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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Películas y Bichos: "La amenaza de Andrómeda"

El pasado 4 de noviembre murió Michael Crichton uno de los más famosos escritores de Ciencia-Ficción. Recalco lo de "ciencia" porque una de las características de su obra es que siempre procuraba que fuera creible utilizando para el desarrollo de la trama los últimos avances del mundo científico. En su obra no vamos a encontrar espadas láser o telépatas superpoderosos pero si dinosaurios clonados o autómatas descontrolados.

Michael Crichton: médico, escritor, director y productor de cine.

La fama de Michael Crichton comenzó con la versión cinematográfica de su novela "La amenaza de Andrómeda". En realidad el título correcto debería haber sido "La cepa Andrómeda" (The Andromeda Strain) pero hay que reconocer que desde el punto de vista publicitario, el título español es mucho mejor. La novela fue publicada en 1969 y adaptada a la pantalla dos años después, por el director Robert Wise. Trata de la llegada a la Tierra de un microorganismo alienígena muy virulento y de los esfuerzos de un grupo de científicos por neutralizarle. Para ello lo primero que deben de hacer es aislarlo y estudiarlo. El microorganismo es bautizado como Andrómeda y lo que causa es una coagulación masiva de la sangre. Durante el proceso de caracterización del patógeno están a punto de desencadenar una catástrofe que podría acabar con toda la vida del planeta. La película tiene una trama apocalíptica muy típica de la Guerra Fría, sobre todo en el aspecto de las armas biológicas. Pero como volvemos a estar en tiempos en los que el Apocalipsis está de moda en forma de "calentamiento global", no es de extrañar que se haya realizado un remake actualizado para la televisión.

La película en Youtube

Yo vi "La Amenaza de Andrómeda" por primera vez en el programa "Sábado Cine" de TVE hacia 1980. Me acuerdo porque ese fin de semana estaba estudiando para el examen de Biología de 1º de Bachillerato y uno de los temas eran los virus. Una de las características de estos microorganismos acelulares cuyo nombre significa veneno es que cuando se describieron por primera vez se les denominó "virus filtrables" porque eran capaces de atravesar los filtros de porcelana. Pues bien, en la película hay una secuencia en la que los investigadores están tratando de determinar el tamaño de Andrómeda haciendo pasar aire contaminado por una serie de filtros con un tamaño de poro creciente. Ese aire filtrado acababa en una caja transparente en cuyo interior había una rata de laboratorio. Ni que decir tiene que tras ver la película entendí a la perfección lo que quería decir "virus filtrable".

Confieso que hubo muchas cosas que no entendí de la película. Sobre todo como conseguían deshacerse de Andrómeda. Posteriormente, cuando ya estaba cursando la carrera de Biología, encontré una edición del libro en un puesto de la Cuesta de Moyano. No dudé ni un segundo en comprarlo y aquella misma tarde comenzar a leerlo. La verdad es que no me defraudó. Como esperaba en la novela se detallan las diferentes etapas que seguía el equipo de científicos para estudiar y neutralizar a Andrómeda. Pero hubo dos cosas que me sorprendieron. La primera es que los ensayos de laboratorio que describía Crichton para analizar a Andrómeda eran reales. Entre ellos estaba la elaboración de un perfil para determinar el rango de pH a los cuales Andrómeda era viable (la curva se ve en los títulos del comienzo de la cinta), una imagen de difracción de rayos X de un cristal de Andrómeda, y el análisis cuantitativo de contenido de Carbono, Nitrógeno, Fósforo y otros elementos de dicho microorganismo. La segunda era que al final de la obra había una bibliografía de artículos científicos.

La cuesta de Moyano.

Uno de los mejores lugares para los amantes de los libros

Curiosamente la película se vio envuelta en una polémica por una de sus escenas. Es aquella en la que un mono cae fulminado debido a la exposición a Andrómeda. La secuencia está tan bien rodada que efectivamente parece que el mono muere de verdad. Pero si así hubiera sido la productora habría sido demandada por la Sociedad Protectora de Animales. Wise filmó la escena bajo la supervisión de dicha asociación. Para ello lo que hizo fue poner el mono dentro de una caja con aire y la caja en una habitación llena de dióxido de carbono (CO2). En la misma habitación se colocó a un operario fuera de plano respirando con una botella de oxígeno y con una máscara adicional para el mono. Cuando en la película un brazo mecánico levanta la tapa de la caja, el mono inmediatamente quedó expuesto al CO2, por lo que dio unas cuantas bocanadas y se desmayó. Wise continuó rodando por un par de segundos e inmediatamente el operario puso la máscara al mono para reanimarlo. Sólo hubo una toma.

Un gran clásico de la Ciencia-Ficción.

Audio en "El Podcast del Microbio"

Sanchez, M. (2011). Biosafety and Biological Weapons: The Andromeda strain (1971) Journal of Medicine and Movies, 72 (1), 15-20

Bioterrorismo Vegetal

La bacteria Xanthomonas oryzae en el interior del xylema de una planta de arroz

La Madre Naturaleza es el bioterrorista más peligroso. Dr. Stephen Morse

Una noticia reciente de la revista Nature informa de que el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) ha añadido a la bacteria Xanthomonas oryzae en la lista negra de agentes antimicrobianos con potenciales usos bioterroristas.

Generalmente los microbios que se usan en la elaboración de armas biológicas suelen ser microorganismos patógenos que afectan al ser humano, como es el caso de Bacilus anthracis. Pero también pueden ser usados los microorganismos que ataquen a las cosechas o a los animales de granja. El daño que se produce es indirecto, pero igual de terrible para los seres humanos, pues en lugar de enfermedades toma la forma de hambrunas y escasez. Es el caso de la bacteria Xanthomonas oryzae, un patógeno que afecta al arroz. En concreto causa lo que se conoce como tizón foliar del arroz (leaf blight o también bacterial rice blight). Esta enfermedad es muy destructiva y tiene un gran potencial epidémico, sobre todo en las regiones tropicales. La bacteria ataca al sistema vascular de la planta produciendo unas lesiones de color blanquecino a lo largo de los venas de las hojas. En los casos más severos puede destruir hasta un 50% de la superficie cultivada. Teniendo en cuenta que el arroz es el principal sustento alimentario en el sudeste asiático uno puede imaginarse el daño que produce esta bacteria sin necesidad de que nadie intervenga.

Lesiones foliares producidas por Xanthomonas oryzae

Plantas de arroz afectadas por el tizón foliar causado por X. oryzae

Fotografías de T.W. Mew, International Rice Research Institute, Bugwood.org

Los primeros estudios sobre X. oryzae se realizaron en Japón en 1901 centrándose en su ecología y en su control mediante diversos tratamientos químicos. Actualmente se sabe que las estrategias más efectivas de control de dicha plaga es el desarrollo de plantas resistentes, pero eso no parece fácil. En el año 2005 se secuenció su genoma completo. Como se dispone también del genoma completo del arroz se pudo realizar un estudio sobre la coevolución entre el patógeno y su hospedador. Así se han identificado una serie de genes involucrados en el reconocimiento de la planta por el parásito, y más importante, de genes involucrados en la resistencia de la planta a la infección.

Microfotografía de X oryzae infectando a una planta a traves del hidatodo

Al parecer el USDA ha incluido X. oryzae en la lista como una medida preventiva, pues la bacteria no parece aclimatarse bien en las latitudes norteamericanas. Por ahora las zonas americanas más afectadas parecen encontrarse en Venezuela. Son muchos los laboratorios estadounidenses los que se han opuesto a dicha medida preventiva. Incluir un microorganismo en la lista negra supone que una serie de restricciones y dificultades para su manejo. Restricciones que pueden llevar a condenas judiciales si no se cumplen o se obvian. Pero el efecto más nocivo de dichas restricciones es que no facilitan para nada la investigación y por lo tanto el desarrollo de un tratamiento efectivo de dicha plaga.

Y es que a veces, las mejores intenciones causan los peores males.

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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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Bichos de Bichos

Gorgojo descortezador. El micangio estaría cerca de las mandíbulas

En el último número de la revista Science aparece un artículo y un comentario sobre una curiosa asociación entre un escarabajo, tres hongos y una bacteria. De hecho, el título de esta entrada es el mismo título del comentario.

Bosque de pinos afectados por el gorgojo descortezador

Ciclo del gorgojo descortezador. El ciclo de vida dura unas 4 a 5 semanas

Cavidades producidas por el gorgojo en el interior del arbol

Hay un buen resumen en español en el siguiente artículo del diario "El Mundo" pero para resumir la historia aún mas, se trata de la descripción de la forma de vida de un escarabajo fitopatógeno que ataca a un tipo de pinos en Norteamérica. Pero en realidad el escarabajo no ataca él solo al pino. Necestia la ayuda de cuatro microorganismos, tres hongos y una bacteria.

Su ciclo de vida es el que sigue: el gorgojo descortezador Dendroctonus frontalis se abre paso a través de la corteza del pino. Cerca de sus mandíbulas hay una estructura llamada micangio y que es parecida a una bolsita. Dentro de esa bolsita podemos encontrar a los cuatro microorganismos antes indicados. Según se va abriendo paso el escarabajo a través de los tejidos de la planta, estos quedan inoculados con los microorganismos. Y cada uno cumple una función cuyo resultado final es la infestación y futura muerte del árbol.

Los hongos Entomocorticum sp. y Ceratocystiopsis ranaculosus invanden los tejidos vasculares de la planta aprovechando los nutrientes que se encuentran en los mismos. Estos hongos cuando crecen serán la principal fuente de alimentación del escarabajo y de sus larvas. Es algo parecido a la asociación simbióntica que uno puede encontrar en las hormigas cortadoras de hojas. Estas hormigas cortan hojas par procudir un medio de cultivo para un hongo que luego es devorado por las hormigas. En este caso, el escarabajo está "cultivando" su propia comida aprovechandose del árbol.

Pero resulta que el árbol intenta defenderse y en el caso de las coníferas la mejor defensa que tienen es producir resina para inundar las cavidades que produce el escarabajo. Y aquí entra en juego el tercer hongo, Ophiostoma minus. Este hongo inhibe dicha secreción resinosa. Pero tiene un "pequeño" inconveniente. O. minus no sólo inhibe la secreción de resina, también impide el crecimiento de los otros dos hongos de los cuales se va a alimentar el escarabajo. El dilema es el siguiente, el hongo que te salva de las defensas de la planta es el que te puede dejar sin alimento. Solución: poner en juego a una bacteria que inhiba el crecimiento de O. minus.

La bacteria pertenece a los actinomicetos y por análisis de sus genes ribosomales está emparentada con Streptomyces thermosacchari. Con ella el escarabajo se asegura de que O. minus solo crezca los justo para evitar la resina, pero no para desplazar a los hongos de los cuales se va alimentar. Y lo hace gracias a que sintetiza un potente antifúngico que inhibe selectivamente a O. minus y no a los otros dos hongos. El nuevo compuesto ha sido bautizado como micangimicina y debido a la escasez de antifúngicos en la farmacopea ha despertado un gran interés.

En resumen. Para acabar con un pino solo hacen falta un escarabajo, tres hongos, una bacteria y un fungicida.

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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.

Impacto Viral

La portada de la revista Nature del pasado 28 de agosto estaba dedicada al papel de los virus en el mayor ecosistema de nuestro planeta: los sedimentos marinos.


Probablemente más de uno habrá oído la frase de que tenemos un mayor conocimiento del planeta Marte que del fondo de nuestros océanos. Algo de verdad si que hay. Dos terceras partes de nuestro planeta están cubiertas por el agua y sin embargo hasta hace muy poco no se tenía ni idea de los microorganismos que las habitaban. Sólo se suponía que había muchos.


La sorpresa no es que haya muchos, sino que hay muchísimos. Más de los que imaginábamos. Pero las sorpresas no se han acabado. Lo última ha sido encontrar que el tipo de microorganismos más numerosos no son ni las bacterias, ni las arqueas. Son los virus (*).

Dejando aparte la discusión de si los virus son seres vivos o no, lo cierto es que son objeto de estudio de la Microbiología. En cuanto a que tipo de virus son los que se encuentran en los mares son aquellos conocidos como virus bacteriofagos de ciclo lítico. El termino "lítico" proviene de "lisis", que significa "romper". Un virus de ciclo lítico lo que hace es infectar a su hospedador, tomar el control de su maquinaria celular, reproducir su material genético y los componentes de su cápsida o envoltura, ensamblarlos y luego liberar las nuevas partículas víricas lisando a su hospedador. En pocas palabras, el virus se "come" a la bacteria para hacer más virus. Evidentemente en el proceso se libera una gran cantidad de restos orgánicos. Restos que pueden ser a su vez el alimento de otras bacterias o microorganismos. Incluso los propios virus pueden servir de alimento de otros microorganismos.

Un grupo de Universidad italiana de Marche en Ancona, ha recogido 232 muestras de sedimentos marinos y han encontrado que los virus son los responsables de la liberación de grandes cantidades de carbono orgánico en el mar profundo. Han calculado que el 80% de la producción de los procariotas heterotróficos se transforma en virus. De hecho, por debajo de los 1.000 metros de profundidad, el nivel de mortalidad procariótica causado por los virus es tal que puede asumirse que el 100% de dichos microorganismos es transformado en detritos orgánicos.

A escala global, estos virus son responsables de la liberación de una media de 500.000.000 toneladas de carbono en los ecosistemas marinos profundos. Ese carbono es aprovechado por los microorganismos procariotas que viven en los sedimentos, explicando porque pueden existir dichas comunidades en lugares en los que hay una gran limitación de nutrientes. Es decir, los virus acaban con los microorganismos pero al hacerlo estimulan el crecimiento de otros microorganismos.

Se calcula que un 10% de la biomasa viva del planeta está acumulada en los fondos marinos, y se asumía que esa biomasa estaba allí y no se "movía" a otros ecosistemas. Ahora todo parece sugerir que el sistema es mucho más dinámico. Y aquí viene un pequeño problema, hasta ahora los modelos de ciclos biogeoquímicos del carbono no contemplaban esa dinámica y el papel tan crucial de los virus líticos en dinamizar dichos fondos, por lo que parece ser necesario replantearse varios cálculos y modelos sobre el funcionamiento de nuestra biosfera.

Y es que hay mucho que aprender todavía.

Audio en "El podcast del microbio"

Rappin' about Science

No tiene que ver con la microbiología pero creo que estos dos videos de youtube son realmente buenos

El primero es sobre el funcionamiento de las redes neuronales.

Y el segundo es sobre el gran acelerador del partículas del CERN. Reconozco que ha pesar de los subtítulos solo he comprendido la mitad (mi inglés-de-la-física no es tan bueno), pero imaginación no les falta.

Espero que algún día hagan alguno sobre la microbiología.

Preguntas talmúdicas: Procariotas en huelga

¿Qué pasaría si todas las bacterias y arqueas de la Tierra decidieran ir a la huelga y parar de golpe su metabolismo? ¿Cúales de los ciclos globales de materia se verían afectados primero? ¿Cúanto tardaría la vida, tal y como la conocemos, en paralizarse?

David Lipson propuso los siguientes escenarios:

Primer Escenario.- Ciclo del nitrógeno. En una semana los seres vivos pluricelulares (plantas y animales) acabarían con las formas asimilables del nitrógeno. Unos datos. La concentración de nitrógeno en el suelo oscila entre 0,1 y 1 g N /m2. El requerimiento de una planta es de 5 a 50 g N/m2/año. Así que en un tiempo de 1/50 año, una planta habría acabado con el nitrógeno y pararía su crecimiento. Eso es una semana.

Sin plantas no habría fotosíntesis, pero si recordamos la pregunta, tampoco habría fotosíntesis oceánica, pues esta es debida sobre todo a las cianobacterias y proclorofitas. Así que los aerobios lo ibamos a tener un poco mal en ese mundo. Los anaerobios eucariotas unicelulares no lo iban a pasar mal inicialmente pues se iban a encontar con un montón de materia orgánica a su disposición. Pero el problema del nitrógeno sigue siendo el mismo porque sólo los procariotas pueden transformar el Nitrógeno gaseoso (N2) en Amonio (NH3). Y luego otros procariotas son los únicos que pueden transformar ese amonio en nitrito (NO2-) y nitratos (NO3-).

Segundo escenario: Las plantas siguen vivas debido a la gran cantidad de fertilizante disponible, pero la respiración microbiana se para. Esto provocaría que hasta unas 60 Gigatoneladas de carbono al año fueran absorbidas desde la atmósfera y quedaran fijadas en la biomasa no descompuesta. En unos 12 años y medio no habría CO2 en la atmósfera por lo que las plantas morirían y se iniciaría una glaciación global conocida como "Tierra Bola de Nieve".

En cualquier caso, creo que los seres humanos lo pasaríamos francamente mal.

Preguntas talmúdicas: Fijación del nitrógeno y Endosimbiosis

La segunda pregunta talmúdica fue:

¿Por qué los endosimbiontes fijadores del nitrógeno no han evolucionado en orgánulos celulares ("azoplastos")?

La sensitividad de la nitrogenasa al oxígeno no es una respuesta satisfactoria. En la simbiosis Rhizobium-leguminosa han resuelto el problema

El resumen de las respuestas es el siguiente:

Una muy breve hablaba de que quizás estemos en "medio del proceso" y que dentro de un millón de años si que se puedan observar los "azoplastos".

Sin embargo otras intervenciones apuntaron diversos datos de interés.

En primer lugar, los eventos de endosimbiosis que dieron lugar a la mitocondria y al cloroplasto sucedieron hace muchísimo tiempo e involucraron a organismos unicelulares. Las endosimbiosis con microorganismos fijadores que conocemos se dan entre un pluricelular y un procariota. Es difícil que el procariota pase a la línea germinal. Pero no imposible, añadiría yo. Recordemos el caso de Wolbachia en invertebrados.

Adicionalmente, la explicación anterior no excluye a los eucariotas unicelulares en los cuales una endosimbiosis con un fijador de nitrógeno podría ser una gran ventaja. De hecho existen endosimbiontes fijadores con dinoflagelados, aunque aun no son orgánulos. Foster, R. A., E. J. Carpenter, and B. Bergman. 2006. Unicellular symbionts in open ocean dinoflagellates, radiolarians and tintinnids: Ultrastructural characterization and immuno-localization of phycoerythrin and nitrogenase. Journal of Phycology 42:453

Finalmente, la evolución desde la endosimbiosis a ser un orgánulo no es un proceso fácil. El huésped siempre pierde parte de su genoma en el proceso. Tan sólo hay que mirar a las mitocondrias y a los cloroplastos. Muchas de sus funciones son adquiridas por el hospedador.

Figura de un artículo de la revista EMBO sobre la evolución de la mitocondria y los organulos conocidos como hidrogenosomas y mitosomas. Inicialmente una proteobacteria estableció una endosimbiosis con un antecesor de los eucariotas. Se desconoce si ese proto-eucariota tenía núcleo o no. Hay dos posible hipótesis. La línea A postula que el hidrogenosoma y el mitosoma provienen de las mitocondrias. La línea B postula que la endosimbiosis entre la proteobacteria y el eucariota fue desplazada por una endosimbiosis con una eubacteria anaerobia que posteriormente dio lugar a dichos orgánulos.

Preguntas Talmúdicas: Los cultivos puros no son naturales

Como estamos en verano se me ha ocurrido dedicar los post del mes de agosto a las "preguntas talmúdicas" (*) que aparecen en el estupendo blog de Moselio Schaechter, "Small things considered". También voy a escribir un resumen de las respuestas obtenidas, pero recomendaría al lector que pensará un poco la pregunta por si mismo antes de lanzarse a leer el resumen de dichas respuestas.


La primera pregunta es:

¿En qué lugar de la Tierra uno podría encontrar un cultivo puro de un microorganismo durante un largo período de tiempo?
Las simbiosis (mutualistas o parasitarias) no cuentan y tampoco las placas de Petri.


Y las respuestas fueron:

A. Danchin comentó dos posibles casos. Uno, la bacteria Photorhabdus luminescens. Esta bacteria se encuentra en tan sólo dos hábtitats. O creciendo como cultivo puro en cadáveres de larvas de insectos o en el tubo digestivo de gusanos nemátodos. P. luminiscens es una bacteria bastante curiosa. En su genoma posee una gran cantidad de genes que codifican para la síntesis de diversas toxinas y antibióticos. Eso podría explicar su "crecimiento puro". Otro que la bacteria Bacillus subtilis crece en cultivos puros a partir del heno, pero habría que demostrar que B. subtilis es el único colonizador de las hojas del heno. Una cosa es aislarla del heno y otra muy distinta que sea la única bacteria presente en el filoplano de dicha planta.

Larvas de insectos con P. luminiscens creciendo en sus tejidos.

Ciclo biológico de P. luminiscens. La bacteria es inoculada en la larva de insecto por un nematodo. La bacteria mata a la larva gracias a una toxina y luego produce enzimas para descomponer los tejidos de la larva y alimentarse. Los nemátodos se alimentan de las bacterias y de los tejidos del animal, reproduciéndose en su interior. Las formas juveniles de los nemátodos abandonan el cadáver portando a P. luminiscens en el interior de su tubo digestivo, buscando nuevas larvas de insecto para infectar. Se está intentando usar como bioinsecticida.

También se habló de los hábitats extremos. En concreto A. J. Cann comentó el caso de un lago hiperalcalino en Mongolia el cual en verano alcanza temperaturas elevadísimas y en invierno se congela. Mediante técnicas moleculares han aislado el DNA de tan solo 10 especies microbianas. Quizás sea el lugar con menos biodiversidad del planeta.

Lago hiperalcalino congelado.

(*) El Talmud (התלמוד) es una obra que recoge las discusiones rabínicas sobre leyes judías, tradiciones, costumbres, leyendas e historias. El Talmud se caracteriza por preservar la multiplicidad de opiniones a través de un estilo de escritura asociativo, mayormente en forma de preguntas, producto de un proceso de escritura grupal a veces contradictorio

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.