Una bacteria es una bacteria, es una bacteria

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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El oficio más antiguo del mundo

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Las levaduras y la fuente de la eterna juventud.

Las Tres Edades de la Mujer de Gustav Klimt.

Actualización septiembre 2011. El papel de las sirtuinas ha sido puesto en duda: ver en Biounalm

El envejecimiento no es algo raro para la experiencia humana. Es un proceso natural que también ocurre todas las formas vivas, incluso en las unicelulares como las levaduras. Generalmente una levadura recién nacida podrá dar lugar a una veintena de congéneres suyas mediante el proceso de gemación. Una vez hecho esto, la levadura deja de reproducirse y acaba muriendo.

Modelos de envejecimiento: la levadura Saccharomyces cerviseae, el gusano Caenorhabditis elegans, la mosca Drosophila melanogaster y el ratón Mus musculus.

Como las levaduras son el modelo por excelencia de las células eucariotas, más de un investigador se ha preguntado si el proceso de envejecimiento que se observa en dichos hongos unicelulares tiene paralelismos con el de las células animales. La hipótesis no es descabellada porque ya ha dado sus frutos en más de una ocasión, como es el caso de los genes que controlan el ciclo celular. Y comprender los procesos de envejecimiento es la base del desarrollo de fármacos anti-edad. El Dr. David Sinclair y unos cuantos colegas fundaron la pequeña compañía Sirtris Pharmaceuticals con dicho objetivo en mente.

Modelo Trdimensional de la Sirtuina

La proteína Sir2, o sirtuina, es una enzima con actividad deacetiladora de histonas, que fue descrita por primera vez en levaduras y cuya función es la de un centinela que debe de proteger el genoma. Está involucrada en silenciar la expresión genética de determinadas zonas y evitar una expresión descontrolada de los genes que allí se encuentren. También bloquea los reordenamientos cromosómicos que a veces ocurren en zonas con DNA muy repetitivo. Y eso lo hace disponiéndose en esos lugares como si hubiera una especie de "garitas". Cuando se produce un daño en el DNA que rompe su molécula, la sirtuina deja los lugares que está "protegiendo" y se coloca en aquellos donde se ha producido el daño. Cuanta más edad tiene un organismo, más daños tiene el DNA y más sirtuina deja sus "garitas" para disponerse en las zonas dañadas. Las zonas que han sido desprotegidas comienzan a expresar sus genes por lo que la se observa un cambio en la pauta de expresión genética muy característico en los procesos de envejecimiento. Cuando se incrementan los niveles de Sir2, las levaduras envejecen más lentamente.

Envejecimiento de la levadura. Ségún van fomándose nuevas células hijas el fenotipo de la célula madre va cambiando hasta que finalmente se vuelve esteril

Las sirtuinas son una familia de proteínas que están presentes en todos los dominios de la vida, entre ellos los mamíferos pero sus funciones no eran muy bien comprendidas hasta ahora. En la revista Nature se anuncia que Sinclair y sus colegas han encontrado que los mamíferos no solo tienen ese mismo tipo de proteína sino que además parece cumplir la misma función que en levaduras. Evidentemente el descubrimiento no ha pasado desapercibido a las grandes compañías y Sirtris Pharmaceuticals ha sido comprada por el gigante farmacéutico GlaxoSmithKline por 720 millones de dólares.

Lo que han encontrado es que la sirtuina de ratón, denominada SIRT1, se comporta como la proteína de levadura Sir2. En el ratón, SIRT1 está unida a secuencias de DNA repetitivo y zonas cuya expresión génica está silenciada. Los investigadores utilizaron cultivos de células embrionarias. Si las células son expuestas a la acción de una solución de agua oxigenada, se producen daños en el DNA y las proteínas SIRT1 dejan sus "garitas" para unirse a las zonas dañadas. Al comparar los patrones de expresión génica de las células embrionarias dañadas con los patrones de expresión de células de ratones ancianos, encontraron que ambos eran semejantes.

El siguiente paso de Sinclair y sus colegas será incrementar la expresión de SIRT1 en ratones envejecidos y comprobar si los patrones cambian a una fase más "juvenil", lo que significaría que si podrían revertir los efectos de la edad. Y evidentemente sería el paso previo para desarrollar verdaderos medicamentos anti-edad, no cosméticos.

Audio en "El podcast del microbio"

OBERDOERFFER, P., MICHAN, S., MCVAY, M., MOSTOSLAVSKY, R., VANN, J., PARK, S., HARTLERODE, A., STEGMULLER, J., HAFNER, A., & LOERCH, P. (2008). SIRT1 Redistribution on Chromatin Promotes Genomic Stability but Alters Gene Expression during Aging Cell, 135 (5), 907-918 DOI: 10.1016/j.cell.2008.10.025

División se escribe sin Z

autores: Manuel Sánchez y Miguel Vicente

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

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

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

Un hogar muy especial.

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

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

Estructura tridimensional de FtsZ y Tubulina.

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

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


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

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

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

Parientes lejanos

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

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

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

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

¿Eliges FtsZ o Cdv?

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

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

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


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

En busca de la Arquea perdida

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

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

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

Arbol filogenético del Dominio Archaea.

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

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

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

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

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

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

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

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

Audio en "El podcast del microbio"

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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