Fotosíntesis = Evolución + Teoría Cuántica

.

Lo que denominamos fotosíntesis en realidad son dos procesos acoplados. El esquema representa a un cloroplasto, pero también podría valer para explicar lo que ocurre en el interior de una cianobacteria. A la izquierda tenemos la denominada Fase Luminosa en la que la energía de la luz es transformada en energía química. En la parte de la derecha tenemos la Fase Oscura donde se aprovecha la energía química para reducir el CO2 a hidratos de carbono. En las plantas, algas y cianobacterias el donador de electrones e hidrógenos es el agua y por ello se consigue la fotolisis del agua obteniéndose oxígeno como producto residual, por ello se habla de fotosíntesis oxigénica. En otros seres vivos como las bacterias verdes, fotosíntéticos ese donador es distinto y no se produce oxígeno, por lo que se denomina fotosíntesis anoxigénica. (Fuente)

La fotosíntesis permite que ciertos seres vivos, como las plantas, las algas y algunas bacterias, transformen la energía luminosa en energía química. Esa transformación se consigue gracias a los llamados pigmentos fotosíntéticos. El más conocido es la clorofila de las plantas, pero el más abundante es la bacterioclorofila de las bacterias, aunque hay más tipos de pigmentos como las ficobilinas y los carotenos. A nivel molecular el aparato fotosintético consiste en unas 300 moléculas de pigmentos asociados a unas proteínas y dispuestos de una forma bastante especial.

El proceso por el cual la energía de un fotón se transforma en energía química es un ejemplo de cómo aprovechan los seres vivos la física y la química cuántica. Podemos imaginarnos a esos aparatos fotosíntéticos como una especie de embudo con una trampilla en su parte estrecha. La luz sería la lluvia. La trampilla al final del embudo sólo se abre si se acumulan un determinado número de gotas de agua. Una gota en caída libre no tiene suficiente fuerza para abrir la trampilla aunque cayera sobre ella. Cuando se abre la trampilla es cuando hemos conseguido transformar la energía luminosa en energía química.

En la parte ancha del embudo tendríamos lo que se conoce como la antena. La función de los pigmentos allí presentes es capturar fotones. Si una molécula de clorofila absorbe un fotón lo que le ocurre es que pasa a un estado excitado. Eso quiere decir que un electrón ha pasado a un nivel de energía mayor. Pero ese estado excitado es inestable, por lo que el electrón vuelve a su sitio y al hacerlo la molécula de clorofila cede energía que se transfiere a otro pigmento de la antena. Aunque la energía transferida es menor que la que tenía inicialmente el fotón absorbido, la antena consigue que la energía capturada por las diferentes moléculas de clorofila se vea canalizada hacia el centro de reacción, que se encontraría en la parte estrecha del embudo. En ese centro hay dos moléculas de clorofila y son las responsables de la conversión de la energía luminosa en energía química, bien en forma de ATP o bien en forma de un gradiente quimiosmótico de protones. La forma de hacerlo es simple. Cuando le llega la suficiente energía el centro de reacción se ioniza porque se consigue que uno de sus electrones tenga tanta energía que se ve liberado de la molécula a la que pertenece (esto sería la apertura de la trampilla del embudo). Como los pigmentos fotosintéticos se encuentran en una membrana y la separación de cargas ocurre en una de las caras de dicha membrana, lo que tenemos es un gradiente electroquímico, cuya energía puede ser aprovechada por la célula. Esta transferencia de energía está cercana a la eficiencia perfecta. No en vano el proceso ha estado sometido a la presión de la evolución por unos cuantos miles de millones de años.

Esquema del funcionamiento de un Fotosistema. Los pigmentos de la antena son los que captan fotones y canalizan la energía hacia el centro de reacción. (Fuente).

Pero más de uno se ha hecho la siguiente pregunta ¿Por qué la evolución no ha hecho más eficiente al centro de reacción y así hacer que la antena deje de ser necesaria? Volviendo a la analogía del embudo, porqué no crear una trampilla que pueda abrirse con un sólo fotón. Las células no tendrían que gastar recursos en sintetizar los pigmentos y proteínas de la antena. Hay varios motivos para ello.

El primero es que no siempre hay toda la luz que uno quiere. La fotosíntesis debe de funcionar con niveles de luz bajos que generan menos de una excitación electrónica por molécula de clorofila por segundo. La segunda es que las reacciones bioquímicas con las que está asocida la fotosíntesis requieren de varios eventos de transferencia electrónica. Por ejemplo, en la fotosíntesis de las cianobacterias y de las plantas se consigue tanta energía que puede romperse la molécula de agua en protones, electrones y oxígeno molecular. Pero para realizar dicha fotolisis se necesita en un momento dado la energía acumulada de cuatro fotosistemas. Adicionalmente, los fotosistemas permiten modular la cantidad de luz absorbida (lo que se conoce como apagamiento o quenching) evitando daños a la célula.

Finalmente, fabricar un centro de reacción es muy caro. Si un centro de reacción funcionase con un sólo fotón significaría que ese centro de reacción solo reconocería una determinada longitud de onda y no otra. La luz blanca está compuesta por fotones de distintas longitudes de onda. eso significaría que la célula debería fabricar centros de reacción para la luz roja, la luz amarilla, la luz azul, etc. La composición de los pigmentos de la antena permite que pueda haber varios tipos de pigmento que absorban a diferentes longitudes de onda, por lo que el centro de reacción puede ser usado con independencia del tipo de luz.

Es decir, la antena es una solución mucho más versatil y económica que tener simplemente centros de reacción. Así que la siguiente cuestión es ¿cómo han llegado a ser tan eficientes? Por el segundo principio de la termodinámica sabemos que cuando hay una transferencia de energía ésta no es completa. Siempre hay una perdida. Cuanto menor sea esa pérdida muchísimo mayor es la eficiencia del proceso. La fotosíntesis es uno de los procesos más eficientes desde el punto de vista energético. Nunca es menor del 90%. Y eso se consigue gracias a la combinación de varios factores.

El primer factor es que la disposición espacial de las moléculas de pigmento es óptima. Lo suficientemente cerca para permitir la transferencia de energía pero lo suficientemente lejos como para evitar la superposición de orbitales electrónicos que podrían quenchear los estados excitados. El segundo factor es que la organización supramolecular del fotosistema permite una gran cantidad de pautas de conexión para liberar la energía al centro de reacción. El tercer factor ha sido descrito recientemente en un artículo de la revista Nature. Un grupo de investigadores de la Universidad de Toronto han encontrado que las moléculas de pigmento se "cablean" entre sí gracias al fenómeno de coherencia cuántica.

Chroomonas, un alga criptofita (fuente 1 y 2)

Los investigadores han estudiado dos clases de complejos de antena que se encuentran en las algas criptofitas, unas algas eucariotas que viven en aguas dulces y marinas. Las diferentes especies de estas algas presentan antenas con una gran variación en el espectro de absorción de la luz. El principal pigmento fotosintético que contienen es la bilina, y son capaces de modularlo para que absorba a distintas longitudes de onda. Lo que hicieron fue excitar dichos complejos usando pulsos de laser de 25 femtosegundos (1 femtosegundo o fs es 10^-15 segundos). De esa forma crearon una superposición de estados electrónicos excitados conocido como un paquete de onda, que evoluciona en el tiempo de acuerdo con la ley de la mecánica cuántica. Estas leyes predicen que un paquete de ondas se comportará de un modo oscilante entre las posiciones a las cuales la excitación está localizada, con distintas correlaciones y anti-correlaciones en fase y amplitud. Sería semejante a una colección de péndulos oscilando de forma coherente. Pero este comportamiento colectivo se va disipando debido a las intereacciones entre las moléculas y el "ruido" molecular debido al ambiente proteico donde se encuentran los pigmentos.

El Fotosistema de la bacteria Rhodopseudomonas acidophila contiene 18 moléculas de pigmento que se disponen formando un círculo. Las moléculas se excitan tras la abosrción de fotones. En el gráfico se muestra la evolución en el tiempo de la probabilidad de que se de una excitación en una determinada posición del complejo tras una excitación con un pulso de láser en el tiempo cero. La probabilidad se representa con la intensidad del color, siendo el azul oscuro el valor de probabilidad cero y el color rojo la probabilidad máxima. El número de cada molécula del anillo está indicado en la parte de abajo. Puede observarse que la excitación oscila entre pequeños grupos de moléculas (círculos blancos)con un período de 350 fs, lo cual es una manifestación del fenómeno de coherencia cuántica. (Fuente)

Ese comportamiento oscilante en respuesta a una excitación laser se había observado antes en una especie pertenceciente a las bacterias verdes del azufre. Sin embargo, dichos experimentos fueron realizados a temperaturas de 77 grados Kelvin, (aproximadamente -196º C). De esa forma se minimizaba la interacción de los pigmentos con otras moléculas de su ambiente y se forzaba a que ocurriesen estos efectos cuánticos. Los actuales experimentos se han realizado a temperatura ambiente, con lo que el fenómeno de coherencia cuantica sucede en condiciones normales. Además han encontrado otros fenómenos. Las oscilaciones debidas a la coherencia cuántica son bastante largas (en el rango de los 400 fs) y afecta a moléculas bastante alejadas entre sí.

¿Que significa esto en términos prácticos? La coherencia cuantica permite que el fotosistema "memorice" el estado de excitación. Así que la transferencia de energía entre las moléculas de pigmento no se produce por saltos al azar, sino que se consigue direccionar preferentemente hacia el centro de reacción, lo que aumenta la eficacia. Para entenderlo volvamos al ejemplo del embudo y la lluvia. Sin coherencia cuantica las paredes del embudo son lisas. Imaginemos que cae una gota y choca con esas paredes lisas. Lo normal es que una vez choque con las paredes, la gota se resbale hacia abajo. Pero por azar podría suceder que la gota golpeara de tal forma que salpicara hacia arriba, perdiendose su energía. Con la coherencia cuantica, las paredes del embudo no son lisas sino que tienen unas canaladuras que obligan a cualquier gota que caiga a ir hacia abajo, nunca salpicarían hacia arriba.

¿Cómo ha conseguido este alga dicha coherencia cuantica en sus fotosistemas? Pues uniendo covalentemente los pigmentos de bilina a las proteínas del complejo. Los investigadores también proponen que la coherencia cuantica también podría "cablear" los aceptores finales de la energía en este tipo de fotosistemas, compensando los débiles acoplamientos electrónicos que se observa entre los pigmentos del complejo.

Modelo estructural de la antena de Chroococcus. Las ocho moléculas de pigmento están coloreadas de rojo, azul y verde. Son diferentes pigmentos por lo que este fotosistema puede absorber fotones con distintas longitudes de onda.(Fuente)

Referencias:

Grondelle y Novoderezhkin 2010
Collini et al. 2010


Collini E, Wong CY, Wilk KE, Curmi PM, Brumer P, & Scholes GD (2010). Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. Nature, 463 (7281), 644-7 PMID: 20130647

Esta entrada ha participado en la 4ª edición de "El carnaval de la física"

.

El blues del citoplasma

Ya que estamos de fin de semana aquí dejo algo lúdico.

The Cytoplasm Blues
Copyright 1989 T.H. Culhane
Melodic-Mnemonics


Y aquí os dejo una traducción aproximada

Tengo un núcleo por cerebro
Donde guardo mi DNA
Tengo mis planos escondidos
en genes sobre cromosómicas cadenas

Para ser transcrito a RNA
Contenido dentro de la membrana celular

Bajando a la llanura citoplasmática
Bajando por el camino del Retículo Endoplasmático
Es donde los ribosomas actúan
Produciendo proteínas cada día
Enviadas al muelle del complejo de Golgi
Donde son empaquetadas y lejos mandadas

Bajando donde yace el lisosoma
Un montón de enzimas, tipos siniestros
Que a traves de la digestión ganan el premio
Por romper la comida en pedacitos
Pero estas células aerobias son listas
En la manera de conseguir energía

La mandan a la Mitocondria
Donde se gana la batalla por el ATP
Produciendo energía para que la célula funcione
Porque estas pobres células animales no pueden usar el sol

Porque tenemos que trabajar
Tenemos que Comer
Nos volvemos frenéticos
Tratando de competir
Pero eso es por lo que Vivir
Es taaaaaaaaan divertido
(¡SI!, ¡tienes que creer en las vidas de la célula!)

¿Hacen endosporas las micobacterias? Pues va a ser que no

.

El pasado 20 de julio publiqué en el blog la entrada "¿Hacen endosporas las micobacterias?" en la cual describía unas observaciones realmente interesantes y curiosas sobre la posibilidad de que dicho grupo bacteriano desarrollase tan peculiares estructuras. Al final del mismo decía que si finalmente se concluye que el género Mycobacterium es capaz de formar endosporas entonces si que estaremos frente a un cambio paradigmático. Será fascinante observar el desarrollo de esta historia, ya sea para confirmar o rebatir esta primera observación.

Bueno, pues parece que ya tenemos aquí una respuesta a la pregunta y parece ser que la observación inicial no se confirma.

Uno de los grupos de investigación más prestigiosos en el estudio de la biología de Bacillus subtilis y en el proceso de esporulación es el liderado por el Dr. Richard Losick. Supongo que cuando leyó el artículo de Gosh et al. debió de hacer sonar la corneta para poner a su gente a trabajar y confirmar o rebatir las anteriores observaciones. Y vaya que si lo ha hecho. Ha realizado una colaboración con cuatro grupos para que cada uno de manera independiente, repitiesen los experimentos descritos anteriormente. Y los resultados los han publicado en la revista PNAS, la misma que publicó el artículo de Gosh y colaboradores.

Reproducción de la fotografía del artículo de Gosh et al. en la que se veían las supuesats endosporas de Mycobacterium comparándola con la microfotografía de una endospora de Bacillus subtilis. (Fuente)

En primer lugar se pusieron a buscar genes ortólogos para esporulación en especies del género Mycobacterium y Streptomyces. Una de las cosas que les llamó la atención es el extraordinario parecido entre las supuestas endosporas de Mycobacterium con las endosporas de Bacillus. Así que con buen criterio pensaron que unas estructuras tan parecidas bien podrían ser codificadas por genes muy semejantes. Streptomyces fue incluido porque es un género productor de exosporas y, como Mycobacterium, también pertenece al grupo de Bacterias Gram Positivas de alto contenido en G+C. En cambio Bacillus subtilis pertenece al grupo de las de bajo contenido en G+C. En el anterior trabajo se describió que había cuatro genes de esporulación presentes en Mycobacterium. Pero cuatro es un número muy bajo si consideramos que hay doscientos genes involucrados en el complejo proceso de espòrulación. Además, esos cuatro genes no son exclusivos de las Micobacterias, sino que también están presentes en otros grupos que no esporulan. La mayor parte de los genes esenciales para la esporulación están ausentes en los genomas de Mycobacterium y de Streptomyces.

Pero claro, uno siempre puede argumentar que a pesar del extraordinario parecido entre las endosporas de una y otra bacteria, los genes que llevan a cabo el proceso podrían ser muy distintos entre si. Estaríamos hablando de una convergencia evolutiva, pero de un nivel no descrito anteriormente. En una convergencia evolutiva, dos seres vivos llegan a desarrollar estructuras similares análogas pero que tienen distinto origen evolutivo. El ejemplo de libro de texto es el del ala de un ave y el ala de un murciélago. Ambos son extremidades voladoras, pero la primera se desarrolla a partir de toda la extremidad mientras que la segunda a partir de la "mano" del murciélago. Aquí tendríamos dos bacterias que habrían desarrollado la misma estructura de resistencia pero a partir de genes completamente diferentes.

Comparación entre un cultivo de 84 días de Mycobacterium y un cultivo de Bacillus subtilis en el que pueden verse perfectamente las esporas como puntos brillantes debido a su refringencia. (Fuente)

Así que lo siguiente que hicieron fue tratar de reproducir las observaciones de Gosh y sus colaboradores. Tomaron las mismas cepas que se habían utilizado antes y unas nuevas, las inocularon y crecieron en las mismas condiciones y esperaron. Después de 12 semanas fueron incapaces de observar ni una sola espora. No sólo eso. Diseñaron experimentos de "doble ciego". Cultivos de Mycobacterium eran contaminados a proposito con esporas de Bacillus y luego estos se pasaban a otra persona para que los observara al microscopio, pero esta persona desconocía que los cultivos habían sido contaminados. De esa forma se aseguraban si el observador era capaz de ver esporas cuando éstas estaban presentes.

A partir de un cultivo de M. marinum de más de 15 días de edad se tomaron dos inóculos conteniendo 1000 unidades formadoras de colonias cada uno. El de la izquierda fue tratado a 65ºC durante 15 minutos previamente a su inoculación en la placa de Petri. (Fuente)

Finalmente, tampoco han conseguido reproducir la termorresistencia observada por el grupo de Gosh. Esa propiedad era una de las más llamativas observaciones. Desde tiempos de Pasteur se sabía que la cocción de la leche a 65º era una de las formas seguras de eliminar al patógeno de la tuberculosis bovina y evitar su transmisión a los humanos. También han visto que dicha termoresistencia no aparece en microorganismos obtenidos de infecciones latentes en un modelo animal. Una de las hipótesis lanzadas era que las endosporas termorresistentes podrían explicar el fenómeno de la latencia, por el cual el patógeno permanecía latente en los tejidos del hospedador y al cabo del tiempo resurgía. Pues bien, la explicación de la latencia tendrá que esperar, pero lo que es seguro es que no es debida a una termorresistencia que no existe.

Como dicen al final del artículo, o esto es un caso de convergencia evolutiva como nunca antes se había visto, o el grupo de Gosh había trabajado con cultivos contaminados con alguna especie de Bacillus.

Y es que hasta el mejor escribano tiene un borrón.

Traag BA, Driks A, Stragier P, Bitter W, Broussard G, Hatfull G, Chu F, Adams KN, Ramakrishnan L, & Losick R (2010). Do mycobacteria produce endospores? Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107 (2), 878-81 PMID: 20080769
Ghosh J, Larsson P, Singh B, Pettersson BM, Islam NM, Sarkar SN, Dasgupta S, & Kirsebom LA (2009). Sporulation in mycobacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106 (26), 10781-6 PMID: 19541637

.

Fumando TaBACto

.

Que fumar es malo para la salud nadie lo niega. Pero la cosa puede ser peor de lo que se creía.

Un grupo investigador de la Universidad de Maryland dirigido por la Dra. Amy Sapkota se ha puesto a estudiar la microbiota presente en los cigarrillos. Todo el mundo sabe que los fumadores son más propensos a padecer infecciones respiratorias pues el tabaco debilita las defensas inmunitarias amén de otros efectos perniciosos. Pero a la Dra. Sapkota se le ocurrió pensar que los cigarrillos también podrían ser una fuente de infección a partir de los microorganismos presentes en ellos.

Cuando uno intenta aislar microorganismos de un cigarrillo a la manera tradicional de conseguir aislamientos en placas Petri acaba con una o dos especies. Pero el grupo de Sapkota ha utilizado una aproximación basada en la genómica. Han aislado y secuenciado el gen del 16S rRNA de los microorganismos presentes en marcas tan conocidas como Marlboro, Camel o Lucky Strike. Lo que han encontrado son grandes cantidades de bacterias pertenecientes a los géneros Campylobacter, que puede causar intoxicaciones alimentarias y el síndrome de Guillain-Barre; Clostridium, que también causa intoxicaciones y neumonías; Corynebacterium, también asociada a neumonías; Escherichia coli, Klebsiella y Pseudomonas, patógenos oportunistas que pueden causar neumonías, y una gran cantidad de especies de Staphylococcus.



Se podría pensar que el calor generado en la combustión de un cigarrillo sería suficiente para eliminar a las bacterias presentes en el mismo. Pero puede que no. La combustión está en una zona localizada y la aspiración del humo podría desprender a los microorganismos y transportarlos al interior de los pulmones. Es precisamente el siguiente objetivo del grupo de la Dra. Sapkota. Demostrar que eso puede suceder.

Así que, mejor no fumar. Tus pulmones y tu sistema inmune te lo agradecerán.

Audio en "El podcast del microbio"

.

Teatro de los microbios-2

.

El segundo episodio del "Teatro de los microbios" está dedicado a los hongos más comunes que pueden aparecer en los lugares húmedos.

Colonia de Penicillium chrysogenum (Fuente)

Penicillium chrysogenum es famoso por ser el hongo a partir del cual se extrajo por primera vez la penicilina. Es el típico moho verdoso que se forma sobre el pan de sandwich que nos hemos olvidado en el estante durante semanas.

Colonias de Cladophialophora bantiana (Fuente)

Tal y como se indica, el hongo Cladosporium trichoides es el fastidioso moho negro que sale entra las juntas de las baldosas de los cuartos de baño, o sobre el plástico de la cortina de la ducha. Actualmente se le conoce por Cladophialophora bantiana, y aunque en su caricatura parece un tipo simpático, a veces puede actuar como un patógeno oportunista provocando abcesos en el cerebro.

Colonias de Alternaria alternata (Fuente)

Alternaria alternata también es famoso como patógeno oportunista. Puede provocar infecciones tanto en plantas como en animales. En el caso de humanos se han descrito numerosos caso de infecciones respiratorias en pacientes con SIDA. Y como también se indica, puede crecer en las soluciones que preservan a las lentes de contacto, con lo que puede provocar una queratitis grave.

Catálogo completo de los microbios que aparecen en la serie en "La Ciencia de la Vida" por Carlos Lobato

.

Vida críptica en los Valles Secos de la Antártida

.

Esta entrada es una traducción de la entrada "Cryptic Life in the Antarctic Dry Valleys" escrita por Merry Youle en el blog "Small Things Considered".

Un ventifacto, una piedra esculpida por la arena y el viento, en el paisaje "marciano" del Valle Seco de McMurdo. (Fuente)

A primera vista el hábitat parece tan estéril como la superficie del cristal autoclavado... pero el ojo entrenado, ayudado por el microscopio, lo ve de otra forma.

E.O. Wilson, "The Future of Life"


Para el microbiólogo, la cosa más parecida a un viaje a Marte podría ser una expedición a los Valles Secos de McMurdo en la Antártida. Allí, en los desiertos más secos y fríos de la Tierra, las condiciones se aproximan a aquellas de nuestro planeta vecino y se piensa que también al límite para la vida en cuanto a frialdad y aridez. No todas las partes de los Valles Secos son igualmente secas. Algunas tienen lagos alimentados por glaciares y arroyos efímeros permanentemente congelados, por lo que hay algo de humedad en el suelo. Aquí uno puede encontrar mas vida, incluso taxones de animales multicelulares -tardígrados, rotíferos, y, mucho más numerosos, nematodos que se alimentan de bacterias.


Un lugar que es un Valle Seco verdaderamente seco, ya que no tiene siquiera esa fuente de agua, es el Valle McKelvey. La poca nieve que cae, o bien es barrida por el viento o bien se sublima en las frías e hiper-áridas condiciones reinantes. ¿Cuánto frío hace? La temperatura media del aire es de alrededor de -20ºC. El invierno trae largos periodos de unos fríos -55ºC; en el verano, la temperatura del aire puede subir a unos balsámicos 0ºC. La humedad relativa es baja (menor del 10% en invierno) . Y además están los incesantes vientos catabáticos (derivados del griego katabatikos que significa "ir cuesta abajo"). Un frío y denso aire cae baja por las pendientes de la Capa de Hielo del Este Antártico y corre a través del valle a velocidades que superan los 50 km/h, algunas veces alcanzando los 320 km/h. Estos vientos evaporan toda la humedad y transportan granos de arena que arrasan el asolado paisaje. Con todo, estas condiciones muestran un cierto parecido con aquellas que se usan en la liofilización de muestras biológicas.

El suelo del valle es un suelo mineral con una alta salinidad, desecado, lleno de grava, inestable, con poco material orgánico y con la menor concentración conocida de nitratos en un suelo terrestre. Las temperaturas de superficie fluctúan enormemente bajo el intenso sol del verano, mostrando en unas pocas horas un sube y baja entre -15º y +27'5ºC . La radiación UV es intensa. Y, por supuesto, los vientos asolan la tierra y se llevan cualquier pizca de humedad. Sin embargo, la vida consigue medrar. Algunos intrépidos investigadores dejan atrás las comodidades de Hong Kong, o Nueva Zelanda, o incluso la relativamente balsámica Minnesota, para observar a los organismos que viven en esas condiciones tan extremas. Como se recoge en un reciente artículo, hay algunas bacterias que viven en la superficie de esos suelos secos, mayoritariamente Acidobacteria y Actinobacteria. Como uno esperaría, en el tope de la lista están los taxa tolerantes a la desecación como Deinococcus y Rubrobacter. Hay también numerosos fijadores del nitrógeno. Sin ningún fotoautótrofo o un quimioautótrofo presente, el carbón orgánico es un premio, y su perdida supone la imposibilidad de que dichas comunidades sigan desarrollándose.

Tanto cuantitativamente como cualitativamente, mucha de la vida del valle no está asociada con el suelo, sino con las rocas. Aquí y allí el plano lecho de roca sedimentaria está expuesto. Las superficies rocosas, e incluso las grietas poco profundas, están estériles debido a las fluctuaciones de la temperatura y a la abrasión de la arena llevada por el viento. Pero cualquier vida que consigue guarecerse, incluso unos pocos milímetros, encuentra temperaturas más estables y refugio frente al incesante viento e incluso el intenso frío. Teniendo en cuenta que el limite para los procesos metabólicos se estima en -6º ó -8ºC, alguna actividad podría ser posible en esos nichos rocosos durante al menos unas 1000 horas por año. Eso es suficiente para mantener dos tipos de comunidades microbianas: los endolitos, organismos que viven dentro de la estructura porosa de la roca; y los casmolitos, aquellos que viven dentro de las grietas y fracturas.

Comunidad de endolitos en una roca arenisca fracturada. (Fuente)

Debido a su estructura y mineralogía, las rocas sedimentarias como la arenisca del lugar son adecuadas para albergar endolitos a unos pocos milímetros por debajo de su superficie. Suficiente luz penetra para realizar la fotosíntesis (al menos durante los meses en los que hay sol), mientras que el daño por los UV se ve reducido. En contraste a la comunidad del suelo, estos habitantes de las rocas son principalmente fotoautótrofos. Se detectan, visualmente y experimentalmente, dos comunidades distintas de bacterias y eucariotas. Los 2 mm superiores, llamada la zona de los líquenes, está dominada por el hongo liquenizado Texosporium sancti-jacobi, asociado con el alga verde Trebouxia jamesii. Por debajo de los 2 mm, son las cianobacterias fotosintéticas las que mandan, mayoritariamente Chroococcidiopsis, un género notable por presentar una radioresistencia comparable a la de Deinococcus radiodurans. Sin obviar los bajos niveles de luz, puede que ésta no sea el factor limitante de estas comunidades endolíticas, sino que lo sea el CO2. Las comunidades casmolíticas presentes en las grietas, se componen principalmente de varios líquenes y cianobacterias, combinado con algunas salpicaduras de otros grupos bacterianos.

Casmolitos: una comunidad microbiana liquenizada sobresale de una fractura en una roca granítica (Fuente)

Todavía hay una cuarta comunidad críptica, los hipolitos que viven debajo de algunas piedras ligeramente coloreadas. Están compuestas casi exclusivamente por cianobacterias, sobreviviendo en una ambiente que recibe menos de un 0,1% de la luz incidente. No hay hongos ahí, y tan sólo unas pocas algas acompañan a las cianobacterias.

Una tipica piedra de cuarzo. Debajo de ella se encuentra una comunidad microbiana hipolitica aunque no haya ninguna evidencia externa. (Fuente)

Hay una tendencia a pensar que cuanto más extremo es el ambiente, menos diversidad biológica se encuentra. Las comunidades de los Valles Secos no se ajusta a esa pauta. Juntos, los endolitos y casmolitos, comprende mas de 50 especies bacterianas (basado en el 98% de identidad de sus secuencias del 16S rRNA). Aunque los eucariotas representan el 5% de esas comuniades, entre ellos se encuentran cuatro géneros de hongos (Ascomycota y Basidiomycota) y tres grupos de algas. Si añadimos los hipolitos, las tres comunidades líticas abarcan 16 phyla en dos dominios.

¿Y que pasa con las ausentes arqueas, las maestras de los ambientes extremos? No se ha encontrado ni una por ahora, ni siquiera agazapada debajo de una roca. Seguramente quedan todavía muchas sorpresas por encontrar para el investigador criofílico.

Links relacionados: Secreto bajo el hielo

.

Evasión dorada

.

La bacteria Staphylococcus aureus. Fuente: NaturaLEO

Una de las funciones de nuestro sistema inmune es la de defendernos de los microorganismos patógenos. Para ello dispone de una gran diversidad de células. Algunas de ellas, como las células de Langerhans o los macrófagos circulantes, son las responsables de la llamada respuesta inmune inespecífica. Estas células son la primera línea de defensa y suelen encontrarse en las mucosas. Otras como los linfocitos, son células en responder de manera especializada tras haber entrado en contacto con la amenaza, y por ello son las responsables de la respuesta inmune adquirida.


Un aspecto crucial de la respuesta inmune es la coordinación entre las diferentes células y para ello existe una miríada de mensajeros químicos. Uno de ellos es la adenosina. Cuando se produce un daño tisular o una infección bacteriana, al poco tiempo suele producirse una inflamación en la zona afectada. La adenosina está involucrada en que la inflamación no se extienda más de lo necesario, pues de lo contrario se producen daños tisulares que agravarían la situación.

Adenosina

Pero sin adenosina las cosas tampoco funcionan correctamente. Hay un síndrome en el que los pacientes que lo sufren no tienen la enzima adenosina deaminasa, que transforma la adenosina en inosina, inactivándola. Sin esa enzima, los niveles de adenosina se disparan y se producen fallos en la comunicación intercelular y en la producción de inmunoglobulinas. Así que es necesario que los niveles de adenosina sean controlados para asegurar un correcto funcionamiento del sistema inmune.

Desde hace tiempo se conoce que muchos patógenos son capaces de escaparse a la acción de la respuesta inmune inespecífica. Hay varios mecanismos identificados, pero recientemente un grupo de la Universidad de Chicago ha encontrado uno nuevo en Staphylococcus aureus. Esta bacteria puede evitar la fagocitosis mediante el uso de la enzima Adenosina Sintetasa A (AdsA). El microorganismo presenta la enzima anclada a su pared celular y lo que hace es convertir la adenosina monofosfato en adenosina, lo que no sólo provoca un incremento en los niveles de la molécula en sangre destruyendo el equilibrio y volviendo loco al sistema inmune. También han comprobado que la adenosina inhibe la fagocitosis por los macrófagos, lo que permite que S. aureus pueda evadirse de las defensas innatas del sistema inmune.

Fagocitosis por un neutrófilo. El panel (a) muestra la unión y la fagocitosis de un microbio opsonizado por la acción de un anticuerpo o del complemento. La fagocitosis dispara la producción del ión superóxido a partir del cual se producen otras oléculas reactivas como el peróxido de hidrógeno (H2O2) y el ácido hipocloroso (HOCl). La microfotografía del panel (b) muestra a un neutrófilo que ha fagocitado a numerosos S. aureus. Fuente: Kobayashi y Leo, 2009.

El asunto es grave si consideramos que cada vez hay más casos de infecciones por S. aureus resistente a meticilina. Pero la cosa no se ha quedado ahí. Los investigadores han encontrado que Bacillus anthracis, el patógeno que causa el carbunco (últimamente conocido como ántrax), presenta un gen similar. Es decir, AdsA es un nuevo factor de virulencia que le permite al patógeno evadir la acción del sistema inmune.


Thammavongsa V, Kern JW, Missiakas DM, & Schneewind O (2009). Staphylococcus aureus synthesizes adenosine to escape host immune responses. The Journal of experimental medicine, 206 (11), 2417-27 PMID: 19808256

.

Derrotar a un enemigo con sus mismas armas

.

Ilustración utilizada en el último número de la revista ChemBioChem mostrando el concepto de la utilización de enzimas que confieren resitencia a los antibióticos como herramientas para generar nuevos antibióticos (Fuente)

Las resistencias bacterianas son uno de los grandes problemas sanitarios actuales. Los microorganismos poseen varias estrategias para evitar la acción de los antibióticos. Una de las más comunes es la producción de enzimas que destruyan o inactiven a las moléculas de antibióticos. Pues bien, un grupo de la Universidad de Michigan y de la Universidad de Tel-Aviv liderados por la doctora Sylvie Garneau-Tsodikova ha convertido a un tipo de esas enzimas inactivantes en la base de una técnica para producir nuevos antibióticos capaces de matar a las bacterias resistentes.

El trabajo ha sido publicado en la revista ChemBioChem. Entre los diversos antibióticos que podemos encontrar en la farmacopea uno de los grupos más usados son los aminoglicósidos, como la kanamicina, la estreptomicina y la amikacina. Este tipo de antibióticos tienen una estructura molecular bastante compleja y los intentos por desarrollar nuevos aminoglicósidos modificando sus grupos funcionales son bastante laboriosos, complicados y caros, pues se requieren cantidades apreciables del antibiótico para dicho proceso. A eso hay que añadir que una vez se tiene el nuevo compuesto hay que realizar una serie de pruebas para comprobar su poder bactericida. El proceso puede durar años costando un montón de dinero y si al final el compuesto resulta no ser efectivo hay que empezar otra vez desde cero.

Sitios de modificación enzimática de la kanamicina que conducen a su inactivación (fuente)

Las resistencia bacteriana más típica frente a los aminoglicósidos es el enzima aminoglicosido-acetiltranferasa (AAC). Lo que hace esta enzima es tomar una molécula de antibiótico y otra de acetil-coenzima A, y cuando las tiene juntas transfiere un grupo acetilo al antibiótico inactivándolo. Es decir, la enzima toma dos sustratos y acabamos con un solo producto. Esta enzima ha sido estudiada en profundidad desde el punto de vista de como inactivaba a los aminoglicósidos. Se la definió como una enzima promiscua pues no parecía mostrar preferencia por ningún aminoglicósido en particular. Era capaz de inactivar a cualquiera.

En la parte superior se muestra la molécula de Acetil-Coenzima A. La parte que se transfiere al antibiótico es la coloreada en amarillo. La molécula puede ser más compleja (Acil-coenzima A) y por lo tanto puede transferirse a los antibióticos otros grupos químicos; como el benzilo o el butarilo; que en lugar de inactivar al antibiótico, lo hagan más potente

Los investigadores abordaron el problema desde otra perspectiva. Si la enzima era promiscua para el tipo de aminoglicósido ¿lo sería también para el otro co-sustrato, la acetil-coenzima A? Se encontraron que sí lo era. ¿Que han logrado con ello? Producir nuevos antibióticos aminoglicósido de manera rápida y sencilla. Lo único que han tenido que hacer es mantener el aminoglicósido y cambiar el otro co-sustrato por análogos de la acetil-coenzima-A. De esa forma la AAC transfería distintos grupos funcionales al aminoglicósido creando de esa forma nuevos antibióticos.

Esquema mostrando la modificación de un aminoglicósido mediante el uso de diferentes AACs y diferentes análogos de Acil-CoA para producir distintos antibióticos (fuente ChemBioChem)

Mediante este procedimiento se abaratan mucho los costes de producción de nuevos antibióticos pues bastan unos pocos miligramos para ser modificados por la enzima y posteriormente ser analizados como en su actividad antibacteriana.

Green, K., Chen, W., Houghton, J., Fridman, M., & Garneau-Tsodikova, S. (2010). Cover Picture: Exploring the Substrate Promiscuity of Drug-Modifying Enzymes for the Chemoenzymatic Generation of N-Acylated Aminoglycosides (ChemBioChem 1/2010) ChemBioChem, 11 (1), 1-1 DOI: 10.1002/cbic.200990088
.

Red SOStenible

Consideramos imprescindible la retirada de la disposición final primera de la Ley de Economía Sostenible por los siguientes motivos:

1 -Viola los derechos constitucionales en los que se ha de basar un estado democrático en especial la presunción de inocencia, libertad de expresión, privacidad, inviolabilidad domiciliaria, tutela judicial efectiva, libertad de mercado, protección de consumidoras y consumidores, entre otros.

2 - Genera para la Internet un estado de excepción en el cual la ciudadanía será tratada mediante procedimientos administrativos sumarísimos reservados por la Audiencia Nacional a narcotraficantes y terroristas.

3 - Establece un procedimiento punitivo “a la carta” para casos en los que los tribunales ya han manifestado que no constituían delito, implicando incluso la necesidad de modificar al menos 4 leyes, una de ellas orgánica. Esto conlleva un cambio radical en el sistema jurídico y una fuente de inseguridad para el sector de las TIC (Tecnología de la Información y la Comunicación). Recordamos, en este sentido, que el intercambio de conocimiento y cultura en la red es un motor económico importante para salir de la crisis como se ha demostrado ampliamente.

4 - Los mecanismos preventivos urgentes de los que dispone la ley y la judicatura son para proteger a toda ciudadanía frente a riesgos tan graves como los que afectan a la salud pública. El gobierno pretende utilizar estos mismos mecanismos de protección global para beneficiar intereses particulares frente a la ciudadanía. Además la normativa introducirá el concepto de "lucro indirecto", es decir: a mí me pueden cerrrar el blog porque "promociono" a uno que "promociona" a otro que linka a un tercero que hace negocios presuntamente ilícitos

5 - Recordamos que la propiedad intelectual no es un derecho fundamental contrariamente a las declaraciones del Ministro de Justicia, Francisco Caamaño. Lo que es un derecho fundamental es el derecho a la producción literaria y artística.

6 - De acuerdo con las declaraciones de la Ministra de Cultura, esta disposición se utilizará exclusivamente para cerrar 200 webs que presuntamente están atentando contra los derechos de autor. Entendemos que si éste es el objetivo de la disposición, no es necesaria, ya que con la legislación actual existen procedimientos que permiten actuar contra webs, incluso con medidas cautelares, cuando presuntamente se esté incumpliendo la legalidad. Por lo que no queda sino recelar de las verdaderas intenciones que la motivan ya que lo único que añade a la legislación actual es el hecho de dejar la ciudadanía en una situación de grave indefensión jurídica en el entorno digital.

7 - Finalmente consideramos que la propuesta del gobierno no sólo es un despilfarro de recursos sino que será absolutamente ineficaz en sus presuntos propósitos y deja patente la absoluta incapacidad por parte del ejecutivo de entender los tiempos y motores de la Era Digital.

La disposición es una concesión más a la vieja industria del entretenimiento en detrimento de los derechos fundamentales de la ciudadanía en la era digital.

La ciudadanía no puede permitir de ninguna manera que sigan los intentos de vulnerar derechos fundamentales de las personas, sin la debida tutela judicial efectiva, para proteger derechos de menor rango como la propiedad intelectual. Dicha circunstancia ya fué aclarada con el dictado de inconstitucionalidad de la ley Corcuera (o ley de patada en la puerta). El Manifiesto en defensa de los derechos fundamentales en Internet, respaldado por más de 200 000 personas, ya avanzó la reacción y demandas de la ciudadanía antes la perspectiva inaceptable del gobierno.

Para impulsar un definitivo cambio de rumbo y coordinar una respuesta conjunta, el 9 de enero se ha constituido la "Red SOStenible" una plataforma representativa de todos los sectores sociedad civil afectados. El objetivo es iniciar una ofensiva para garantizar una regulación del entorno digital que permita expresar todo el potencial de la Red y de la creación cultural respetando las libertades fundamentales.

En este sentido, reconocemos como referencia para el desarrollo de la era digital, la Carta para la innovación, la creatividad y el acceso al conocimiento, un documento de síntesis elaborado por más de 100 expertos de 20 países que recoge los principios legales fundamentales que deben inspirar este nuevo horizonte.

En particular, consideramos que en estos momentos es especialmente urgentes la implementación por parte de gobiernos e instituciones competentes, de los siguientes aspectos recogidos en la Carta:

1 - Las/os artistas como todos los trabajadores tienen que poder vivir de su trabajo (referencia punto 2 "Demandas legales", párrafo B. "Estímulo de la creatividad y la innovación", de la Carta);

2 - La sociedad necesita para su desarrollo de una red abierta y libre (referencia punto 2 "Demandas legales", párrafo D "Acceso a las infraestructuras tecnológicas", de la Carta);

3 - El derecho a cita y el derecho a compartir tienen que ser potenciado y no limitado como fundamento de toda posibilidad de información y constitutivo de todo conocimiento (referencia punto 2 "Demandas legales", párrafo A "Derechos en un contexto digital", de la Carta);

4 - La ciudadanía debe poder disfrutar libremente de los derechos exclusivos de los bienes públicos que se pagan con su dinero, con el dinero publico (referencia punto 2 "Demandas legales", párrafo C "Conocimiento común y dominio público", de la Carta);

5 -Consideramos necesaria una reforma en profundidad del sistema de las entidades de gestión y la abolición del canon digital (referencia punto 2 "Demandas legales", párrafo B. "Estímulo de la creatividad y la innovación", de la Carta).

Por todo ello hoy se inicia la campaña INTERNET NO SERA OTRA TELE y se llevarán a cabo diversas acciones ciudadanas durante todo el periodo de la presidencia española de la UE.

Consideramos particularmente importantes en el calendario de la presidencia de turno española el II Congreso de Economía de la Cultura (29 y 30 de marzo en Barcelona), Reunión Informal de ministros de Cultura (30 y 31 de marzo en Barcelona) y la reunión de ministros de Telecomunicaciones (18 a 20 de abril en Granada).

La Red tiene previsto reunirse con representantes nacionales e internacionales de partidos políticos, representantes de la cultura y legaciones diplomáticas.

Firmado Red SOStenible

La Red Sostenible somos todo. Si quieres adherirte a este texto, cópialo, blogguéalo, difúndelo.

Microbe Manga

Moyashimon (Cuentos de la Agricultura *) es una serie japonesa de dibujos animados que cuenta las aventuras de Tadayasu Sawaki, un estudiante de primer año de Ciencias Agrícolas. De manera similar a Eliza Thornberry con los animales, Sawaki tiene el don de comunicarse con los microbios. Estos son representados al estilo manga como unas criaturitas saltarinas y redondas de voces chillonas e infantiles.

Comienzo de la serie con subtítulos en español

En youtube pueden encontrarse alguna de sus aventuras subtituladas en inglés y en español. Al final de cada episodio los microorganismos se convierten en los protagonistas organizando el llamado "Teatro de los microbios". Aquí os dejo el primero en el que Aspergillus oryzae se encuentra con Penicillium chrysogenum.

Aspergillus oryzae es el hongo principal en la fermentación de la soja y en otras fermentaciones de productos japoneses como el miso y el sake. Allí se le conoce por koji (麹) y ha sido definido como el hongo nacional del Japón. Por sus propiedades amilolíticas también se utiliza en las etapas iniciales (cultivos starter) en la fermentación del arroz pues degrada el almidón produciendo glucosa que luego es utilizada por Sacharomyces cereviseae para producir alcohol. En el video se representa una fabrica donde se produce este hongo en grandes cantidades para luego ser utilizado en otros procesos fermentativos como cultivos starter. Por eso tienen miedo de que Penicillium chrysogenum les contamine.

(*) De acuerdo con lo que se explica en la segunda temporada de la serie, el término "Moyashi" en realidad se refiere a "cultivar", bien sea una planta o un microorganismo. Así que la traducción debería ser "Cuentos del cultivo". 

- Explicaciones científicas, en inglés, de los diferentes microorganismos que se ven en los dos primeros episodios de la serie: 1 y 2.

- Catálogo completo de los microbios que aparecen en la serie en "La Ciencia de la Vida" por Carlos Lobato

.

Pellejos y Microbiota

.

Circunsición de un adulto hallada en las paredes de las tumbas de Ankhmahor, Sakkara (Saqqarah), Egipto. Es la ilustración más antigua sobre la circuncisión (Fuente: Wikipedia)

El último número de la revista PLoS ONE publica un curioso artículo titulado: Los efectos de la circuncisión en el microbioma del pene. La razón del estudio es la siguiente observación. Desde hace tiempo se sabe que los hombres circuncidados eran menos susceptibles a la infección por VIH o por herpesvirus sexual. En algunos casos el porcentaje de reducción en infecciones alcanzaba el 40 por ciento. No sólo eso, también se había comprobado que las mujeres que mantenían relaciones sexuales con hombres circuncidados sufrían menos vaginosis bacterianas que aquellas que las mantenían con hombres sin circuncidar. ¿Por qué sucedía esto?

Antes y después de la intervención

Los investigadores han abordado el problema de la siguiente forma. Tomaron muestras de la microbiota del pene de 12 hombres ugandeses negativos para el VIH, antes y después de someterse a la circuncisión. La microbiota fue caracterizada secuenciando el 16S rRNA de los microorganismos presentes. Han encontrado 42 familias bacterianas siendo las más abundantes la Pseudomonadaceae y la Oxalobacteriaceae, sin importar si el hombre estaba circunciso o no.

Pero si encontraron diferencias en otras familias bacterianas. Los hombres circuncidados presentaban una disminución en los microorganismos anaerobios. En concreto la Familia XI de los Clostridiales y la Prevotellaceae eran mucho más abundantes en la microbiota presente antes de la circuncisión. Dentro de dichas familias han encontrado géneros que incluyen patógenos conocidos por ser causantes de vaginosis bacteriana, como Anaerococcus spp., Finegoldia spp., Peptoniphilus spp., y Prevotella spp. La circuncisión elimina el hábitat anóxico de dichos microrganismos causando la disminución en su número y explicando el menor número de vaginosis bacterianas en mujeres que mantienen relaciones con dichos hombres.

Patógenos oportunistas presentes en la microbiota del pene sin circuncidar. Las microfotografías no están a la misma escala. (Fuentes: Prevotella, Anaerococcus, Finegoldia)

Representación de la abundancia de las familias bacterianas presentes antes (columnas a la derecha) y después (columnas a la izquierda) de la circuncisión en los 12 hombres utilizados en el estudio. Nótese que los colores entre las muestras son más parecidos entre si tras la circuncisión. Dicha homogenidad indica que las microbiotas son más parecidas y que hay una perdida de biodiversidad de la microbiota después de la intervención. (Fuente: Price et al. PLoS ONE)

El mecanismo biológico que explicaría la protección frente al VIH parece ser multifactorial. Desde el punto de vista anatómico, la superficie interna del prepucio está muy ligeramente queratinizada y presenta una gran abundancia de células de Langerhans, un tipo de célula del sistema inmune especializada en la defensa inespecífica y con capacidad de presentación de antígeno a los linfocitos CD4. Las células de Langerhans son susceptibles de ser infectadas por el VIH y a partir de ellas transmitirse a los linfocitos CD4. En el aspecto microbiológico, las condiciones anóxicas de dicha superficie interna crean un ambiente ideal para el crecimiento de bacterias anaerobias que causan inflamación de las mucosas y la activación de las células de Langerhans. Al eliminar el prepucio se disminuye el número de células de Langerhans, se queratiniza la zona y se altera la microbiota disminuyendo el número de microorganismos anaerobios con efectos pro-inflamatorios.

Las células de Langerhans en la mucosa del epitelio son probablemente las primeras células atacadas por el VIH durante la transmisión sexual. Las células de Langerhans expresan una lectina de tipo-C denominada Langerina que se une a los viriones del VIH y los conduce hacia el interior formando los gránulos de Birbeck. Muchos de los viriones son degradados rápidamente, pero si una fracción de virus consigue eludir a la degradación entonces pueden comenzar a replicarse dentro de la célula de Langerhans y desde allí ser transmitidos a los linfocitos T CD4. (Fuente: Nature Medicine)

No es de extrañar que la OMS recomiende la circuncisión como una estrategia protectora, pero hay que tener en cuenta que no es una simple operación quirúrgica, pues en muchas culturas el aspecto del pene tiene un determinado simbolismo. Así que este descubrimiento puede servir para diseñar nuevas estrategias de lucha frente al HIV y otras enfermedades de transmisión sexual que no impliquen la realización de una intervención en tan delicada parte.

Audio en "El podcast del microbio"

Price LB, Liu CM, Johnson KE, Aziz M, Lau MK, Bowers J, Ravel J, Keim PS, Serwadda D, Wawer MJ, & Gray RH (2010). The effects of circumcision on the penis microbiome. PloS one, 5 (1) PMID: 20066050
.

La microbiota de Gargantúa y Pantagruel

.

El insaciable gigante Gargantúa imaginado por Rabelais y dibujado por Gustavo Doré

En estas fechas navideñas una de las más típicas actividades de los humanos es comer, comer y comer. Nos movemos en una sucesión de comidas de familia, cenas con amigos, aperitivos con colegas, todo ello salpimentado con una abundante provisión de ricos e hipercalóricos dulces navideños. Bueno, pues debemos de tener en cuenta que no somos los únicos en disfrutar/padecer estos excesos pantagruélicos. Nuestras fieles bacterias intestinales también nos acompañan en esta odisea culinaria.

Es conocido que la dieta y el estado nutricional son dos de los más importantes factores que afectan a la salud humana. Pero ambos tienen la peculiaridad de que podemos modificarlos a voluntad, aunque a veces nos cueste hacerlo. El valor nutritivo de los alimentos que ingerimos viene influido por la actuación de la microbiota intestinal. Por un lado por la propia composición de la comunidad microbiana y por otra por la composición genética de dicha comunidad, es decir, el microbioma humano.

Un grupo de científicos del Center for Genome Sciences de la Washington University School of Medicine en San Louis, liderados por el doctor Jeffrey Gordon, han intentado desentrañar las interrelaciones entre la dieta, la estructura y funcionamiento de la flora intestinal, y la captación de nutrientes y energía por parte del organismo. Este es un aspecto bastante complicado pues intervienen variables como la exposición ambiental, la ecología microbiana, y el genotipo del individuo. Sus resultados han sido publicados en un artículo de la revista Science Translational Medicine.

Para abordar el problema, han diseñado un modelo animal representativo de los distintos ecosistemas digestivos que uno puede encontrarse. Utilizaron ratones libres de gérmenes de la cepa C57BL/6J y les han transplantado comunidades microbianas provenientes de humanos. Es decir, han obtenido ratones "humanizados" en su microbiota intestinal. Posteriormente analizaron mediante técnicas metagenómicas si dicha microbiota se mantenía estable en el tiempo y si se transfería a la descendencia (los mamíferos sufrimos una inoculación natural de la microbiota materna durante nuestro nacimiento).

El siguiente paso fue comprobar el efecto de la dieta. Los ratones eran mantenidos con una dieta de bajo contenido en grasa y rica en polisacáridos de origen vegetal. Los ratones presentaban un aspecto magro y saludable. A un grupo se les cambió a una dieta "occidental" con gran cantidad de azúcar y grasas. En un sólo día la microbiota intestinal sufrió cambios sustanciales, cuantitativos y cualitativos. Se alteró la representatividad de las vías metabólicas y la expresión genética del microbioma y al cabo del tiempo, los ratones comenzaron a desarrollar sus tejidos adiposos y presentaron sintomas de obesidad.

Al analizar la microbiota humanizada, Gordon y sus colaboradores han encontrado que los miembros pertenecientes a los filums Bacteroidetes y Firmicutes son los más abundantes y que son los responsables de la digestión de gran parte del alimento no digerible por nuestro organismo. Pero mientras que en los ratones delgados los Bacteroidetes son más abundantes que los Firmicutes, en los ratones obesos las proporciones se invierten.

Pero lo sorprendente fue cuando se tomó la microbiota de estos ratones "humanizados" y alimentados a la occidental y se la transplantó a nuevos ratones libres de gérmenes. Estos ratones presentaron una mayor tendencia a la adiposidad. Es decir, se confirmaba la idea de que la dieta influye en la microbiota y que esta a su vez influye en el estado fisiológico y metabólico del hospedador.

Según el Dr. Gordon, se espera que estos animales sean un buen modelo experimental del microbioma humano para el estudio de enfermedades causadas por desórdenes metabólicos y así descubrir y desarrollar terapias preventivas o nuevos tratamientos.

Turnbaugh, P., Ridaura, V., Faith, J., Rey, F., Knight, R., & Gordon, J. (2009). The Effect of Diet on the Human Gut Microbiome: A Metagenomic Analysis in Humanized Gnotobiotic Mice Science Translational Medicine, 1 (6), 6-6 DOI: 10.1126/scitranslmed.3000322

Links relacionados:

La dieta del microbio

Audio en "El podcast del microbio"

.

La bacteria que surgió del frio

.

Cúpula geodésica donde está el taladro que ha perforado el hielo de Groenlándia. (Fuente: NOAA)

En el año 2005, los investigadores Vanya Miteva y Jean Brenchley de la Pennsylvania State University publicaron un artículo sobre la microbiota que habían encontrado en el interior del hielo de un glaciar dentro del proyecto Greenland Ice Sheet Project-2. El objetivo de este proyecto era perforar la capa de hielo groenlandés para posteriormente realizar diversos estudios paleoambientales. Uno de ellos era intentar caracterizar la paleomicrobiota, ya que el hielo habría atrapado los microorganismos presentes en el suelo de Groenlandia cuando se depositó. La perforación llegó a una profundidad de 3.053,44 metros antes de alcanzar el lecho de roca. La muestra en la que se analizó la microbiota provenía del segmento de profundidad 3.042,67-3.042,80 metros. Eso significa que dichos microorganismos quedaron atrapados en el hielo hace 120.000 años. Al estar muy cerca del lecho rocoso no se trata de hielo puro, sino de hielo mezclado con fango y tierra.

Composición de la paleomicrobiota del fondo del casquete de hielo groenlandés (Fuente: Miteva y Brenchley 2005)

Lo que encontraron fue que había una gran cantidad de microorganismos de pequeñísimo tamaño con un volumen inferior a 0,1 micras cúbicas (E. coli tiene unas 2 micras cúbicas). Son las llamadas ultramicrobacterias. Lo siguiente que se plantearon fue comprobar si dichas ultramicrobacterias estaban vivas. Tras un laborioso y largo proceso en el que se alternaban etapas de cultivo de enriquecimiento incubados a 5ºC y filtraciones, los investigadores consiguieron "resucitar" cerca de 2.000 aislados distintos. La mayor parte de dichos aislados pertenecían al grupo de las Proteobacteria y las Bacterias Gram positivas de alto contenido en G+C, seguida de representantes de las Gram positivas de bajo contenido en G+C y del grupo Cytophaga-Flavobacteria-Bacteroides. Pero lo más interesante es que muchos de dichos aislados eran especies totalmente nuevas.

Microfotografías de algunos de los aislados obtenidos de la muestra del fondo del casquete de hielo groenlandés. Debajo aparece el nombre del género con el que dicho aislado está más relacionado filogenéticamente. (Fuente: Miteva y Brenchley 2005)

El estudio ha continuado y recientemente han publicado un nuevo artículo intentado determinar si hay una correlación entre los microorganismos preservados a diferentes profundidades y el paleoclima de hace 60.000 años. Se tomaron muestras a 2495, 2545 y 2578 metros para representar los distintos períodos climáticos con temperaturas de depósito medias (-45ºC), más frías (-51ºC) y más calientes (-39ºC). Al contrario que la muestra anterior, estas son muestras de hielo limpio. Y el período de tiempo que cubren esas tres muestras es de 5.000 años.

En este caso lo interesante no era resucitar a dichos microorganismos, sino determinar que tipo de seres vivos eran. Esos microorganismos se depositaron en el hielo de Groenlandia porque venían de otra parte del planeta transportados por las corrientes de aire. Así que su estudio puede permitirnos deducir que otros tipos de ecosistemas había hace 60.000 años. Cuando realizaron el estudio genético analizando el rRNA encontraron que en las muestras obtenidas a 2545 y 2578 metros la mayor parte de las secuencias (55-65%) eran del grupo de las Gram-positivas de bajo contenido en G+C, con muy pocas Proteobacteria (6-9%) y Arqueas (1%). Sin embargo en la muestra más reciente (2495 m) encontraron que los microorganismos mayoritarios eran las Actinobacterias (55%). También se encontraron con hongos en una gran proporción. Como era de esperar, los microorganismos presentes en dichas muestras eran bastante diferentes de los encontrados en la muestra de los 3042 metros.

Composición de las diferentes muestras tomadas del hielo basado en el análisis del RNA ribosomal. (Fuente: Miteva et al 2009)

Pero lo más llamativo fue comprobar el tipo de microorganismos que habían encontrado estaban relacionados con los microorganismos que ahora encontramos en los desiertos de Asia, en los aerosoles marinos o en el polvo volcánico. El hecho de que haya diferente diversidad microbiana en cada muestra sugiere que podría establecerse una correlación entre unos "marcadores" biológicos y unas determinadas condiciones paleoclimáticas de depósito. Y eso puede tener muchísima utilidad en determinar el paleoclima.

Animación explicativa sobre el proyecto GIS-2.

Audio en "el podcast del microbio"
.

Biodiesel suicida

.

Esquema mostrando el proceso de producción de biodiesel a partir de algas eucariotas. El alga se crece en fotobiorreactores, transformando el CO2 en biomasa gracias a la luz. Posteriormente se recogen y se lisan. Las grasas se separan del resto de componentes celulares mediante una extracción con solventes orgánicos. Después de evaporar los solventes, las grasas son transformadas en biodiesel. La ventaja de usar cianobacterias es que estas crecen más rápido que las algas eucariotas, pero su rotura es más difícil.

En Microbiología Industrial, los procesos más complicados y por lo tanto más caros, suelen ser los llamados post-fermentativos, conocidos en inglés como downstream processing. Dichos procesos están diseñados para la recuperación y purificación de los productos obtenidos tras alguna fermentación industrial u otro procedimiento biotecnológico. En muchos casos, el microorganismo sintetiza el producto de interés y lo secreta al medio donde está creciendo. Es el caso de los antibióticos como la penicilina. Así que el primer paso de la purificación es separar las células del medio de cultivo y después extraer el antibiótico de dicho medio. Pero hay otras ocasiones en que el producto se queda en el interior de las células por lo que lo primero que se hace es separar las células y posteriormente romperlas para a continuación, separar el producto del resto de componentes celulares. Con el biodiesel producido por cianobacterias estamos en este último caso.

Los procesos industriales de ruptura celular son variopintos, pero todos tienen algo en común: son caros. Y para complicar las cosas, lisar cianobacterias no es fácil debido a sus paredes celulares. La combinación de ambas dificultades significaba que la producción de biodiesel a partir de cianobacterias no fuera tan económicamente interesante como para ser considerada una buena alternativa a los combustibles derivados del petróleo.

Envolturas celulares de la cianobacteria Synechocystis. El asterisco marca la capa-S. Debajo, la cabeza de flecha blanca indica la membrana externa. El peptidoglicano está señalado por la flecha y finalmente la cabeza de flecha negra marca el lugar de la membrana citoplásmatica (fuente PNAS).

Pero la situación puede cambiar. Los investigadores Xinyao Lui y Roy Curtiss del Centro de Enfermedades Infecciosas y Vacunas de la Universidad Estatal de Arizona han desarrollado un nuevo método para conseguir romper las cianobacterias de forma barata y sencilla: diseñar una cianobacteria que presente autolisis inducida.

En su trabajo han utilizado a la especie Synechocystis. Esta cianobacteria es muy fácil de manipular genéticamente. Así que le han introducido en su genoma varios genes líticos derivados de virus bacteriófagos y los han colocado bajo el control de un promotor inducible que se activa cuando hay niquel en el medio de cultivo. Han utilizado tres estrategias. En la primera introdujeron los genes que constituyen el cassette de lisis del fago P22 o del fago l. En la segunda los genes introducidos codificaban sólo para la holina y las endolisinas. La tercera consistió en combinar genes líticos de diferentes fagos. En los tres casos, las células transgénicas de Synechocystis se lisaban en cuanto se añadía sulfato de níquel al medio donde crecían.

Las funciones de la holina y las endolisinas en la degradación de la pared celular. La holina (H) produce unas lesiones no específicas en la membrana citoplasmática y permite que las endolisinas (A, amidasa; M, muraminidasa; T, transglicosilasa; E, endopeptidasa) puedan alcanzar el peptidoglicano. La muraminidasa y la transglicosilasa rompen los puentes glucosídicos entre la N-acetilglucosamina (NAG)y el N-acetilmurámico (NAM). La amidasa y la endopeptidasa rompen los puentes peptídicos (P-P) que unen las cadenas de azúcares. Una vez desturido el peptidoglicano la célula explota debido a la alta presión osmótica causada por el contenido citoplasmático (Fuente PNAS).

Fotografías de microscopía electrónica de transmisión mostrando el efecto de la adición de níquel en un cultivo de células transgénicas de Synechocystis. (A) antes de la adición; (B) 6 horas después de la adición; (C) 12 horas; (D) 24 horas después. Fuente PNAS.

¿Qué es lo que queda por hacer? Pues por un lado probar si estas cianobacterias transgénicas producen tanto biodiesel como las cianobacterias silvestres de las que derivan. Por otro, probar nuevas estrategias para favorecer la ruptura celular para que esta sea más rápida y eficiente. Por lo pronto el Departamento de Energía de los EEUU ha concedido al grupo investigador una ayuda de 5 millones de dólares para los próximos dos años.

Eso si que es desarrollar una economía sostenible basada en la innovación y no el tijeretazo que hemos sufrido en estas tierras.

Audio en "El podcast del microbio"

.