¿Es el ser humano más inteligente que un microbio?

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La verdad es que viendo a algunos políticos que nos gobiernan uno diría que no. Y si uno se lee un reciente artículo que publica la revista New Scientist, entonces sus sospechas se confirman.

Hay comportamientos desarrollados por algunas especies de microorganismos que parecen "inteligentes". Y eso parece imposible porque los microorganismos no tienen sistemas nerviosos y mucho menos un cerebro. Así que ¿cómo lo hacen? La explicación parece encontrarse nuevamente en los grandes números. Los microorganismos son muy pequeños pero hay muchos. Denys Bray lo ha definido como el Wetware, o que cada célula sería un minúsculo ordenador que recibe información del ambiente (input) y lo procesa de forma que produce un comportamiento como respuesta (output). Las unidades de procesamiento de este minúsculo ordenador serían las proteínas que realizarían operaciones lógicas a la manera de las que realiza un ordenador electrónico. Los inputs ambientales causarían cambios conformacionales, o agregaciones o modificaciones químicas en las proteínas receptoras y estas a su vez transmitirían esos cambios a las proteínas efectoras que harían que la célula se mueva, contraiga o cambie de forma. Eso es bastante sencillo de hacer para una célula, pero cuando hay millones de ellas suceden cosas bastante llamativas. Aquí van unos cuantos ejemplos:

Colonia de Bacillus subtilis

Comunicación

Las bacterias hablan unas con otras gracias a compuestos químicos. En el caso de Bacillus subtilis, si una gran número de bacterias de dicha especie se encuentra en un lugar con poca comida se comienza a liberar una sustancia que viene a decirles a sus congéneres - Hay poca comida, o nos vamos o nos moriremos de hambre. Así que muchas de ellas comienzan a desplazarse hacia otros lugares para buscar comida, o a esporular, con lo que ya no consumen la poca comida que queda. Eso provoca que la morfología de la colonia cambie.

Toma de decisiones

La percepción de quórum (en inglés quorum sensing) es también un producto de la comunicación química entre bacterias. Pero en este caso le sirve a una bacteria para saber cuántas hay de su propia especie a su alrededor. En el caso de la bacteria Vibrio fischeri, cada individuo libera una pequeña cantidad de N-acilhomoserina lactona (AHL) al medio. La AHL es detectada por otras V. fischeri gracias a unos receptores en su membrana externa. Si hay pocas bacterias, la concentración de AHL es baja y los receptores estimulados son pocos. Si hay muchas bacterias habrá una concentración elevada de AHL. Cuando se alcanza una concentración crítica los receptores estimulados en cada bacteria son muchos y estos activan a LuxR, un factor transcripcional que promueva la síntesis de proteínas para producir bioluminiscencia. Resumiendo, si hay pocas están a oscuras, si hay muchas comienzan a brillar.

Construyendo micro-ciudades

En el blog se ha hablado varias veces de la formación de biofilms. Algunos son simples capas formadas por el amontonamiento y cementación de un sólo tipo de microorganismo. Pero otros llegan a ser complejas comunidades microbianas en las que conviven diferentes especies que cooperan para explotar eficientemente los recursos de su medio ambiente y consiguiendo de paso un refugio que le proteja de amenazas externas.

Cambiar para sobrevivir

Una observación bastante peculiar fue el encontrar que las poblaciones de microorganismos pueden acelerar la velocidad de mutación de sus genes en condiciones de estrés. La estrategia es muy arriesgada y puede definirse como una solución de último recurso. Muchas de las nuevas mutaciones que aparecen son perjudiciales y el microorganismo que las porta desaparece. Pero si por azar aparece una nueva habilidad que permite a un microorganismo sobrevivir, ese microorganismo afortunado será el fundador de una nueva población de microorganismos en dichas condiciones. Hay que recalcar que esto no es una "mutación dirigida". Más bien es que cada miembro de la población compra un número de la lotería de la mutación, y sólo el que gana sobrevive.

Orientación

Muchos microorganismos presenta fototropismo, sobre todo los fotosíntéticos. Y todos ellos presentan quimiotaxis, es decir, si hay un compuesto químico que les gusta como un azúcar, los microorganismos se mueven hacia ese compuesto. Si les disgusta, se alejan lo más rápidamente posible. Hay también micoorganismos que son capaces de sentir el campo magnético terrestre para saber dónde está "arriba" y dónde está "abajo", algo realmente útil cuando tu masa es tan pequeña que el campo gravitatorio terrestre casi no te afecta. Incluso hay hongos mucosos que son capaces de orientarse en un laberinto.

Aprender y memorizar

Un reciente artículo de la revista Nature describe un nuevo ejemplo de como Escherichia coli puede predecir cambios medioambientales y adaptarse a ellos. Esta bacteria tiene su hábitat en el intestino humano. Allí vive calentita y con un suministro de comida diario, lo que le permite reproducirse sin muchos problemas. Bueno, pues generalmente cuando los seres humanos comemos nos gusta que nuestra alimentación sea variada. Así que E. coli se ha adaptado a esa diversidad. Y una cosa que ha aprendido es que cuando hay lactosa en el medio también suele haber maltosa. Cuando E. coli se encuentra con una molécula de lactosa no sólo activa la maquinaria bioquímica para catabolizarla. Para ahorrar tiempo también activa la maquinaria bioquímica de catabolismo de la maltosa.

Un grupo de investigadores de las universidades de Tel-Aviv y de Harvard se les ocurrió ver que pasaba cuando a esas E. coli sólo se les ponía lactosa para comer. Ya vimos en una entrada del blog un ejemplo de condicionamiento con poblaciones de E. coli. En este caso lo que se trataba de encontrar era si las poblaciones que estaban condicionadas por el medio ambiente eran capaces de adaptarse a la nueva situación. Y de hecho después de un tiempo alimentándolas solo con lactosa, dejaban de pre-activar los genes para digerir la maltosa.

Resumiendo, los microorganismos son capaces de comunicarse entre sí, saben construir cosas, no se pierden, resuelven problemas, son capaces de cambiar si las circunstancias cambian y además aprenden. Ciertamente son mucho mejores que los políticos.

Audio en "El podcast del microbio"

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Feliz cumpleaños, Darwin

Pues si, hoy es el 200 aniversario del nacimiento de Charles Robert Darwin, probablemente la figura histórica más conocida en el campo de la Biología.

Son muchos los medios y webs que se han ocupado de hacerle un homenaje así que en lugar de hacer uno más, voy a señalar los que me han llamado la atención.

La cena y la historia de Darwin y Wallace en Esos pequeños bichitos

Los pinzones de Darwin en Google:

La lista completa de los trabajos de Darwin (en inglés)

Su biografía en la Wikipedia

El especial del periódico El Mundo

El especial de la revista Nature (en inglés)

El especial de la revista Science (en inglés)

¿Humano? ¿Quién dijo humano?

El autor de la frase que da título a la entrada corresponde al cangrejo Sebastián, personaje de la película animada "La Sirenita". Pero ciertamente es una pregunta que cabe hacerse cuando uno contempla los recientes avances en genómica.

Hace unos 6 meses comentaba en el blog los esfuerzos que se están llevando a cabo por completar el Microbioma humano, el conjunto de genomas de todos los microorganismos presentes en un ser humano. Ya vimos que tenemos 10 veces más células microbianas que células propias en nuestro organismo. Pero la sorpresa no ha acabado ahí. Los microorganismos están mas íntimamente ligados a nosotros de lo que creíamos.

En el año 2003 se completó la secuenciación del primer borrador del genoma humano. Se descubrió que las 23 parejas de cromosomas tenían un tamaño de 2.860 millones de pares de bases. Para abreviar podemos decir que tenemos 2.860 Megabases (Mb), o 2,86 Gigabases (Gb). Eso quiere decir que tenemos unas 600 veces más DNA que el que contiene la bacteria Escherichia coli. Sin embargo, parece que tenemos unos 27.000 genes, unas 6 veces más que los que codifica el genoma de E. coli. Eso quería decir que o bien que por cada gen había unas 12.000 bases o lo que es lo mismo, 4.000 codones; o bien había mucho DNA que no tenía función alguna. Como nuestras proteínas, a pesar de ser bastante grandes, no tienen 4.000 aminoácidos la opción que queda es la segunda. De hecho esos 27.000 genes están codificados en unas 48 Mb, y si a eso le añadimos las secuencias reguladoras probablemente estemos hablando de unas 60 Mb de DNA con información genética exclusivamente humana. Es decir, basta tan sólo un 2% de todo nuestro genoma para hacer un ser humano completo. Entonces ¿Para qué sirve el 98% restante?

A todo ese DNA sin oficio ni beneficio conocido se le denominó inicialmente con el despectivo nombre de DNA basura (junk DNA). Pero es muy raro que nuestras células gasten un montón de energía y recursos en replicar y perpetuar tal cantidad de material inútil. Así que se empezó a mirar con algo más de detalle. Al analizarlo se ha encontrado que una gran cantidad de ese DNA son copias defectuosas de nuestros propios genes que no son expresadas. También hay una gran cantidad de secuencias repetidas que no se sabe muy bien que es lo que hacen. Y además se ha encontrado que alrededor de unas 200 Mb, un 8% del total, corresponden a secuencias provenientes de virus. Conclusión, en nuestros cromosomas portamos 4 veces más información genética vírica que información genética humana.

Lemur ratón gris (Microcebus murinus) de Madagascar. Recientemente se han encontrado secuencias parecidas a las del retrovirus HIV en su genoma

Y no sólo eso. Dichos genes virales están con en nosotros desde hace mucho tiempo. Tanto que ni siquiera éramos humanos cuando se introdujeron en nuestro DNA. Repasemos brevemente como funciona un virus. En las lecciones de Biología que dimos en la esculea nos contaban que los virus penetran en la célula y toman el control de la misma. Una vez esclavizada la célula sólo se dedica a producir nuevas copias del virus y nada más, por lo que acabamos con una célula muerta y un centenar de copias de nuevos virus. Es lo que se denomina ciclo lítico del virus (de lisis, que significa romper) y es una forma muy eficiente de reproducirse. Lo malo es que matas a la célula hospedadora en el proceso por lo que si se acaban las células ya no puedes seguir reproduciéndote.

Hay otras formas más sibilinas. Si el virus consigue insertar su genoma en el genoma de la célula hospedadora, ya no la mata, pero cada vez que se duplique dicha célula también lo hará el genoma del virus. A veces esto no le sienta nada bien a la célula y se transforma en una célula tumoral que crece sin control (algunos cánceres se originan así). La célula solo se preocupa de multiplicarse y de esta forma el virus a su vez también se multiplica. Pero si el hospedador es un ser pluricelular, y el virus lo que ha causado es un cáncer, al final el hospedador también se muere y con el desaparece el genoma del virus si no ha conseguido saltar a otro hospedador.

Imaginemos otro caso. El virus consigue integrarse en el genoma del hospedador y no le hace daño. Simplemente es como un pasajero que se aprovecha de la maquinaria de replicación del hospedador. Supongamos además que la célula afectada es una célula de la línea germinal, es decir, de las células que darán lugar a la descendencia. Eso quiere decir que el genoma de ese virus pasará de padres a hijos. Eso ha ocurrido con el genoma de algunos retrovirus y por eso reciben el nombre de retrovirus endógenos.

Bueno, pues ese 8% de DNA de origen viral está compuesto por 98.000 retrovirus endógenos y unos 150.000 fragmentos de otros virus que ya no son funcionales. Como era de esperar este proceso no ha parado. Se sigue produciendo. Hay retrovirus endógenos que sólo se dan en determinadas poblaciones, mientras que otros retrovirus endógenos están presentes en todos los seres humanos. O están presentes en todos los primates. Hace 55 millones de años los primates sufrieron una infección por parte de un retrovirus que se estableció en su genoma. Y esto ha sucedido otras veces. Comparando las secuencias de esos retrovirus endógenos podemos llegar a construir un árbol filogenético de los primates, tan válido como el que se construye atendiendo a las secuencias de las globinas.

Árbol filogenético de los primates basado en comparaciones de la secuencia del retrovirus endógeno HERV-K(HML-5). Figura tomada de Lavie et al. 2004

Resumiendo, en nuestro cuerpo hay 10 veces más de microbios que células propias, y en nuestro genoma 4 veces más DNA viral que DNA humano. ¡Y todavía nos hacemos llamar los reyes de la creación!

Auidos en "El podcast del Microbio" 1ª Parte y 2ª Parte

Una bacteria es una bacteria, es una bacteria

Después de un largo paréntesis debido a diversas actividades docentes vuelvo por estos fueros. Aquí va la segunda parte del comentario dedicado a la definición de especie bacteriana.

Debemos recordar que es el ser humano el que pone nombre a las cosas. Y generalmente sólo nombramos aquello que nos interesa. Eso quiere decir que definir una especie es un acto de antropocentrismo puro y duro. Por eso todos los microorganismos que producen enfermedades tienen categoría de especie. Y lo mismo pasa con aquellos que tienen interés para el ser humano, ya sea porque producen queso manchego o porque pueden degradar un plástico. Pero todos aquellos microorganismos que "no hacen nada" generalmente pasan desapercibidos.

Portada del disco de Bob Dylan del año 1979 que incluye la canción Man gave name to all the animals.

Sin embargo las nuevas herramientas de la biología molecular están cambiando el panorama a pasos agigantados. El ser humano ahora es consciente de que existe una enorme multitud de microorganismos en la Biosfera. Claro que el problema no se resuelve dando nombres a todo bicho viviente que encontremos con el microscopio. Si así fuera crearíamos un problema más grande del que tenemos. Hay que recordar que la taxonomía no sólo sirve para dar nombre a las cosas. También sirve para definirlas y clasificarlas. Y para eso hace falta tener un criterio de clasificación.

Actualmente, los taxónomos microbianos intentan clasificar a los microorganismos integrando diferentes clases de datos, tanto fenotípicos (test bioquímicos, composición de lípidos,...), genotípicos (hibridación de DNA), como filogenéticos (secuencias del rRNA). Así por ejemplo se considera que dos microorganismos pertenecen a especies distintas si presentan un porcentaje de hibridación de sus DNAs menor del 70%. Es una técnica muy reproducible y sus datos son bastante consistentes y de hecho está considerada como el patrón de oro cuando se debe de determinar el estatus de especie para un microorganismo. Lo malo de dicha técnica es que es muy complicada, lenta y solo puede realizarse con microorganismos que han sido cultivados en laboratorio porque se requiere una gran cantidad de ellos para extraer su DNA.

Hibridación DNA-DNA. Cuanto mayor sea el parecido entre dos especies menor número de heteroduplex se forman

Es por eso por lo que muchos laboratorios prefieren los datos de secuenciación del rRNA. Es un carácter universal por lo que permite una clasificación en base a la similitud de secuencia. Es una técnica rápida, sencilla y puede utilizarse sobre microorganismos que no han sido cultivados. En ese caso se considera que una identidad menor del 97% indica que son dos especies distintas. Pero también tiene sus inconvenientes. El primero es que la clasificación se basa en un solo gen, por lo que las variaciones en la secuencia debidas al azar pueden ser consideradas muy importantes cuando en realidad pueden no serlo. Asimismo, si ha habido eventos de recombinación o de transferencia genética horizontal, los resultados pueden llevarnos a confusión. Por último, tener el mismo rRNA en dos aislados no significa que sean de la misma especie (ver más abajo).

Está claro que lo mejor es mirar varios genes, pero de forma rápida y sencilla. Hace tiempo los epidemiólogos se dieron cuenta de que necesitaban una herramienta que les permitiese distinguir entre diversas cepas del mismo microorganismo patógeno. Desarrollaron una técnica que se conoce por la siglas MLST por MultiLocus Sequence Typing, o Tipado por Secuencia de MultiLocus. Básicamente consiste en determinar las diferencias que hay en las secuencias entre los "genes ama-de-casa" (housekeeping genes) o genes que se encargan del metabolismo de mantenimiento de la célula. Con ello comparaban aislados microbianos de distintos pacientes. Si dos aislados tienen el mismo perfil genético en el MLST significará que pertenecen a la misma cepa patógena.

La técnica de MLST se ha modificado para aplicarla a la taxonomía bacteriana. Así la identificación es un proceso en dos fases. La primera es la secuenciación del rRNA para asignar a un determinado microorganismo dentro de un género. La segunda fase consiste en determinar la especie utilizando la comparación de genes que son ubicuos dentro de ese género y que además estén en copia única dentro del genoma de dichos microorganismos. Para distinguirla de la técnica usada en epidemiología molecular se la ha bautizado como MLSA por MultiLocus Sequence Analysis.

Un ejemplo de utilización de la técnica MLSA ha sido la diferenciación entre especies del género Burkholderia. La especie B. mallei es un parásito obligado de equinos que produce la enfermedad conocida como muermo. Su pariente, la bacteria saprofita del suelo B. pseudomallei, causa la melioidosis, una enfermedad endémica de Australia y el sur de Asia. Si unorealiza un estudio de hibridación de DNA se encontrará con que la hibridación es mayor del 76%, luego según dicha técnica ambas son la misma especie. En 1998 se aisló una bacteria muy semejante a B. pseudomallei pero que era avirulenta. Se la bautizó como B. thailandensis. Cuando se estudió la secuencia 16S rRNA de estas tres especies se encontró que la identidad era mayor del 99%. Pero la sorpresa saltó cuando se hiceron los estudios de hibridación de DNA. El porcentaje era de 47% lo que indicaba que B. thailandensis era una especie muy diferente de las otras dos. Para resolver el rompecabezas un grupo realizo el MLSA comparando las secuencias internas de siete housekeepings genes. Analizaron varios clones y lo que encontraron fue que todos los aislados de B. mallei eran idénticos y que además se agrupaban con los aislados de B. pseudomallei. Pero todos los aislados de B. thailandensis se agrupaban de forma diferente como una especie completamente distinta. La moraleja es que B. mallei es una especie distinta de B. pseudomallei sólo porque produce una enfermedad diferente, de lo contrario sería considerada como un clon de la misma especie.

Árbol filogenético construido a partir de los datos de MLSA sobre distintos aislados del género Burkholderia. Todos los aislados de B. pseudomallei se agrupan y entre ellos se encuentra B. mallei, (que sería un ecotipo de B. pseudomallei). A su vez todos los aislados de B. thailandensis forman un grupo aparte .

El ejemplo de arriba indica una cosa muy importante. Hay que incorporar la ecología cuando se define una especie. Un patógeno es un ser vivo con una ecología muy especializada. Este es un problema que se encontró el botánico sueco Göte Turesson cuando estudiaba la diferenciación de poblaciones dentro de una misma especie de planta herbácea. Se dio cuenta de que dicha diferenciación tenía una base genética y acuño el término ecotipo. El microbiólogo Frederick M Cohan propuso que el concepto de ecotipo podría servir como base para diferenciar los taxones bacterianos. Los ecotipos serían definidos como poblaciones que presentan una cohesión genética pero una distinción ecológica. B. mallei es un ecotipo de B. pseudomallei que tiene el honor de ser una especie por ser una patógena estricta. Si hubiera sido saprofita habría sido considerada un clon más de B. pseudomallei.

El modelo de ecotipos permite imaginar como evolucionan los microorganismos. Los ecotipos se originan a partir de clones genéticamente idénticos que viven en diferentes hábitats. La especialización ecológica conduciría a la divergencia genética mediante la acumulación de mutaciones adaptativas producidas por eventos de selección. Sería parecido a un arbusto cuyas ramas van creciendo y a las que periódicamente se poda. Sin embargo la cosa no es tan sencilla. Porque en la evolución de los microorganismos hay que tener en cuenta varios factores como son la deriva genética o la transferencia genética horizontal. Aun nos falta información para entender el cuadro, pero estamos algo más cerca.

Modelo de ecotipo estable. Los ecotipos se crea y extinguen a un ritmo lento. Cada ecotipo, rojo o azul, sufre una serie de eventos periódicos de seleccíon (asteriscos) durante su larga historia de divergencia de otros ecotipos. En cada evento de selección el ecotipo mejor adaptado desplaza a los linajes que compiten con él. No es el único modelo de aparición de ecotipos que se ha postulado

Bibliografía en la que está basada esta entrada: Re-evaluating prokaryotic species. Gevers et al. Nature Reviews Microbiology. Vol 3. Sept 2005. Pag: 733-739

Ir a la primera parte: El oficio más antiguo del mundo

El oficio más antiguo del mundo

Si se realizara una encuesta a todos aquellos que estudian algún aspecto de la Biología sobre cual es la disciplina menos atractiva, es muy probable que la Taxonomía ocupe uno de los primeros puestos. Se supone que es un conjunto de reglas para nombrar a los seres vivos, pero dichas reglas no parecen muy intuitivas y para colmo cambian cada cierto tiempo y al final parece que se discute sobre el sexo de los ángeles en lugar de sobre las formas vivas.


Sin embargo, la Taxonomía es el oficio más antiguo del mundo o al menos eso podemos leer en la Biblia, porque tras la creación de los animales se lee:

Génesis 2.20: El hombre puso un nombre a todos los animales domésticos, a todas las aves del cielo y a todos los animales del campo; pero entre ellos no encontró la ayuda adecuada.
Después de la creación de la mujer surgió la anatomía comparada y comenzaron las primeras discusiones taxonómicas, una maldición que aún perdura.

Entrega de certificados de asistencia en el Primer Congreso Mundial de Taxonomía

De todas formas hay que comprender a los taxónomos. Las reglas taxonómicas son el fruto de un convenio entre los científicos, y si hay algo frágil en este mundo es precisamente un convenio científico. Pero ahí no acaba la cosa. La taxonomía trata de clasificar a las especies biológicas. Y esa es la madre del cordero, porque ¿qué es una especie biológica?

Si uno trabaja con animales como hizo Adán la cosa parece sencilla. Un león es un león, un perro es un perro y un ratón es un ratón. Pero la inteligente Eva le hizo notar algo bastante peculiar. Las especies "león", "perro" y "ratón" necesitan de dos individuos, un macho y una hembra, para reproducirse y generar más leones, perros y ratones. Y eso no sólo pasaba con los animales, también con las plantas. Llegamos así a la definición más conocida de especie biológica: grupo de organismos capaces de entrecruzarse y de producir descendencia fértil.

No es una mala definición. Es corta y sencilla. Los problemas vienen cuando uno encuentra seres vivos que no necesitan "entrecruzarse" (bonito eufemismo para referirse al sexo) para producir "descendencia fértil". Hay muchos seres vivos que dejan descendencia mediante la llamada reproducción asexual. Seguramente el lector está pensando en bacterias o en levaduras, pero no hace falta llegar hasta ellas. Cualquier aficionado a la jardinería sabe que muchas plantas de uso agrícola se reproducen de forma asexual.

Eso significa que hay que cambiar o ampliar la definición de "especie biológica", lo que quiere decir que hay que montar un congreso de taxonomía, poner un montón de señores a discutir y después de unos días publicar un acta del congreso donde se describirá el nuevo convenio científico sobre lo que es una especie biológica. Según el libro "Brock. Biología de los microorganismos", una especie microbiológica es una colección de cepas que comparten un gran número de propiedades importantes pero difieren en una o más propiedades significativas de otras colecciones de cepas. Siendo sinceros a mi no me parece ni corta ni sencilla, pero es lo que hay.

Y ahora viene la parte más divertida. Podría pensarse que un taxónomo es como un bibliotecario o como el encargado de un vídeo-club. El taxónomo clasifica seres vivos como el librero clasifica libros o el encargado del vídeo-club, películas. Pero hay una diferencia fundamental entre el primero y los otros dos. Los seres vivos evolucionan, cambian en el tiempo.

Uno puede pensar que lo mismo ocurre con los libros y las películas. Antes las películas se alquilaban en formato de video y ahora sólo hay DVD, dentro de poco serán en Blu-ray. Pero lo que ha cambiado es el soporte, no la información. En los seres vivos, la evolución significa cambio en la información. Y si cambia lo información significa que esa "especie" se ha transformado en "otra especie". Para hacernos una idea, el cambio evolutivo biológico es como si en una biblioteca tenemos un ejemplar de "El Quijote" y tras pasar un tiempo ese libro se ha transformado y ha pasado de ser una novela a un tratado sobre las costumbres populares de la Mancha. Imaginemos la desesperación del bibliotecario cuando tenga que clasificarlo.

El caso es que algo similar está ocurriendo con el concepto de "especie" en el campo de la microbiología. Podría decirse que debido a los tiempos de generación tan cortos de los microorganismos se están dando cambios evolutivos en tiempo real. En la entrada dedicada a los experimentos de Richard Lenski ya vimos que se había detectado el cambio evolutivo en una población bacteriana estudiada continuamente durante 19 años. Si hacemos una pequeña extrapolación e imaginamos que el experimento de Lenski hubiese comenzado en 1885, año en el que fue aislada y descrita la bacteria Escherichia coli, la cepa evolucionada habría sufrido al menos 6 cambios importantes con respecto a la cepa parental. Pueden parecer pocos, pero ahora consideremos esto:

Este es el perfil de reacciones diagnósticas para diferenciar al género Escherichia del género Enterobacter.

Si nos fijamos, la diferencia entre ambos géneros se reduce a las seis pruebas señaladas en negrita. Es evidente que las diferencias entre esos dos géneros son mayores que tan sólo estos seis cambios, pero también es cierto que cualquier microbiólogo consideraría que estaría ante dos especies distintas si encontrara esas seis diferencias entre dos cepas de bacterias.

Pero lo que ha acabado de dar la puntilla al concepto de especie ha sido la aplicación de las técnicas moleculares en la Ecología Microbiana. Tema que será desarrollado en el siguiente comentario del blog.

Ir a la Segunda Parte: Una bacteria es una bacteria, es una bacteria.

División se escribe sin Z

autores: Manuel Sánchez y Miguel Vicente

Desde la rueda hasta la turbina la humanidad se ha inventado un buen número de máquinas para realizar trabajos mecánicos muy diversos, por lo que parece natural que la misma función, como impulsar un coche, pueda hacerse con motores de diseños muy diferentes. También en las distintas células se puede hacer una misma función utilizando maquinarias de diferentes diseños. Así como la mayoría de los coches utilizan un motor de gasolina, la mayoría de los microbios y muchos orgánulos como los cloroplastos, para llevar a cabo la división en dos, utilizan un elemento común, la proteína FtsZ.

Distribución filogénetica simplificada de la proteína FtsZ.
Esta proteína es imprescindible para la división celular de un gran número de bacterias, arqueas y orgánulos.

Sin embargo hay vehículos que en vez de un motor de gasolina usan un motor eléctrico o incluso una caldera a vapor como las locomotoras. De hecho hay microbios que prescinden por completo de FtsZ y utilizan otro sistema para realizar su división. Ya se sabía que algunos parásitos intracelulares, como Chlamydia, carecen de dicha proteína. ahora se les une un importante grupo de arqueas, las Crenarchaeotas a las que pertenece Sulfolobus acidocaldarius, la especie en la que se ha hecho el descubrimiento.

Un hogar muy especial.

El jardín de las delicias de Sulfolobus acidocaldarius para nosotros sería mas bien un infierno, casi hirviendo a 80ºC y bastante ácido a pH 2. Su hogar, en las solfataras, se asemeja asombrosamente a las calderas de Pedro Botero ilustradas en el Hortus deliciarum, un manuscrito medieval compilado por Herrad def Landsberg entre 1167 y 1185.

¿Qué es y qué hace FtsZ?
FtsZ es una proteína con estructura y propiedades muy parecidas a la Tubulina, la proteína que en las células eucariotas como las humanas, forma los microtúbulos del citoesqueleto. Estos microtúbulos son los encargados de procesos tan importantes como el tráfico de vesículas por el citoplasma y del reparto de los cromososmas durante la mitosis. En la división de bacterias y de orgánulos de origen bacteriano, FtsZ se coloca en el centro de la célula y dirige el ensamblaje de todos los componentes que integran un anillo que ejecuta la constricción de la membrana celular. FtsZ es una proteína esencial, es decir que si una bacteria no la puede producir queda condenada a crecer sin poder dividirse, lo mismo que le ocurre a un cloroplasto privado de ella.

Estructura tridimensional de FtsZ y Tubulina.

Pese a que funcionan en procesos diferentes, las dos proteínas tienen una gran similitud estructural, que reside no tanto en los aminoácidos que componen sus secuencias, sino en el tipo de estructuras en hélice y lámina que adoptan.

¿Cómo lo hacen algunas arqueas?
Ahora mismo se reconoce que los microorganismos pertenecientes al Dominio Archaea están divididos en dos tipos distintos o phyla: Crenarchaeota y Euryarchaeota, aunque es probable que dentro de poco haya más tipos. Los euryarqueotas incluyen a los metanógenos y a las arqueas de ambientes hipersalinos mientras que los crenarqueotas son microorganismos termófilos e hipertermófilos. Pues bien, sólo los euryarqueotas parecían utilizar un mecanismo de división celular basado en el anillo contráctil de la proteína FtsZ. Es el caso de la arquea halófila Haloferax volcanii.


La división sin Z.
Por eso resultaba chocante no encontrar FtsZ, o algo muy similar, en las crenarqueas. Un grupo de investigadores de la Universidad de Uppsala, ha resuelto ahora este enigma: las crenarqueas sin FtsZ, han montado su maquinaria de división basándose en proteínas por completo diferentes a las de las bacterias y a las de sus primas las euryarqueas. Estas proteínas muestran homología con un tipo de proteínas eucariotas. La sorpresa es que no se parecen para nada a la Tubulina, y tampoco a la actina o la miosina, proteínas que participan en la división de eucariotas. Se parecen a las proteínas involucradas en la formación de vesículas endosomales a partir del retículo endoplasmático, o en la liberación de virus como el VIH.

Rolf Bernander y sus colaboradores han identificado tres proteínas de Sulfolobus acidocaldarius, denominadas CdvA, CdvB y CdvC, que se producen en el momento correcto en el que se predice comienza la división. Además, y como ocurre con varias de las proteínas que las bacterias utilizan para dividirse, los genes que las codifican están pegados en el mismo lugar del genoma.

Se les ha llamado operón cdv, un acrónimo de "celular-división". Dentro del trío, las proteínas CdvB y CdvC, son las que tienen homología con las proteínas eucariotas del complejo ESCRT-III. Dicho complejo forma vesículas en el lumen de las vesículas endosomales por un proceso conocido como “círculos concéntricos”. Si nos paramos un momento a pensar, crear una vesícula es algo parecido a una división celular por gemación. El tercer gen, cdvA, tiene la información para formar una proteína que se parece a otras proteínas del citoesqueleto eucariótico distintas a la Tubulina.

Parientes lejanos

En el esquema de la izquierda se representan las fases finales de la división de Sulfolobus acidocaldarius. Tras la replicación y segregación de los cromosomas se forma una constricción en el centro de la célula. Se ha observado que las proteínas Cdv se disponen en esa zona central y una hipótesis plausible es que intervienen activamente en dicha constricción. A la derecha se muestra el proceso de formación de vesículas endosomales en las rutas de procesamiento de los receptores de membrana de las células eucariotas. Dichos receptores son internalizados en la célula mediante una invaginación de la membrana plasmática formando una vesícula, la cual une a otras semejantes formando una vesícula más grande llamada endosoma. El endosoma sufre a su vez nuevas invaginaciones, liberándose pequeñas vesículas en su interior. Es en esa segunda invaginación donde están involucradas las proteínas pertenecientes al complejo ESCRT-III (etapas 1, 2 y 3). El resultado es que se forma una gran vesícula llena a su vez de vesiculitas conocida como cuerpo multivesicular, que acaba fusionándose con un lisosoma para la degradación de su contenido.

La expresión de los tres genes está regulada por un puesto de control, lo que en inglés se llama un "checkpoint", pues no se inducen hasta que no comienza la segregación de los cromosomas. Si algo va mal en la replicación del DNA, por ejemplo tras la irradiación con luz ultravioleta, se inhibe la producción de dichas proteínas y se frena la división. También cesan de producirse cuando Sulfolobus no precisa dividirse, ya sea porque deja de crecer, se le inhibe con antibióticos que bloquean la división, o se le impide la división por medio de mutaciones.

Ni C ni Z, para nosotros división se escribe con S.
Resumiendo, los crenoarqueotas no poseen la exclusividad sobre su mecanismo de división celular. Lo que hacen es usar de forma distinta un mecanismo que los eucariotas conservan, pero dedican a otra función. Evidentemente eso tiene una serie de implicaciones filogenéticas. Si nos centramos en la filogenia vista desde el mundo de las arqueas, la primera divergencia se cree que ocurrió entre el linaje arquea/eucariota y el linaje bacteriano. Luego debió ocurrir la divergencia entre arqueas y eucariotas y finalmente la divergencia entre euryarqueotas y crenarqueotas. Estos resultados parecen indicar que el mecanismo de división basado en FtsZ es más antiguo, pero que quizás coexisitese con el mecanismo basado en CdvB y CdvC. Cuando sucedió la divergencia entre los euryarqueotas y los crenoarqueotas, los primeros continuaron con FtsZ y los segundos adoptaron el otro sistema. Los eucariotas sin embargo desarrollaron otro sistema de división celular y dejaron el sistema homólogo a Cdv para utilizarlo en la formación de vesículas, y a la heredera de FtsZ, la Tubulina, la colocaron en su citoesqueleto para llevar cosas, entre ellas los cromosomas, de un lado a otro de la célula.

Resulta muy interesante comprobar que en los organismos procariotas ambos mecanismos de división parecen excluirse entre si. Por un lado tendríamos el mecanismo de las bacterias, y euryarqueas que utilizan FtsZ. Por otro el que utilizan las creanarqueas, basado en las proteínas Cdv. Es decir, unas tienen motores de explosión y otras motores eléctricos. Pero parece que también existen los microorganismos, un grupo de crenarqueas y Thermoplasma acidophilum, una especie de euryarquea, que como los coches híbridos pueden funcionar con motor de explosión o eléctrico pues contienen tanto proteínas Cdv como FtsZ. Pero lo más chocante es que hay un tercer grupo de crenarqueas que no tienen ni proteínas Cdv ni FtsZ. ¿Usarán una turbina?

¿Eliges FtsZ o Cdv?

La distribución filogenética de los genes de división en arqueas indica que no es frecuente el caso en el que existen a la vez las proteínas Cdv y FtsZ. Los recuadros negros indican presencia de los genes, los números se refieren a los grupos filogenéticos a los que pertenece cada especie representada. Tomado del trabajo comentado.

REFERENCIA:
A-C. Lindås, E.A. Karlsson, M.T. Lindgren, T.J.G. Ettema, and R. Bernander. 2008. A unique cell division machinery in the Archaea. Proc Natl Acad Sci USA.

NOTA DE LOS AUTORES
Este artículo se publica simultáneamente en los dos foros administrados por cada uno de los dos autores, esta iniciativa es de esperar que anime al público de cada uno a visitar el otro para obtener una visión más amplia de las "curiosidades de esos pequeños bichitos ".


Este artículo ha sido traducido al inglés y publicado en el blog "Small Things Considered"

En busca de la Arquea perdida

Cuando uno abre un libro de microbiología básica como el Brock o el Prescott una de las primeras cosas que se encuentra es el conocido como "árbol filogenético de la vida". Es un árbol con tres ramas o Dominios. Suele estar construido en base a los parecidos entre las secuencias de los genes que codifican para el 16S rRNA. A mayor parecido entre las secuencias, mayor parentesco entre las diferentes formas vivas. De las tres ramas, dos son procariotas y una es eucariota. Dentro de la rama eucariota o Dominio Eukarya, estamos incluidos los seres humanos, acompañados de todos los animales, todas las plantas, los hongos y los protozoos. Pueden parecer formas de vida muy diversas, pero todas tienen algo en común. Todas las células eucariotas tienen núcleo.

Árbol filogenético de la vida. Las ramas coloreadas de rojo indica que dichos microorganismos son termófilos.

Las células procarióticas no tienen núcleo. Y hay dos tipos, el Dominio Bacteria y el Dominio Archaea. Dentro del primero están unas cuantas conocidas para los asiduos del blog como son Escherichia coli, Bacillus subtilis, Klebsiella pneumoniae, etc. En el segundo están incluidos microorganimos tan interesantes como Halobacterium salinarum o Sulfolobus acidocaldarius. Generalmente a las arqueas se las conoce por su asombrosa capacidad de sobrevivir en ambientes que no parecen adecuados para la vida. H. salinarum tiene su hábitat en las salinas con concentraciones de sal cercanas a la saturación. S. acidocaldarius vive feliz en fuentes hidrotermales con temperaturas de 80º C y a pH de 3. Pero hay que avisar que también existen arqueas que viven en hábitats más normales.

Arbol filogenético del Dominio Archaea.

Si uno mira con más detalle la rama que corresponde al Dominio Archaea verá que está dividida en tres subramas o phylum. Una de ellas se llama Crenarchaeota y en ella se incluyen las arqueas termófilas como Sulfolobus. Otra se llama Euryarchaeota y en ella encontramos a los halófilos como Halobacterium y también a las llamadas arqueas metanógenas como el género Methanobacterium. Estas arqueas son microorganismos anaerobios estrictos responsables de toda la producción de metano de origen biogénico. La tercera rama recibe el nombre de Korarchaetoa y lo más curioso es que no contiene ningún nombre que identifique a un microorganismo. Tan sólo contiene unos números.

El lugar donde crecen las korarqueas. La Obsydian pool en el parque de Yellowstone.

Eso es debido a que dicho phylum había sido descrito en base a los resultados de secuencias de rRNA extraídas de una comunidad microbiana que habita en el "Estanque de Obsidiana" que se encuentra en el parque Yellowstone. Los números corresponden a la identificación de dichas secuencias en una base de datos. Pero no se había podido asociar dichas secuencias con un microorganismo particular. Hasta ahora.

El pasado junio se publicó un artículo en el que se describía la secuenciación del genoma del primer microorganismo perteneciente a los korarqueas. Se le ha bautizado con el nombre de Korarchaeum cryptofilum. Todavía tiene el status de "candidatus" pero probablemente será reconocido como especie dentro de poco. Para conseguir identificarlo los investigadores han seguido la técnica del cultivo de enriquecimiento. Tomaron un poco de sedimento del Estanque de Obsidiana y durante 4 años lo incubaron en medio líquido con nutrientes muy limitados, en anaerobiosis a 85º C y a pH=6'5. Tras esos 4 años han conseguido una comunidad estable de microorganismos. Mediante la utilización de la técnica FISH usando como sonda una secuencia que se emparejaba con el gen que codifica para el 16S rRNA de los korarqueas. Observaron que la sonda hibridaba con unos filamentos muy delgados y largos.

Imágenes mostrando a Korarchaeum cryptofilum.
A: Tinción mediante la técnica de FISH. La célula muestra ondulaciones debido a un artefacto de la técnica.
B: Microfotografía en contraste de fase.
C: Microfotografía por microcopia electrónica de barrido.
D: detalle de la capa S.

El genoma de K. cryptofilum contiene 1,59 Mb y codifica para 1.617 proteínas. El 85% de estas secuencias tiene parecido con otras secuencias parecidas de arqueas. Al parecer el microorganismo puede conseguir energía y carbono a partir de la fermentación de péptidos. Aunque a primera vista parece que este microorganismo está cercano a las crenarqueas, al parecer otros sistemas celulares como la replicación del DNA, la división celular basada en la proteína FtsZ, o la maduración de tRNA le hacen tener un mayor parentesco con las euryarqueas. Asimismo se han encontrado varios elementos genéticos móviles, por lo que los investigadores no descartan que la mezcla de caracteres que presenta K. cryptofilum pueda ser debida en parte a procesos de Transferencia Genética Horizontal (procesos HGT).

¿Y qué importancia tiene el estudio de un microorganismo que vive en una fuente termal de Norteamérica? De nuevo tenemos que echar un vistazo al árbol filogenético. La rama que da lugar al phylum Korarchaeota es una rama que está muy próxima a la base del árbol. Eso quiere decir que K. cryptofilum es uno de los parientes más cercanos a las primeras formas de vida de este planeta. De hecho, todos los microorganismos termófilos, sean bacterias o arqueas, son los que más próximos están a la base del árbol lo que apoya la hipótesis de que la vida debió nacer en un ambiente con temperatura media elevada. Luego conocer su biología nos permitirá a su vez un mejor conocimiento de como pudo surgir y evolucionar la vida.

Y es que a veces descubrir un enigma conduce a nuevos enigmas por esclarecer.

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Intraterrestres (2ª parte)

El volcán Snæfells, lugar donde Julio Verne situó la entrada al centro de la Tierra

Hace unos meses dedique una entrada en el blog a los microorganismos presentes en las rocas basálticas formadas en las dorsales oceánicas. Pero la corteza terrestre sigue deparándonos sorpresas. En el último número de la revista Science se publica un estudio realizado por un conjunto de diversos grupos científicos sobre el hallazgo de una nueva bacteria quimiolitotrofa en una mina de oro sudafricana.

Agujero de perforación en una mina de oro sudafricana. El precipitado negro es sulfuro de hierro producido por la actividad metabólica de los microorganismos reductores de sulfato. La corrosión observada es debida a los microorganismos oxidadores de hierro y azufre.

Microbiólogos en el interior de una mina de oro sudafricana en plena toma de muestras

La fiebre del oro ha llevado al ser humano a realizar grandes esfuerzos en la búsqueda del vil, pero muy deseado, metal. En el caso de Sudáfrica se han llegado a excavar minas de hasta 5 kilómetros de profundidad. Al excavar dichos pozos se producen fracturas en las rocas o se realizan agujeros de perforación por las que el agua suele manar. Estas minas son un paraíso para los geólogos pues les permite acceder a sedimentos profundos formados hace más de 40 millones de años. Pero también se han convertido en un paraíso para los microbiólogos. Resulta que el agua que fluye por esos sedimentos arrastra consigo a microorganismos. Y esos microorganismos son los descendientes de aquellos microorganismos que se depositaron inicialmente sobre dichos sedimentos hace precisamente 40 millones de años.

Gracias a los análisis del 16S rRNA se ha llegado a evaluar la biodiversidad de dichas profundidades. Hasta ahora parece haber al menos unas 324 Unidades Taxonómicas Operacionales (OTUs) nuevas de las que 280 corresponden a bacterias y 44 a arqueas. Lo de Unidad Taxonómica Operacional quiere decir que se ha encontrado un nuevo 16S rRNA, pero no se ha podido aislar el microorganismo al que pertenece dicho rRNA. Hasta ahora sólo se han conseguido aislar 12 bacterias y 1 arquea metanógena de dichas profundidades.

El caso es que este grupo ha analizado el agua de una de esas fracturas localizada a 2'8 kilómetros de profundidad en una mina de oro. Y lo que han encontrado es un sólo tipo de 16S rRNA, Eso quiere decir que ese ácido nucleico pertenece tan sólo a una especie de microorganismo y por lo tanto ese agua que mana de dicha fractura es un cultivo puro natural. Al analizar dicho rRNA se han encontrado que pertenece a la clase de los clostridios, bacterias Gram positivas anaeróbias estrictas, en concreto a la familia de los Pectococacceae. Desgraciadamente no se ha podido aislar y crecer dicha bacteria en el laboratorio, pero como resulta que en ese agua sólo está esa bacteria como si fuera un cultivo puro, los investigadores han conseguido secuenciar gran parte de su genoma y han postulado un nombre (en jerga taxonómica Candidatus) para dicha bacteria: Desulforudis audaxviator.

Candidatus Desulforudis audaxviator

¿Y por qué ese nombre? Pues ellos mismos lo explican en el material suplementario del artículo.

La forma bacilar y el metabolismo energético basado en la reducción desasimilatoria del azufre es lo que da nombre al género: Desulforudis.

Estas propiedades y algunas más se conocen gracias al estudio de su genoma. Se sabe que es una bacteria flagelada, endoesporulada, que es capaz de reducir el sulfato, es termófila (60º C), alcalófila (pH = 9,8) y quimiolitotrofa. Puede asimilar amonio, fijar nitrógeno gracias a una nitrogenasa y fijar carbono por la Ruta de la Aceti-CoA, y eso lo hace gracias a que tiene una maquinaria molecular que es muy parecida a la de algunas arqueas. Esto parece indicar que esta bacteria ha conseguido adaptarse a este estilo de vida adquiriendo por alguna forma de transmisión horizontal dicha información genética. El hecho de estar ella sola indica que estamos delante de un ejemplo de ecosistema formado por un sólo tipo de ser vivo.

¿Y cuál es la fuente de energía? Por el análisis del genoma se sabe que el sulfato es el aceptor de electrones por lo que se produce Sulfuro de Hidrógeno (H2S) como desecho. Este compuesto reacciona con el hierro formando precipitados negros de Sulfuro de Hierro. Pero falta la otra parte de la ecuación: el donador de electrones. A una profundidad de 2,8 kilómetros no es que haya muchas sustancias reducidas que sean fácilmente asimilables por un ser vivo, a menos que la radiactividad nos eche una mano.

Resulta que la desintegración de los elementos radiactivos presentes en cualquier sustrato geológico puede provocar la radiohidrólisis del agua liberándose iones hidroxilos (OH-) y protones (H+). Los iones hidroxilos pueden reaccionar con la pirita o con otros minerales dando lugar a compuestos oxidados. Pero los protones pueden ser aprovechados por la ATPasa de membrana o combinarse entre sí formando Hidrógeno (H2). Y el hidrógeno puede ser aprovechado por una Hidrogenasa. En ambos casos tenemos un donador de electrones y por lo tanto energía para la célula.

Una vez bautizado el género faltaba el nombre de la especie. Para ello se basaron en la obra "Viaje al centro de la Tierra" de Julio Verne. En un determinado momento los exploradores describen un mensaje cifrado en el que se lee:

In Sneffels Joculis craterem quem delibat Umbra Scartaris Julii intra calendas descende, audax viator, et terrestre centrum attinges.

Y cuya traducción sería: "Desciende intrépido viajero, en el cráter del glaciar Sneffel tocado por la sombra de Scartaris antes de las calendas de julio y llegarás al centro de la Tierra"


D. audaxviator comenzó su audaz viaje hacia las profundidades hace 40 millones de años, en pleno Eoceno, cuando se originó la cordillera del Himalaya y el linaje de las ballenas acababa de nacer.

La Tierra hace 40 millones de años, en pleno Eoceno

Audio en "El podcast del microbio"
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Microbe Kombat

Soy de la opinión de que la mejor forma de enseñar una cosa es hacerla divertida. Desgraciadamente a veces eso no es tan fácil. Creo que nadie ha encontrado la forma de que el metabolismo bacteriano aparezca en un monólogo del "Club de la comedia".

Pero hay otros conceptos de la Biología que tienen más éxito cuando son adaptados a un aspecto lúdico. Quizás el que más éxito ha tenido es el de la Evolución de las Especies y la competencia entre las mismas. Solo hay que ver lo que ocurrió con el videojuego "Pokemon" para darse cuenta de ello. Unos monstruitos de bolsillo que evolucionan consiguiendo nuevas habilidades y compitiendo con otros monstruitos. Recientemente ha llegado a los mercados el nuevo videojuego "Spore", que parece una versión actualizada del "Simlife". En este tipo de juegos debemos de hacer evolucionar la vida sobre un planeta. Generalmente comenzamos como un ser vivo microscópico que poco a poco va evolucionando y ganando habilidades hasta que llegamos a desarrollar una forma de vida inteligente que comenzará a colonizar otros planetas. No he tenido la ocasión de jugar al "Spore", pero si puedo decir que el "Simlife" era medianamente entretenido.

Pantalla del juego Simlife (1992)

El lado bueno de estos juegos es que nos enseñan de manera dinámica diversos conceptos de la evolución y la ecología, como pueden ser el cambio genético, la competencia por los recursos, el cambio medioambiental que produce cualquier ser vivo por su propia actividad. Recuerdo que en el "Simlife" uno de los principales objetivos era desarrollar la fotosíntesis oxigénica para que así pudiera haber seres pluricelulares. Si no lo conseguías, no había seres pluricelulares y por lo tanto no se desarrollaba la inteligencia.

Evolución de los videojuegos. Video de presentación de Spore (2008)

Sin embargo, estos juegos también tienen un defecto común: hay muy poco sitio para la "contingencia". Estos juegos son el mejor simulador de evolución biológica mediante el "Diseño Inteligente", si tal hipótesis fuera cierta. Porque en "Spore" el jugador es un dios que dirige la evolución de las especies. Y normalmente el objetivo de conseguir la inteligencia es una "necesidad". Algo que se pega de patadas con la Teoría de la Evolución actual en la que el desarrollo de la inteligencia se considera producto del azar. En palabras de Jacques Monod: la Naturaleza no tiene ninguna intención ni ningún objetivo.

Sin embargo de vez en cuando te puedes encontrar juegos que simulan bastante bien lo que debe de "sentir" un ser vivo cuando compite por los recursos. Es el caso de "Microbe Kombat". Aquí no se trata de evolucionar. Se trata de sobrevivir. Y la supervivencia es el primer requisito de la evolución. En el juego, el jugador es un microbio que debe de comer para hacerse más grande y reproducirse. Lo malo es que hay otro microbio que "piensa" lo mismo por lo que debes de competir contra él. Y no sólo por los recursos, también puedes convertirte en su depredador o en su presa. Y para hacer las cosas aun más entretenidas, también hay virus que pueden matar a ambos.

El juego es muy simple y los gráficos muy sencillitos, pero es mucho más difícil de lo que parece a primera vista. No en vano, en la vida real las reglas pueden ser sencillas y el resultado ser muy complicado.

A pasarlo bien.

Úlceras precolombinas

Momias precolombinas (fuente: El Mundo)

Cuando uno lee algún texto sobre la colonización de las Américas por los europeos enseguida se topa con algún párrafo dedicado a las enfermedades transmitidas desde el viejo continente al nuevo, destacando sobre todas ellas a la viruela. Sin embargo desde hace tiempo se sospecha que más de una enfermedad ya estaba allí y que incluso realizó el camino inverso. Parece que ahora le ha llegado el turno a las úlceras de estómago.

En el año 1983 los microbiólogos Robin Warren y Barry Marshal postularon que la bacteria Helicobacter pylori era la principal causa de las úlceras gástricas. La comunidad médica no les creyó, así que llevaron a cabo una serie de experimentos para demostrar que H. pylori cumplía los famosos postulados de Koch. Para demostrar el tercer postulado, Barry Marshal se bebió un cultivo de H. pylori y a los diez días había desarrollado una úlcera. En el año 2005 Robin Warren y Barry Marshal recibieron el premio Nobel de Medicina.

Helicobacter pylori

El caso es que desde que se demostró que H. pylori era un patógeno más, aparecieron algunos artículos indicando que dicha bacteria había sido llevada al Nuevo Mundo por los conquistadores. H. pylori es un parásito y por lo tanto tiene una estrecha relación con su hospedador, tanta que ha co-evolucionado con el. Si uno analiza los genes responsables de la patogenicidad de dicha bacteria encontrará que hay cinco tipos distintos. Lo que se encontró es que el llamado Tipo 1 era muy frecuente en España y en Latinoamérica, pero también en los Estados Unidos. El tipo II era el más frecuente en China y Japón. El estudio utilizaba 43 cepas europeas: 33 españolas, 7 suecas y 3 lituanas, lo que me hace preguntarme el papel de los franceses, ingleses, irlandeses, portugueses, italianos y alemanes en la colonización de América. Posteriormente aparecieron otros estudios genéticos que indicaban que H. pylori estaba presente en las poblaciones americanas antes de la llegada de Colón.

Ahora un grupo de la Universidad Autónoma Nacional de México parece que ha aclarado algo más las cosas. Han cogido muestras de tejido de unas momias precolombinas de 700 años de antigüedad. Los tejidos muestreados fueron el estómago, el paladar y el cerebro. Estos dos últimos eran controles negativos, porque H. pylori nunca se encuentra en ellos. Mediante PCR han encontrado DNA de H. pylori solamente en las muestras gástricas.

Supongo que el estudio se repetirá con otras momias y si se confirma, entonces se podrá afirmar que H. pylori ya había llegado a las Américas antes de Colón.

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El Test de Fluctuación. Un experimento simple, sencillo y elegante

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El siguiente comentario no es mío. Pertenece al estupendo blog "The evilutionary biologist" escrito por John Dennehy, pero me ha parecido tan interesante que lo he traducido. Tiene mucho que ver con una entrada reciente, la dedicada a los experimentos sobre la evolución de Richard Lenski.

La cita clásica de la semana. El Test de Fluctuación.

Max Delbruck, Salvador Luria, and Frank Exner en el Cold Spring Harbor Laboratory.

Fuente: National Library of Medicine.

Artículo Original:

Luria S. and Delbruck M. 1943. Mutations of bacteria from virus sensitivity to virus resistance. Genetics 8: 491.

La cita clásica de la semana está dedicada a los premios Nóbel Salvador Luria y Max Delbruck y es uno de los más famosos experimentos de la Biología. Luria y Delbruck se preguntaban sobre la naturaleza de las mutaciones. ¿Eran espontáneas? O por el contrario ¿ocurrían en respuesta a las condiciones ambientales? Este último punto de vista, común en algunos científicos actuales (p. ej. Cyril Hinshelwood), fue uno de los últimos vestigios del Lamarckismo en la biología evolutiva.


Desde la época de d'Herelle, se sabe que un cultivo de bacterias expuestas a la acción de un virus bacteriófago va perdidendo turbidez y clarificándose, como si todas las bacterias en dicho cultivo estuvieran muriendo (de hecho eso es lo que pasa). Sin embargo, algunas veces el cultivo vuelve a crecer y la turbidez reaparece. Se asumió que la bacteria adquiría una resistencia a la acción del fago y que era capaz de repoblar el cultivo. La pregunta era ¿cómo podía utilizarse dicho sistema para demostrar el papel del azar en las mutaciones?


Luria estuvo cavilando sobre el problema durante varios meses, intentando diseñar un experimento que demostrase si las mutaciones eran espontáneas o no. Entonces, en el transcurso de la celebración de un baile en la Universidad de Indiana, Luria tuvo su "momento eureka".

Durante una pausa de la música, me encontré observando a un colega que estaba echando monedas en una máquina tragaperras. A pesar de que perdía la mayor parte de las veces, ocasionalmente ganaba alguna moneda. Como no me gustan las apuestas, le sermoneé sobre la inevitabilidad de que iba a perder más dinero del que iba a ganar cuando de repente consiguió un pleno... recogió sus ganancias, me dirigió una mirada desafiante y se fue. En ese momento comencé a pensar sobre la numerología de las máquinas tragaperras. Al hacerlo me di cuenta de que las tragaperras y las mutaciones bacterianas tenían algo en común. (Extracto de la autobiografía de Luria: " Máquinas tragaperras y tubos de ensayo rotos")


Luria volvió a su laboratorio y preparó un gran número de cultivos bacterianos conteniendo cada uno de ellos una pequeña cantidad de inóculo. A cada uno de dichos cultivos le añadió un inóculo de bacteriófago (ver más abajo un esquema explicativo del experimento). Luria razonó de la siguiente forma: si las mutaciones se producían de manera dirigida como respuesta a la presencia del fago, tal y como el Lamarquismo supone, entonces el número de bacterias supervivientes debería ser muy parecido entre los cultivos, pues todos ellos producirían mutantes resistentes en pequeño número (Panel superior de la figura 1). Si por el contrario las mutaciones eran espontáneas, entonces su distribución sería al azar y serían semejantes a acertar un pleno en una máquina tragaperras. En ese caso, el número de bacterias supervivientes debería ser pequeño en la mayoría de los cúltivos, pero en algunos pocos cultivos dicho número de supervivientes debería ser grande (Panel inferior de la figura 1).

Figura 1: Resultados esperables en el caso de que la mutación fuera dirigida (caracter post-adaptativo) por un cambio ambiental, o si fuera espontánea (caracter pre-adaptativo). El cambio ambiental en el experimento de Luria y Delbruck consistía en la adición de un virus bacteriófago (línea de puntos). En rojo se indican las bacterias resistentes. En el caso de que la mutación fuera como una adaptación fisiológica (arriba) las medias y la varianza son muy parecidas. Si la mutación es al azar (abajo) las medias y varianzas son muy desiguales

Debajo se muestra la figura 2 del artículo original de Luria y Delbruck. En ella puede verse que el número de "plenos" (>9 resistant bacteria) es mayor que el esperado. Los experimentos de Luria y Delbruck demostraron inequivocamente que las mutaciones eran espontáneas y mostraron la importancia del papel del azar y de la historia de un ser vivo en la biología evolutiva clavando el último clavo en el ataud del lamarquismo (*).

La razón por la que se ha seleccionado el Test de Fluctuación como la cita clásica de la semana es por un reciente intercambio de impresiones con Rich Lenski de las que parte de ellas son reproducidas a continuación.

Siempre me ha fascinado la tensión entre el azar y la necesidad, entre la suerte y la repetibilidad. De niño adoraba los juegos con dados y cartas que requerían suerte y habilidad al mismo tiempo. Posteriormente, cuando asistí al Oberlin College, me matriculé en un maravilloso curso en el que el libro de texto utilizado era el libro "Molecular Genetics: an Introductory Narrative" de Gunther Stent. Al contrario que otros libros de ciencia, este se centraba en la historia de quién hacia un experimento y porqué lo hacia. Recuerdo la lectura sobre el "test de Fluctuación" desarrollado por Salvador Luria y Max Delbruck y como trataban de darle sentido y de repente teniendo aquel "momento eureka" cuando todo el experimento cobró sentido ante mi. Es mi experimento favorito de todos los tiempos, y hasta el día de hoy, cuando pienso en él, aun me maravillo no solo por su elegancia, sino también por la sutileza de la onterpretación y por la apreciación del porqué de la dificultad del problema hasta que ellos realizaron el experimento. Como bien sabes, uno de los puntos principales del Experimento de Evolución a Largo Plazo con E. coli es entender la repetibilidad de la evolución que surge de la tensión entre mutación al azar por un lado y el proceso sistemático de la selección natural por el otro lado. Esto empuja a las poblaciones hacia una mayor aptitud (fitness) en los ambientes en los que ellas viven. Luego, en un cierto sentido, uno puede pensar que mi Experimento de Evolución a Largo Plazo es un descendiente del Test de Fluctuación. Un descenciente que examina el papel de la mutación al azar en producir variación estadisticamente cuantificable entre linajes replicados, no en cultivos overnight (**), sino entre cultivos con más de 40.000 generaciones de evolución separada.


Es precisamente esta azarosidad de la evolución la que ha conducido a Lenski y sus colegas a su último descubrimiento, en el que tras 33127 generaciones, una cepa de E. coli ha evolucionado y ahora es capaz de asimilar el citrato. Carl Zimmer fue el que cubrió dicha historia.

Lenski ha tenido también una reciente discusión con los IDiots(***), y su tolerante respuesta puede encontrarse aquí.


Hasta aquí el comentario de John Dennehy. Algunas aclaraciones para los no expertos en Biología o aquellos estudiantes que aun no les hayan explicado el famoso experimento.


- Una página web de la Universidad Complutense bastante buena sobre la mutación.

- El experimento de Luria y Delbruck:

Luria tomó una colonia y con ella estableció dos cultivos. El cultivo A lo dividió a su vez en 20 cultivos más pequeños. Los 21 cultivos (20 cultivitos A más el cultivo B) y se dejaron crecer durante toda la noche (overnight). Al día siguiente se tomó una muestra de cada uno de los 20 cultivos A y se le añadio el bacteriófago. El cultivo B fue dividido en 20 alícuotas y a cada una de ellas se le añadió el bacteriófago. Posteriormente se determinó el número de bacterias resistentes al fago en los cultivos A y en los cultivos B. Tal y como se ha explicado antes, si la mutación fuera una adaptación fisiológica las medias y varianzad de los cultivos A serían similares a las de las muestras del cultivo B. Sin embargo los resultados fueron muy diferentes, luego la mutación era al azar y tenía un carácter post-adaptativo

(*) Desafortunadamente el Lamarckismo se resiste a morir. De vez en cuando se lee alguna noticia sobre la herencia de caractéres adquiridos que luego queda desacredita, por lo que el experimento de Luria y Delbruck no es el "último clavo".

(**)Cultivo overnight. En los laboratorios que trabajan con la bacteria E. coli generalmente se suele inocular el cultivo por las tardes y se deja crecer el cultivo durante toda la noche (overnight). Generalmente han pasado al menos unas 20 a 30 generaciones y el cultivo suele encontrarse en la fase estacionaria.

(***) IDiots. ID = Inteligent Design. He optado por dejar el termino original. Es una forma despectiva de referirse a los defensores del Diseño Inteligente. Aunque considero que en el plano científico el Diseño Inteligente es una tontería del mismo calibre que aquellos que defienden que la Tierra es plana, también pienso que utilizar un término despectivo para referirse a aquellos que no comparten nuestro punto de vista es caer en un error bastante grave.

Audio en "El podcast del microbio"

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