Colisiones y Cambio Climático

Ilustración de Nature sobre el fraccionamiento del supercontinente Pangea hace 200 millones de años

El mayor cambio climático que ha sufrido este planeta sucedió hace unos 2.500 millones de años, milloncejo arriba, millloncejo abajo, y fue debido a la acumulación de un producto de desecho por parte de unos microorganismos que ahora conocemos por cianobacterias. Dicho cambio climático permitió la posterior aparición de los organismos pluricelulares cuya evolución dio lugar a las plantas y animales actuales, entre los cuales nos encontramos.

Las cianobacterias surgieron hace unos 2.700 millones de años. Estos microorganismos presentaban una capacidad fotosinténtica nueva. Eran capaces de aprovechar la energía solar hasta tal punto que podían romper la molécula de agua. Mediante la fotolisis del agua (H2O), los dos hidrógenos de dicha molécula podían ser utilizados para el metabolismo de dichos seres vivos. El oxígeno (O2) quedaba como un residuo y al ser un gas era fácilmente expulsado por las células.

Anabaena, una cianobacteria

El oxígeno es un gas muy reactivo y durante 200 millones de años este gas fue combinándose y por lo tanto oxidando, todo aquello con lo que tropezaba, sobre todo el hierro. Pero después de 200 millones de años todo lo que podía ser oxidado en la litosfera ya lo había sido y el oxígeno gaseosos comenzó a acumularse en la atmósfera. Se acumuló tanto que provocó que la atmósfera primitiva pasará de ser anaerobia a ser totalmente aeróbica. Actualmente los niveles de oxígeno en la atmósfera son de un 21%, aunque han habido épocas en que dicha concentración fue mayor.

Anaerobios endosporulados mostrando su preocupación ante la aparición de la fotosíntesis oxigénica

Pero una cosa es saber lo que ha pasado y otra explicar el porqué pasó. Una de los muchos aspectos oscuros de la historia contada arriba es porque tras 200 millones de años la litosfera se saturó de oxígeno. Dicha saturación fue lo que permitió la acumulación del gas en la atmósfera, pero nadie entiende porqué no se saturó antes, ni porqué no fue después.

Charlotte Allen e Ian Campbell, científicos de la Australian National University, creen haber encontrado la respuesta. Según aparece en la web de Nature, la colisión de los continentes pudo ser la responsable. Por la colisión de las placas tectónicas se forman montañas y cristales de zirconita. Cuando las montañas se erosionan llevan nutrientes al mar. Estos nutrientes permiten el crecimiento masivo de las cianobacterias. Se produce así una gran emisión de oxígeno, al mismo tiempo que el carbono queda fijado en los microorganismos como carbono orgánico, por lo que no se combina con el oxígeno producido y se deposita en el fondo de los mares. Los científicos desarrollaron dicha hipótesis cuando notaron que los eventos de creación de cristales de zirconita coincidían con los eventos de incremento de oxígeno en la atmósfera.

Evidentemente, la hipótesis ha sido criticada por otros científicos. Muchos como James Kasting, geoquímico de la Pennsylvania State University, considera que la hipótesis no cuadra con lo que conocemos del ciclo del carbono y que la premisa de que el depósito de carbono orgánico se incrementa en el tiempo es falsa. Pero lo cierto es que la correlación existe, así que probablemente ambos fenómenos si tengan alguna relación, pero todavía no sabemos cual.

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La unión hace la fuerza, y las armas.

Ya hemos comentado en el blog que un biofilm es una comunidad microbiana de células adheridas a una superficie. Una de las ventajas que proporciona es la protección frente a la depredación por protozoos. Hasta ahora se pensaba que esa defensa era estática. Las bacterias que forman el biofilm al estar pegadas las unas a las otras serían como los ladrillos de un muro. Y todo el mundo sabe que es más difícil romper un ladrillo suelto que un ladrillo dentro de un muro.

Pues el grupo liderado por el Dr. Carsten Matz del Centro Helmholtz para la Investigación de las Infecciones ha encontrado algo bastante llamativo en los biofilms marinos. Al parecer estos biofilms son capaces de anular los ataques depredadores de las amebas utilizando "armas químicas". Las amebas son unos protozoos que están especializados en fagocitar a las bacterias que les sirven como alimento. Los investigadores notaron que los biofilms formados por determinadas bacterias no solo eran inmunes a los ataques de las amebas, sino que además estas últimas quedaban paralizadas e incluso morían. En palabras del Dr. Matz, las bacterias no solo habían construido una fortaleza, sino que también eran capaces de contraatacar.

Ameba alimentandose

Para identificar el compuesto responsable de dicho efecto, se analizó más detalladamente los biofilms formados por la γ-proteobacteria, Pseudoalteromonas tunicata una de las especies con mayor actividad antiprotozooaria. Determinaron así que en dichos biofilms se produce la síntesis de un pigmento llamado violaceina que resulta letal para el protozoo. Una prueba más del papel de la violaceina vino dada por experimentos en los cuales se utilizaban biofilms de un mutante de P. tunicata que no sintetizaba violaceina. En esos casos, el biofilm era completamente consumido por los protozoos.

Estructura de la violaceina

Cultivo de Pseudoalteromonas

Otra cosa que han observado es que la producción de violaceína por las bacterias se ve incrementada cuando éstas forman un biofilm en comparación a aquellas que se encuentran nadando en el plancton. El incremento es el triple como mínimo, pero en algunas especies del género Microbulbifer encontraron incrementos de hasta 60 veces mayores.

Quizás lo más llamativo es el mecanismo por el cual la violaceína acaba con el protozoo. Al parecer lo hace desencadenando una respuesta de muerte celular muy parecida a la apoptosis de las células eucariotas de los organismos pluricelulares. En protozoos incubados con violaceína, se observa fragmentación del DNA nuclear e incremento de la actividad caspasa 3. De hecho, la violaceína activa la apoptosis en células de mamífero.

Desde el punto de vista aplicado esto puede tener implicaciones de dos tipos. Por un lado puede explicar el porqué son tan resistentes al ataque de los macrófagos algunos biofilms formados por microorganismos infecciosos. Por otro, los biofilms podrían ser una nueva fuente de producción de nuevos compuestos bioactivos contra distintos patógenos.

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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.

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Intraterrestres

Una de las obras más famosas de Julio Verne es "Viaje al centro de la Tierra". Para cualquiera que haya leído el libro, o visto una de las muchas versiones cinematográficas, no le costará recordar que los valerosos exploradores se metían por un volcán e iban encontrando formas de vida prehistóricas como los plesiosauros, según iban descendiendo en las profundidades terrestres. Lo cierto es que Verne no parecía andar muy desencaminado. Los volcanes tienen que ver con esta historia. Y si profundizamos en la corteza terrestre vamos encontrando formas vivas, pero no son gigantescas criaturas, sino microorganismos.

Almohadas de basalto de los fondos oceánicos.

Por ahora los microorganismos mejor estudiados son los de la corteza de los fondos marinos que aquellos que viven en la roca profundos. El motivo es simple, son más fáciles de recolectar. Además, en los fondos marinos se encuentran las dorsales oceánicas, los lugares donde se forma la nueva corteza terrestre. Los volcanes submarinos que forman dichas dorsales no paran de vomitar roca fundida que en contacto con el agua se enfría rápidamente y forma las conocidas como almohadas de basalto. Debido al rápido enfriamiento tienen una corteza formada por cristal basáltico. Estas rocas son ricas en compuestos inorgánicos reducidos y eso es una fuente de energía que pueden aprovechar los microorganismos quimiolitotrofos. De hecho, en el laboratorio se pudo comprobar este último aserto. Sin embargo quedaba comprobarlo en el fondo marino. Y claro, no es fácil trabajar a profundidades de más 5.000 metros y con presiones casi 600 veces mayores de la que tenemos a nivel del mar.

Imagen de perforaciones tubulares formadas en la corteza cristalina de una almohada basáltica. Se piensa que estas perforaciones han sido producidas por microorganismos quimiolitotrofos que se "comerían" dicho cristal.

El caso es que se ha podido hacer, aunque indirectamente. En la revista Nature se publicó recientemente un estudio en el cual se demostraba la gran abundancia de microorganismos en las rocas basálticas de dichas dorsales. Los investigadores utilizaron una combinación de tres técnicas: PCR cuantitativo, microscopía e hibridación de ácidos nucleicos in situ. Mediante dichas técnicas han determinado que hay entre 1.000 a 10.000 veces más microorganismos en los fondos basálticos que en el agua que los cubre.

Microscopía de fluorescencia de una muestra con microorganismos endolíticos (endolítico = dentro de la piedra). En verde fluoresce el mineral y en rojo las bacterias

No sólo eso. También han encontrado que la biodiversidad es completamente distinta. En el agua de los fondos marinos hay entre 8.000 a 90.000 microorganismos por mililitro. La mitad de ellos pertenecen al dominio Bacteria y la otra mitad al dominio Archaea. En las rocas basálticas se han encontrado con densidades entre 3 y 1000 millones por gramo de roca. Y más del 90% de dichos microorganismos pertenecen al dominio Bacteria. Y de estas, casi todas son de las gamma-proteobacteria.

¿Y eso es mucho o poco? Pues para hacernos una idea, el número de microorganismos que hay en el suelo agrícola es superior a los 10.000 millones. Así que el basalto quizás no sea un jardín del Edén bacteriano, pero tampoco es un sitio pobre e inhóspito.

¿Y que hay de comer para que haya tantos microorganismos? Pues esa es una buena pregunta pero que todavía no tiene respuesta. Se cree que la base de la pirámide trófica son microorganismos quimiolitotrofos o mixotrofos que oxidarían el azufre, el hierro y el manganeso presentes en el cristal basáltico. En el laboratorio eso está confirmado experimentalmente. Pero en la Naturaleza ... Digamos que por ahora no. De todas formas, se ha calculado el impacto en los ciclos biogeoquímicos de dichos microorganismos intraterrestres y al parecer podrían ser los responsables de la fijación anual de unas 500.000 toneladas de carbono.

No está nada mal para unos seres que hasta hace poco ni siquiera sabíamos de su existencia.

Enlaces relacionados con el tema: Intraterrestres (2ª parte)

Esta entrada ha sido traducida al inglés y seleccionada por el blog de la ASM "Small things considered" a cargo de Moselio Schaeter.

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Matar bacterias a laserazos

No, no se trata de una nueva saga de ciencia-ficción. Un grupo de la University College London está desarrollando una nueva técnica terapéutica para tratar las heridas infecctadas por microorganismos resistentes a los antibióticos.

Una de las preocupaciones principales en el tratamiento de heridas y quemaduras es que estas se infecten. El tratamiento rutinario es la administración preventiva de antibióticos, pero si uno tiene la mala suerte de estar infectado con un microorganismo resistente a los antibióticos entonces tiene un serio problema. El tratamiento puede ser largo, costoso y lo que es peor, inefectivo.

El Dr. Michael Wilson y su grupo han desarrollado esta nueva estrategia para luchar contra los microorganismos patógenos pero sin que estos desarrollen fácilmente una resistencia que la anule. La técnica ha sido probada in vitro usando cultivos de Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes y Pseudomonas aeruginosa a los que se añadía el colorante verde de indocianina. Este colorante es inocuo para los humanos (de hecho se usa en angiografía de fluorescencia), y también para las bacterias. Este colorante es absorbido rápidamente por estas últimas.

Verde de Indocianina

Y ahora viene la segunda parte. Si tras la administración del colorante irradiamos con un laser "cerca de infrarrojo" que emite en 808 nm, la molécula verde de indocyanina absorbe dicha energía y se activa. Y cuando lo hace se convierte en una sustancia que produce una gran cantidad de radicales reactivos del oxígeno que atacan a diversos componentes de la bacteria causando su destrucción. El mecanismo de acción de los radicales es muy inespecífico, por lo que en principio no se espera que se desarrollen resistencias, aunque no podemos olvidar que algunas bacterias poseen pigmentos que precisamente inactivan a esos radicales. Sin embargo esos pigmentos suelen estar localizados en las envolturas bacterianas y no en el citoplasma.

Los investigadores avisan que estos resultados han sido obtenidos en condiciones de laboratorio, y que el siguiente paso será probar la eficacia in vivo utilizando animales de laboratorio y cepas de los llamados "superbichos" como el MRSA.

Blancanieves y los siete marcianitos

Hace poco comenté que la nave Phoenix estaba en plena recogida de pruebas de la superficie marciana y el miedo que había de que dichas pruebas indicaran una contaminación debida a la manipulación en la Tierra.

El caso es que han empezado a llegar noticias sobre dichas pruebas y los resultados son ni buenos ni malos, sino todo lo contrario.

Para empezar las buenas noticias. Según publica Nature, al parecer el suelo marciano sobre el que se posó Phoenix es muy parecido al de la Antartida. La nave ha tomado muestra cavando unas pequeñas trincheras que han recibido el nombre de "Blancanieves" 1, 2 y 3. Los análisis han mostrado que el polo marcianao tiene agua, pero poca, es alcalino y contiene sales. Las sales son una prueba más de que la actividad del agua es importante. Segun Sam Kounaves de la Universidad de Tufts, lo más sorprendente sobre Marte es que no parece un mundo alienígena, sino que en muchos aspectos, como la mineralogía, se parece mucho a la Tierra.

Imagen que muestra las pequeñas trincheras llamadas "Blancanieves 1" (izquierda), "Blancanieves 2" (derecha) y dentro de esta última la pequeña "Blancanieves 3". El sitio de excavación ha sido bautizado como "el País de las Maravillas"

Tengamos en cuenta que en la Antartida hay microorganismos. Son los conocidos como psicrófilos extremos, (o amantes del frío extremo). Dentro de estos los más extraños son los habitantes del lago Vostok, uno de ellos incluso ha sido bautizado como Klingon. Y uno puede pensar que si la mineralogía marciana es similar a la terrestre, quizás los parecidos no se acaben ahí. De hecho el suelo marciano podría mantener vida si estuviera en la Tierra. Incluso vida pluricelular.

Imagen de un tardigrado de los suelos de la Antartida

Y ahora las malas. A falta de los análisis del TEGA parece que la cantidad de carbono detectado es escasa. Otra dificultad para la vida marciana sería el hecho de que la atmósfera es demasiado tenue, y las condiciones tan duras que en comparación, la Antartida terrestre sería un paraíso primaveral.

Bueno, confiemos en que Phoenix sea capaz de encontrar a los siete enanitos en alguna de las "Blancanieves".

Links relacionados: Martian Microbes: remember we are friends

Evolución, en vivo y en directo

Grandes momentos de la evolución. Fuente de la imagen

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

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

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

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

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

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

Prueba del citrato

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

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

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

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

Audio 1 y Audio-2 en "El podcast del microbio"
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Nosotros, los marcianos

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

El Phoenix

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

Montaje del TEGA

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

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

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

Crucemos los dedos porque el control negativo salga bien.

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Las bacterias y la paradoja de Einstein

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

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

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

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

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

Ciprofloxacina, un inhibidor de la DNA girasa

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

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

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

Para que luego digan que las bacterias son simples.

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Bacterias y Pollos

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

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

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

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

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

Probióticos: Bacterias amistosas

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E Pluribus Unum

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

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

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

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

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

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

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

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

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Caparazones y Cólera

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Se considera que la quitina es el segundo biopolímero más abundante del planeta (el primer puesto lo ostenta la celulosa). Este polisacárido está compuesto por N-acetilglucosamina unida por enlaces β-1,4 (GlcNAc para abreviar) y es el componente principal de los caparazones de crustáceos e insectos. Se calcula que los seres vivos producen 100.000.000.000 toneladas al año de este compuesto, la mayor parte de ellos en ambientes acuáticos.

Uno de los fenómenos más curiosos es la asociación existente entre la bacteria Vibrio cholerae y la quitina. Puede sorprender que una bacteria patógena presente tan estrecha relación. Pero si lo pensamos un momento dicha asociación no es tan extraña. V. cholerae es una bacteria acuática y la quitina es el polímero más abundante en dichos ambientes. Esta asociación dota al microorganismo de una serie de ventajas: - disponibilidad de comida, adaptación a gradientes nutricionales, tolerancia al stress y protección frente a depredadores -. Pero la relación va más allá influyendo en la forma de vida de la bacteria tanto dentro como fuera de su hospedador. Se han descrito una serie de propiedades debidas a esta interacción entre la bacteria y su sustrato. Estas propiedades ligadas unas a otras de manera jerárquica, pueden ser detectadas en múltiples niveles desde el celular al medioambiental. Entre ellas se cuentan las respuestas fisiológicas a nivel celular: - quimiotaxis, metabolismo de la quitina, multiplicación celular -, formación de biofilms, ciclos del nitrógeno y del carbono en los ecosistemas acuáticos.

V. cholerae es capaz de colonizar la superficie de los caparazones de los crustáceos y para ello necesita disponer de un tipo de pili que le permita unirse al polisacárido de la quitina. Lo curioso es que este tipo de pili es un factor de virulencia en muchas cepas patógenas de V. cholerae pues también le permite unirse a la manosa presente en el glucocalix de las células del epitelio intestinal de los mamíferos. Se ha observado que V. cholerae presenta quimiotaxia positiva hacia la quitina y que esta molécula induce la producción de las proteínas que forman dicho pili.

Una vez unida a la quitina, V. cholerae la utiliza como fuente de carbono y nitrógeno, es decir, se la come. Pero no lo hace en tal extensión que cause un perjuicio al hospedador. Más bien come lo poco que le sobra al crustáceo. Y aquí viene otra curiosidad. Se ha observado que V. cholerae unido a la quitina entra en estado de competencia. Es decir, es capaz de integrar más facilmente material genético foráneo. Y ahí no acaba la cosa, V. choleare forma un biofilm sobre el caparazón, por lo que sus posibilidades de supervivencia aumentan al ser menos susceptible al ataque de depredadores. Y en esa supervivencia está implicado el hospedador. Un experimento demostró que la viabilidad era mayor en los biofilms de V. cholerae sobre caparazones de copépodos vivos, un miembro del zooplacton, que sobre aquellos que permanecían en copépodos muertos. Finalmente, el hecho de que V. cholerae se coma la quitina evita que este polisacárido se acumule en los fondos oceánicos y tanto su carbono como el nitrógeno que lo componen se incorporen a los ciclos biogeoquímicos.

Copépodo

La siguiente pregunta que uno se plantearía es ¿Qué ventaja obtiene el crustáceo? Aún no está muy clara pero se especula con que la presencia de biofilms de V. cholerae en dichos animales les permite una mejor osmoregulación. Muchos de los crustáceos que mantienen biofilms viven en estuarios o en aguas en las cuales hay cambios de salinidad. Al parecer V. cholerae produciría una serie de proteínas que permitirían aguantar dichos cambios a las células del crustáceo. Sin embargo algunas de dichas proteínas son las famosas enterotoxinas que acaban con las células del epitelio intestinal.

Vibrio cholerae en el epitelio intestinal

¿Y en cuánto a la enfermedad? Por lo dicho arriba está claro que cualquier artrópodo acuático es un posible reservorio de uno de los patógenos humanos más temibles. Y si la distribución geográfica de un copépodo es mundial eso significa que el V. cholerae que va con él también lo es. Se ha calculado que puede haber unas 10.000 V. cholerae por copépodo y bastan 1.000 para producir una infección. Adicionalmente, el hecho de que dichas bacterias estén formando un biofilm las hace mucho más resistentes a la acción de los ácidos estomacales cuando se ingiere agua conteniendo dicho zooplacton.

Resumiendo, pedir la Cangre-Burguer muy hecha la próxima vez que alguien vaya al Krusty Krab.

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Número especial de la revista Science dedicado a la Ecología Microbiana

El ejemplar del 23 de mayo de la revista Science contiene una serie de artículos relacionados con la Ecología Microbiana. La revista es de pago, pero es posible acceder a ella desde los ordenadores de la biblioteca de la UMH (y probablemente también desde otras instituciones educativas o científicas). Aquí dejo una pequeña guía de los mismos.

• Perdidos en el Espacio Microbiano. Artículo de introducción.

• Las vidas interiores de las esponjas. Relaciones simbiónticas, compuestos bioactivos y la misteriosa distribución de bacteria en el interior de estos invertebrados.

• Relaciones confusas. El entendimiento de la evolución y la ecología microbiana se basa principalmente en un buen sistema de clasificación de los microorganismos, pero es difícil llegar a uno cuando no podemos dar una respuesta simple a la pregunta ¿Qué es una especie microbiana?.

• Los motores microbianos que impulsan los ciclos biogeoquímicos terrestres. Virtualmente todas las transferencias de electrones que se dan en la Tierra se dan gracias a un conjunto de nanomáquinas biológicas que conocemos por proteínas y grupos prostéticos. Esas nanomaquinas evolucionaron exclusivamente dentro de los microbios en una etapa muy temprana de la historia de este planeta y los genes que las codifican se han mantenido muy conservados. Cuanto mayor sea nuestro conocimiento de su evolución, funcionamiento y control mejor entenderemos su papel a escala planetaria.

• Biogeografía Microbiana. De la taxonomía a los caracteres. La variación biogeográfica de los seres vivos se ha estudiado tradicionalmente usando la taxonomía. Pero esto está cambiando en el campo de la microbiología. Las pautas de variación de determinados caracteres -tamaño del genoma, número de ribosomas, tamaño celular- está comenzando a dar respuestas a las preguntas de porqué un ser vivo vive en un determinado lugar y cómo responde a un cambio ambiental.

• Ecología Microbiana de la Biogeoquímica Oceánica. La perspectiva de la comunidad. La diversidad microbiana de los océanos es enorme. Diferentes grupos funcionales compuestos de bacterias, arqueas y protistas dominan diversos hábitats e impulsan ciclos biogeoquímicos. Las comunidades planctónicas cambian continuamente debido a la mortalidad, relaciones simbióticas y otros procesos por lo que hay una gran presión de selección sobre los distintos microorganismos.

También aparecen unos artículos publicados exclusivamente en internet que serán accesibles a partir del 27 de mayo.

• Un nicho a la medida. Dedicado al estudio de los mecanismos de señalización entre los microorganismos -benignos o patógenos- y sus hospedadores.

• Diversificación de la función de la señalización Célula-a-Célula en la regulación de la virulencia en Xanthomonadas, un grupo de patógenos de plantas bacterianos.

• Modulación por bacterias de las rutas de señalización celular en la homeostasis intestinal

• ETosis: Una nueva ruta de Muerte Celular

Un artículo en español sobre el mismo tema: "Metagenómica, genómica y ecología molecular: la nueva ecología en el bicentenario de Darwin".

Biocombustibles: The Next Generation

A estas alturas más de uno se ha caído del guindo y ha visto que los "biocombustibles" no son la panacea universal para los males energéticos del mundo. Hace unos años había más de un reportaje o artículo alabando la producción de los mismos como un modo de independizar a las economías nacionales de los derivados del petróleo. Sin embargo se ha comenzado a ver el otro lado de la moneda. Cuando se habla de Biocombustibles generalmente nos estamos refiriendo a etanol producido a partir de la fermentación por levaduras (bioetanol). Y las levaduras crecen maravillosamente bien en fuentes de carbono ricas en hidratos de carbono como los cereales o la caña de azúcar. Es decir, un vegetal que puede ser usado para alimentar también puede ser usado para producir etanol.

Esquema simple del proceso de producción de bioetanol.

Y aquí entra en juego la Ley de la Oferta y la Demanda. Si uno es agricultor y una industria de biocombustibles le ofrece más por su cosecha que una industria alimentaria, lo más seguro es que se la venda a la primera. Eso hace disminuir la oferta en alimentos y por tanto encarece el precio de los mismos. Dejando aparte otras consideraciones que influyen en el precio final de los alimentos lo que cada vez parece más claro es que no es una buena idea transformarlos en biocombustibles.

Por eso hay grupos que están investigando nuevas alternativas. Es lo que se conoce como Biocombustibles de segunda generación. Fundamentalmente consiste en producirlos pero a partir de otras fuentes de carbono biológicas distintas de los alimentos. Y en ese campo uno de los microorganismos que está siendo estudiado es el hongo Trichoderma reesei, cuyo genoma ha sido recientemente secuenciado.

Trichoderma reesei

La historia del hongo es bastante curiosa. Fue aislado durante la Segunda Guerra Mundial en el teatro del Pacífico y su nombre es en honor del Dr. Elwyn T. Reese que fue uno de los que lo aisló. Resulta que los norteamericanos se encontraron con que una gran parte del material fabricado con fibras de algodón: -ropa, cuerdas, tiendas de campaña -, sufría una rápida descomposición. Ni cortos ni perezosos, el ejército norteamericano montó el Tropical Deterioration Research Laboratory para estudiar dicha descomposición y poner remedio. Reese y su equipo encontraron diversos microorganismos celulolíticos y uno de ellos se trataba de este hongo.

Se considera que T. reesei es el microorganismo más eficiente en la producción de celulasas. Estas enzimas son capaces de descomponer la celulosa, uno de los polímeros más resistentes que hay en la naturaleza, en sus monosacáridos constituyentes. Es decir, con T. reesei se podría transformar restos vegetales en azúcares simples que podrían a su vez ser fermentados por las levaduras para producir bioetanol. Simplificando mucho, en un proceso de producción de biocombustibles de primera generación se utiliza el grano de maíz para producir bioetanol y el resto de la planta se desecha. En un proceso de segunda generación utilizaríamos la planta de maíz para producir el bioetanol y los granos para la alimentación.

Si tenemos en cuenta que el hongo fue aislado en 1943, ¿Por qué no se ha puesto a punto este proceso después de 60 años? Por una razón de economía. En el proceso de producción de bioetanol a partir de un cereal como el maíz, uno de los pasos es transformar el almidón del grano en glucosa. Esa despolimerización se consigue gracias a la adición de amilasas. Y esa enzima es mucho más barata que las celulasas, hemicelulasas y pectinasas que descomponen los restos vegetales. Una forma de bajar el precio de las celulasas es precisamente producir más de esas enzimas. Y ahí es donde está la importancia del trabajo de secuenciación del genoma de T. reesei. El objetivo es intentar manipular los genes que intervienen en la síntesis de estas enzimas para conseguir llegar a una producción de 50 g/l del cóctel de enzimas.

Figura realizada en base a las imágenes de esta página

Lo que se han encontrado los grupos que han llevado a cabo la secuenciación es que T. reesei tiene muy pocos genes que codifiquen para dichas enzimas. Eso ha sido una sorpresa, pues se esperaba que su gran capacidad degradativa podría explicarse en base a una gran diversidad enzimática. Al parecer, el hongo produce mucho pero con poca variedad. Los siguientes pasos van ir en dos direcciones. Por un lado identificar las señales que regulan la expresión de dichos genes para así intentar aumentar dicha expresión. Por otro, manipularlos o incluso sustituirlos por genes de otras celulasas mucho más eficientes que las que se encuentran en T. reesei.

No es la solución, pero es un paso más.

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Ecocarburantes Españoles

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Mareas rojas y pie de atleta.

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Marea roja en la playa californiana de La Jolla. El muelle Scripps tiene unos 300 metros de largo.

Si a día de hoy a un ciudadano medio le pregunáramos su opinión sobre la "marea roja" es probable que respondiese algo relacionado con la selección de fútbol seguido de algún comentario sobre su incapacidad manifiesta de hacer un buen papel. Pero sin embargo el término "marea roja" hace referencia a un fenómeno biológico en el que un determinado tipo de algas microscópicas, comienzan a proliferar sin control tiñendo las aguas marinas de un color rojizo. Lo malo es que estas algas rojas suelen estar cargadas de toxinas y dichas explosiones poblacionales suelen producir graves daños en las piscifactorías, en diversas especies marinas e incluso pueden provocar la clausura de playas con el consiguiente daño económico.


Hay varios grupos que las estudian para intentar prevenirlas o controlarlas y evitar dichos efectos perjudiciales. Uno de esos grupos es el del Dr. Takuji Nakashima del Instituto Nacional de Tecnología y Evaluación en la ciudad de Chiba. Este grupo ha investigado el efecto de compuestos antifúngicos en dos especies de microalgas muy comunes en esas mareas rojas: Chattonella marina (Raphidophyceae) y Heterocapsa circularisquama (Dinoflagellata).

Chatonella marina

Los ciclos de vida de dichos dinoflagelados son bastante similares a los de los hongos dermatofitos que causan el pie de atleta, así que se decidió estudiar el efecto de los antifúngicos bifonazol y terbinafina en dichas algas. En el laboratorio se establecieron cultivos de dichas algas y se les añadió dichos compuestos. Se encontró que con dosis de 1 miligramo por litro podían acabar con el 50% de dichas microalgas. Dichos compuestos parecen inhibir la síntesis de esteroles esenciales para la integridad de las membranas celulares del alga.

Ahora viene la segunda parte. ¿Servirán estos compuestos para evitar las mareas rojas?. En principio se ha encontrado una forma de controlar dichas poblaciones, pero eso implica liberar grandes cantidades de dichos compuestos antifúngicos en el medio ambiente. Ambos son de la familia de los imidazoles y su permanencia en el medio ambiente es elevada. Luego eso implica que podrían tener algún efecto secundario sobre otros seres vivos. Una forma de solventar este problema es el desarrollo de nuevas moléculas que tengan un efecto similar. Se ha encontrado una diana, ahora hay que mejorar el proyectil.

Otro problema es el de las cantidades a usar. Supongamos una marea roja que ocupe una pequeña bahía. Estaríamos hablando de un volumen de agua de unos 10 kilómetros de largo por 1 kilómetro de ancho y 1 metro de profundidad. Es decir, 10 millones de metros cúbicos o lo que es lo mismo 10.000 millones de litros (ver plano de abajo). Teniendo en cuenta la dosis arriba indicada necesitaríamos 10 toneladas de dichos productos para producir un 50 % de mortalidad en dichas especies de microalgas. Y tengamos en cuenta que otras especies de microalgas pueden no verse afectadas por dichas sustancias.

Finalmente está el problema de como liberar dichos compuestos en el ambiente marino. En la revista Nature hablan de una máquina movida por energía solar y guiada por satélite. Las mareas rojas se pueden seguir muy bien mediante satélites artificiales gracias a los pigmentos fotosintéticos de las algas. Dicha máquina portaría un tanque con el compuesto y lo liberaría en determinadas zonas en las cuales se detectase esas explosiones de microalgas.

De todas formas es un paso más y quizás sea el inicio de una nueva forma de evitar dichas mareas.

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