos con respecto a la hiperaceleración a la que son sometidos. La única especie que soporta más de 100.000 g's es P. denitrificans. Cuanto más alto es el valor de grel, peor es el crecimiento del microorganismo (Fuente: Deguchi et al.)


¿Cuál es la importancia de este hallazgo? Bueno, los defensores de la panspermia se han puesto la mar de contentos ya que una de sus propuestas es que el impacto de un meteorito en la superficie de un planeta que contuviera vida podría expulsar rocas al espacio conteniendo microorganismos. En ese caso, esas rocas serían sometidas a fuerzas equivalentes a 300.000 g’s. Aunque aún les quedaría explicar cómo aguantarían el viaje interestelar y la entrada en la atmósfera. Sin embargo el hallazgo tiene otras implicaciones para la exobiología. Abre la posibilidad de que la vida pueda habitar planetas de gran tamaño como los gigantes gaseosos, Júpiter o Saturno. E incluso enanas marrones, ya que en esos cuerpos celestes no se supera el centenar de g’s y la temperatura es de unos 400 K (el límite teórico de temperatura de la vida es de 395 K). Aunque hay que señalar que en estos últimos casos habría que considerar otros aspectos físicos como la presión y la temperatura de los gases de la atmósfera.


Esta entrada participa en el XIX carnaval de la Física que organiza Scientia


ResearchBlogging.org


Deguchi S, Shimoshige H, Tsudome M, Mukai SA, Corkery RW, Ito S, & Horikoshi K (2011). Microbial growth at hyperaccelerations up to 403,627 x g. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America PMID: 21518884

lunes, 2 de mayo de 2011

Geobacter: un superhéroe microbiano


Una vez más aparece en el blog una traducción de una de los artículos publicados en el blog de Moselio Schaechter Small Things Considered. En este caso se trata de un trabajo dedicado a la bacteria Geobacter escrito por la divulgadora científica Suzanne Winter.



Geobacter un microbio capaz de respirar hierro. (Fuente: Derek Lovley
Kelly Nevin & Ben Barnhart, University of Massachusetts
)


Si el poder de Superman residiera tan sólo en sus superpoderes, entonces el Batman de Bruce Wayne nunca podría competir a su nivel. Pero si se tienen en cuenta los otros factores que hacen a los superhéroes lo que son – sus colegas, el disfraz, el sarcasmo – ambos, Superman y Batman, pueden reclamar su éxito en el mundo de hacer el bien sin despeinarse un pelo. En otras palabras, la fuerza y la efectividad del poder de un individuo a menudo depende de un uso creativo de las materias primas de las que dispone.

Esa realidad también se refleja en el reino de los microorganismos que compiten para ocupar y dominar nichos específicos por medio de la adaptación y la selección natural, y aquel que juega con unas reglas distintas a los otros puede tener la posibilidad de cambiar el mundo.

En particular, las especies que han evolucionado hacia la utilización de novedosos y, subjetivamente, extraños métodos para vivir han intrigado desde siempre a los científicos por sus habilidades de supervivencia y sus preferencias. Consideremos la fascinación que causan los extremófilos que viven en las fuentes termales del Parque de Yellowstone, y que condujeron al aislamiento de la Taq DNA polimerasa a partir de Thermus aquaticus, seguramente una de las más importantes enzimas de un laboratorio de biología molecular. Y mientras que muchos microbios siguen la bien estudiada ruta de usar oxígeno como aceptor final de electrones, hay muchos investigadores que miran con interés a las especies de Geobacter que usan óxidos férricos como aceptores finales de electrones, para así descubrir los secretos enigmáticos de la recuperación medioambiental, la producción de energía y la creación del mundo.

Historia del Mundo, Parte I : Porqué el hierro puede ser el nuevo oxígeno.

Además de ser el escenario de numerosas escaramuzas de la Guerra Civil Americana, el río Potomac, cercano a Washington D.C., tiene la distinción de ser la fuente del primer aislamiento de una especie de Geobacter, conocida inicialmente como GS-15 y posteriormente como Geobacter metallireducens.

Hasta que Derek Lovley y su laboratorio de la Universidad de Massachusetts Amherst identificó a Geobacter en 1987, ningún organismo con capacidad de usar óxidos de hierro como aceptor final de electrones había sido descrito. Para muchos organismos, una cadena de transporte de electrones y la producción de energía celular puede ser la diferencia entre la vida y la muerte. Miles de millones de años han sido dedicados a afinar esa delicada maquinaria; aquellos que no poseen este crucial mecanismo han sido relegados a llevar una vida al estilo de Artful Dodger(*), la de ser parásitos intracelulares obligados. Como muchos otros, las especies de Geobacter dependen de una cadena de transporte de electrones para la producción de energía, pero en lugar de usar oxígeno como el aceptor final, usan compuestos químicos de hierro oxidados.

Lovley y su equipo observaron que los compuestos químicos metabolizados por G. metallireducens eran magnéticos, pero el hierro que se encuentra en ambientes anaeróbicos no lo es. Como sugiere su nombre, el microorganismo reduce el ion férrico (Fe[III]) hasta magnetita Fe3O4, (que contiene ferroso (Fe[II]), gracias a la oxidación de compuestos orgánicos hasta CO2. Esta observación permitía explicar cómo se podrían haber formado las antiguas y grandes acumulaciones de hierro en los ancestrales años en los que la Tierra era anóxica.

En el momento actual, esta curiosa adaptación permite a las especies de Geobacter sobrevivir a partir de fuentes energéticas que son inaccesibles para la mayor parte de los organismos aerobios. Y mientras hace eso, puede realizar tareas tremendamente útiles para los humanos. Por ejemplo, Lovley y su equipo demostraron que la respiración anaeróbica de G. metallireducens en ambientes anóxicos puede ser utilizada para la eliminación de contaminantes (como compuestos orgánicos radioactivos o derivados del petróleo) y por lo tanto para la biorremediación.

El análisis de varios genomas secuenciados de Geobacter ha revelado que en ausencia de un aceptor de electrones soluble, la expresión de los genes de motilidad son activados. En particular, los pili y los flagelos ayuda a G. chemotax a nadar hacia depósitos de moléculas que contengan Fe(III). ¿No sería interesante manipular este mecanismo para así usar organismos que busquen-y-destruyan la contaminación?



(a) Geobacter en presencia de un aceptor soluble como el nitrato no desarrolla flagelos.(b)Cuando no hay un aceptor de electrones soluble, pero hay ion férrico (Fe[III]) insoluble, se activan los mecanismos de quimiotaxis y se forma el flagelo, lo que le permite nadar a la bacteria. Después, gracias a la formación de pili, la bacteria puede adherirse a los gránulos conteniendo el ion férrico. (Fuente: Geobacter project)


Desde 1987 las investigaciones han continuado para desarrollar el potencial de Geobacter como parte del "kit de herramientas microbianas". En el 2010, Lovley y sus colegas comunicaron que microorganismos distintos a Geobacter pueden formar una conexión eléctrica y hacer pasar una corriente entre ellos. La habilidad de realizar una transferencia de electrones entre especies microbianas permitiría a los distintos microbios aprovechar fuentes de nutrientes a los que no podrían acceder si lo hicieran en solitario. Esto además abre la posibilidad de usar a Geobacter y otros microorganismos relacionados para crear baterías eléctricas automantenidas y otras fuentes renovables de energía.

Historia del Mundo, Parte II: La revolución de la red socia microbiana

En esta época donde el rumor se extiende por Tweeter en lugar de por el murmullo, el poder no está asociado necesariamente con lo que se conoce, sino con quién lo conoce – y Geobacter es más conocido que muchos otros microbios. De acuerdo con Google Trends, si se buscan los términos "microbial fuel cells" (células de energía microbianas), en el que Geobacter es uno de los jugadores clave, veremos que comenzó a hacer titulares en el 2007 por vía de uno de los métodos más seguros de divulgar la Biología, mediante un link con la cerveza. En el año 2009, la revista Time clasificó a las “pilas de Geobacter de Lovely” en el puesto 20 de las 50 mejores invenciones del 2009.

A finales de abril del 2010 llegó un momento de euforia en los medios de comunicación, como se evidenció por el pico en los términos de búsqueda en Google – coincidiendo en el tiempo con la concesión de un proyecto de 1 millón de dólares a Lovley por parte del Departamento de Energía de los EEUU -, y con el derrame de la plataforma Deepwater Horizon. En el momento del derrame, muchos medios de comunicación, incluyendo el New York Times y NPR's Science Friday, publicaron historias sobre Geobacter recalcando la habilidad del microbio para limpiar el mundo de contaminantes al mismo tiempo que producía energía. La Oficina de Investigación Naval de los EEUU se subió al carro de Geobacter colgando un vídeo en su canal de Youtube siete días después de que se anunciara la financiación de numerosos proyectos gubernamentales, incluyendo la creación de baterías inagotables o su uso en la conservación de las tortugas marinas.



Fotograma del vídeo de la Oficina de Investigación Naval (ONR) en el que se muestra un esquema de como conseguir energía a partir de las especies de Geobacter que habitan en los fondos marinos (Fuente: ONR Youtube channel)


La diversidad de aplicaciones de las distintas especies de Geobacter supone una inagotable fuente de noticias para los medios de comunicación. Dejando de lado la quincalla que publican, esas significativas cuñas de ciencia pura en el foco de las noticias podría estimular el apoyo a la investigación que nos permita entender la forma de vida de estas bacterias y así poder usarlas para beneficiarnos todos.

Además, hasta que el Batmovil no sea superado como el coche más deseable de todos los tiempos, deberíamos anima al Bruce Wayne de los microbios para que haga lo que mejor sabe hacer. Si tenemos en cuenta la cantidad de energía que Lovely y su grupo ha conseguido producir a partir de cepas seleccionadas de Geobacter, puede que un día su poder pueda ser utilizado bajo el capó de un coche en una carretera de un futuro más limpio y brillante.

Para saber más sobre el salvaje y extraño mundo de Geobacter puedes visitar el Geobacter Project, escuchar los podcast de Pulse of the Planets, o revisar la última publicación de Lovley sobre el futuro de los microbios eléctricos.



(*)Artful Dodger es un personaje de Oliver Twist. Es el pequeño pícaro con chistera que “educa” a Oliver en el arte de robar.



Suzzane Winter se graduó en el 2010 en el Swarthmore College con los títulos en Biología y en Literatura Comparada. Ha escrito para la sección de noticias de la revista BioTechniques y actualmente trabaja como escritora freelance en biología y ciencias de la vida al mismo tiempo que estudia para el master en Medicina y Salud Pública.