Negra Vida. Un análogo terrestre de la posible vida en Titán

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El lago Pitch. Los puntos negros muestran los lugares de muestreo. A la derecha se ve una burbuja en la superficie de asfalto. La barra de escala representa 5 cm (fuente: Schulze-Makuch et al.)

El lago Pitch está situado en la isla caribeña de Trinidad y Tobago. No es precisamente un destino turístico paradisíaco a menos que trabajes para una compañía petrolífera. Es un lago natural de asfalto caliente con una superficie de 40 hectáreas y que supongo debe de oler a carretera recién asfaltada. De hecho, una gran parte del PIB de Trinidad y Tobago viene de la venta de asfalto.

El terreno circundante al lago está lleno de petróleo caliente. Este va filtrándose hacia la superficie y en el proceso los hidrocarburos se van mezclando con el fango mientras que los componentes más volátiles se evaporan. Lo que queda es una emulsión de asfalto con agua a una temperatura que oscila entre 32 y 56º C y que puede ser aprovechada industrialmente. Pero desde hace tiempo los científicos han observado con interés este lugar. En primer lugar por sus potencialidades como fuente de microorganismos biorremediadores para ser usados en derrames de petróleo. En segundo lugar, porque el lago Pitch es un hábitat saturado de hidrocarburos líquidos, algo muy parecido a lo que podríamos encontrar en Titán, una de las lunas de Saturno.

Los lagos de hidrocarburos de Titán (fuente: wikipedia)

Así que un grupo de científicos ha tomado muestras de dicho lago y tras analizarlas han encontrado microorganismos. En cierto sentido eso ya no sorprende. En el blog hemos comentado otros ecosistemas extremos en los que parecía imposible la vida. Pero estos nuevos microorganismos presentan una propiedad que aunque se había visto antes, no por ello deja de sorprender. Parecen capaces de generar su propia agua al producir sus reacciones metabólicas.

Una de las más importantes limitaciones para la vida es la disponibilidad de agua. Más de dos terceras partes de la composición de un ser vivo es agua. Sin líquido elemento no se podrían llevar a cabo las reacciones bioquímicas, ni disolver o suspender las moléculas. Pero la disponibilidad de agua no sólo depende del contenido de agua del ambiente, sino también de la concentración de solutos que hay en dicha agua. Si hay muchos, "secuestran" las moléculas de agua e impiden que los seres vivos puedan usarla. Por eso la sal es un buen conservante.

El parámetro físico que mide la disponibilidad de agua se denomina actividad del agua (aw) y es la razón entre la presión de vapor de aire en equilibrio con una solución y la presión de vapor a la misma temperatura del agua pura. Sus valores oscilan entre 0 y 1. Cuanto más alto el valor, más disponibilidad de agua. Para hacernos una idea, la sangre tiene una actividad de 0,995, el agua de mar de 0,998, el jamón serrano de 0,85, el bacalao salado de 0,75 y un caramelo de 0,7. La actividad de agua de algunas de las zonas del lago Pitch oscila entre 0,49 y 0,65. El límite anteriormente registrado estaba en 0,61.

Los investigadores han encontrado densidades celulares de hasta 10⁷ células por gramo en algunas de las muestras. El análisis genético y bioquímico muestra que la microbiota está compuesta de bacterias y arqueas capaces de degradar anaeróbicamente los hidrocarburos, utilizar iones metálicos para procesos respiratorios y utilización de rutas metabólicas basadas en la química de un sólo átomo de carbono (rutas C1). La mayor parte del metabolismo de los seres vivos se basa en rutas C2.

Comparación de la biodiversidad de las microbiotas de diferentes lugares donde abundan los hidrocarburos. Las barras indican la presencia de una determinada especie. La intensidad del color da idea de su abundancia. Las muestras recogidas en el lago Pitch están en el interior del recuadro grisaceo de la izquierda. La principal diferencia es la gran abundancia de especies pertenecientes a los Thermoplasmatales (fuente: Schulze-Makuch et al.)

Dentro del Dominio Archaea han encontrado nuevos miembros del grupo de las Arqueas Anaerobias Oxidadoras del Metano (ANME), metanógenos y respiradores del metal del orden Thermoplasmatales. En el Dominio Bacteria se han encontrado a representantes de los quimiolitotrofos reductores del sulfato del orden Thiotrichales y representantes de los Campylobacteriales, así como bacterias conocidas por su capacidad degradadora de hidrocarburos de los órdenes Pseudomonadales, Oceanoespirillales y Bhurkolderiales. La microbiota encontrada presenta algunos parecidos con los de otras microbiotas caracterizadas en lugares como fuentes volcánicas o yacimientos mineros, pero también presenta características exclusivas.

Microfotografía electrónica de una arquea del género Thermoplasma. Este tipo de microorganismo no tiene pared celular y por eso tiene esa forma irregular (fuente: MicrobeWiki)

Las condiciones del algo Pitch pueden ser un análogo de los lagos de hidrocarburos que se descubrieron en Titán. El hecho de que haya lluvia de metano en esa luna abre la posibilidad de que exista un ciclo del metano similar a nuestro ciclo del agua. Quién sabe, a lo mejor la próxima misión planeada para el 2030 nos puede dar sorpresas.

Grant, W. (2004). Life at low water activity Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 359 (1448), 1249-1267 DOI: 10.1098/rstb.2004.1502
Kreuzer-Martin, H. (2005). Oxygen isotopes indicate most intracellular water in log-phase Escherichia coli is derived from metabolism Proceedings of the National Academy of Sciences, 102 (48), 17337-17341 DOI: 10.1073/pnas.0506531102
Dirk Schulze-Makuch, Shirin Haque, Marina Resendes de Sousa Antonio, Denzil Ali, Riad Hosein, Young C. Song, Jinshu Yang, Elena Zaikova, Denise M. Beckles, Edward Guinan, Harry J. Lehto, & Steven J. Hallam (2010). Microbial Life in a Liquid Asphalt Desert arXiv arXiv: 1004.2047v1

La evolución de un patógeno

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Microfotografía del patógeno Clostridium difficile (fuente: Microbiology Bytes)

Ya hemos hablado en otra ocasión de Clostridium difficile, una bacteria patógena Gram-positiva anaerobia y formadora de esporas. Esta bacteria puede adquirirse por alimentos contaminados o encontrarse en nuestros intestinos como un residente más, aunque afortunadamente en bajos números gracias al efecto competitivo de las diversas especies que conforman nuestra microbiota intestinal, con lo cual no causa problemas.

Pero hay ocasiones en que C. difficile se convierte en un grave problema. Por ejemplo, si tras el uso de una terapia antibiótica se alteran las poblaciones de la microbiota intestinal. Esto puede permitir que C. difficile pueda colonizar el tracto intestinal provocando un cuadro de diarrea severa debido a las toxinas que produce. Como las esporas de la bacteria resisten el tratamiento con antibióticos, es muy difícil de tratar dicha infección.

C. difficile fue reconocido oficialmente como un patógeno en los años 80. Desde entonces se han ido caracterizando genéticamente a distintas cepas, sobre todo mediante la técnica del ribotipado. Es decir, el análisis de los genes que codifican para los distintos RNA ribosomales para establecer las diversas relaciones evolutivas entre distintos brotes epidémicos. De esa forma se estableció la existencia de cuatro clados o linajes principales, entre ellos uno hipervirulento.

En el año 2003 hubo un brote en Canadá producido por una cepa hipervirulenta que presentaba un ribotipo denominado 027. Hasta ese momento esa cepa era bastante rara, pero desde entonces se ha ido extendiendo por todo el mundo y ahora es la responsable del 50% de los casos caracterizados en los hospitales de Norteamérica y del Reino Unido. La epidemiología de C. difficile está evolucionando muy rápidamente y aun no se conoce el porqué.

Un reciente artículo de un grupo investigador del Welcome Trust Sanger Institute describe la completa caracterización del genoma de treinta aislados de C. difficile. Ocho aislados representando a los cuatro clados principales para estudiar la macroevolución de la especie y ventiún aislados del clado hipervirulento para estudiar la microevolución. Y lo que se ha encontrado es que el genoma de C. difficile ha tomado forma debido a eventos de transferencia genética horizontal y recombinación a gran escala que han afectado a lo que podríamos llamar el núcleo central de genes de esta bacteria (en inglés Core genes). Estos eventos evolutivos han tenido lugar tanto a escalas de tiempo cortas como largas.

Árboles filogenéticos de C. difficile basados en la secuenciación de los genomas completos de los diferentes aislados. Las flechas y los círculos vacíos indican inserciones y deleciones genéticas. Las islas genómicas que presentan resistencias a antibióticos están marcadas con asteriscos. El árbol A representa la filogenia de los clados principales. Los cuatro clados determinados anteriormente por la técnica del ribotipado ahora son cinco. Las cepas hipervirulentas del ripotipo 027 están dentro de la rama anaranjada. El árbol B representa la filogenia dentro de la rama 027 lo que nos da idea de la microevolución de dicho grupo. Los nombres de las cepas están coloreados para indicar su lugar de origen (azul-Estados Unidos, rojo-Gran Bretaña, verde – Francia). Fuente: He et al. 2010.

El análisis filogenético ha demostrado que C. difficile es una especie con una gran diversidad genética y cuyos linajes han evolucionado entre los últimos 1'1 - 85 millones de años. Pero la patogenicidad se encuentra en unos determinados linajes y que dicha propiedad ha surgido independientemente en cada uno de ellos.

Los resultados sugieren que la presión selectiva ha dado forma al núcleo central genómico de C. difficile, y que los efectos ambientales y genéticos son los responsables de su reciente expansión como un patógeno. El estudio también abre nuevas vías para el desarrollo de herramientas epidemiológicas para estudiar las rutas de transmisión de esta bacteria y para el diseño de terapias más efectivas.

He, M., Sebaihia, M., Lawley, T., Stabler, R., Dawson, L., Martin, M., Holt, K., Seth-Smith, H., Quail, M., Rance, R., Brooks, K., Churcher, C., Harris, D., Bentley, S., Burrows, C., Clark, L., Corton, C., Murray, V., Rose, G., Thurston, S., van Tonder, A., Walker, D., Wren, B., Dougan, G., & Parkhill, J. (2010). Evolutionary dynamics of Clostridium difficile over short and long time scales Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.0914322107

Audio en "El podcast del microbio"

Animales anaerobios

Spinoloricus, una nueva especie animal que vive en completa anaerobiosis. El especimen está teñido con rosa bengala y la barra de escala es de 50 micras (fuente Danovaro et al.)

Por primera vez se han encontrado animales pluricelulares con metabolismo anaeróbico estricto. Y además ha sido aquí al lado, en el fondo del Mediterráneo.

La característica principal de los seres vivos anaeróbicos es que no requieren oxígeno para su metabolismo. Esto es algo bastante común en el mundo microbiano sin importar que sean seres procariotas o eucariotas. Hay algunos que son anaerobios obligados como los miembros del género Clostridium. Otros, como nuestra vieja amiga Escherichia coli o la levadura Sacharomyces cereviseae, son anaerobios facultativos. Es decir, si hay oxígeno lo aprovechan, y si no lo hay, pues no pasa nada pues se ponen a fermentar.

Microfotografía electrónica de Spinoloricus en el que puede observarse su caparazón segmentado (fuente Danovaro et al.)

Pero el grupo liderado por Roberto Danovaro de la Universidad Politécnica de Marche han encontrado en una zona al sur de Grecia, tres especies de Loriciferos que realizan todo su ciclo biológico sin necesidad de oxígeno. Estos animales de tamaño inferior al milímetro, son habitantes comunes de los sedimentos marinos. Su nombre es debido a que tienen un exoesqueleto que actua como una coraza (lorica en latín). Los investigadores han observado que en sus células no hay mitocondrias, los orgánulos celulares encargados de usar el oxígeno. En su lugar, han encontrado hidrogenosomas, un tipo de orgánulo descrito en protozoos y hongos. También han encontrado unos orgánulos que podrían ser un posible endosimbionte procariota. El hallazgo ha sido publicado en la revista BMC Biology.

Síntesis del ATP en el interior de un hidrogenosoma (fuente)

Microfotografía electrónica del interior de una célula de Spinoloricus en el se observan orgánulos que podrína ser Hidrogenosomas (H) y un posible endosimbionte (P) de función desconocida. La barra es de 0,2 micras (fuente Danovaro et al.)

El hallazgo tiene bastante interés evolutivo. El hábitat de estos animales microscópicos es muy parecido al que había en los océanos de hace 600 millones de años, cuando los niveles de oxígeno del planeta aún no eran tan elevados debido a la acción de la cianobacterias. Es decir, justo antes de la llamada Explosión Cámbrica, cuando aparecieron los principales grupos de seres vivos pluricelulares. Como hay especies de Loficíferos aerobias la siguiente pregunta a responder es si estos animales tuvieron mitocondrias y las han perdido durante su evolución o si por el contrario, existieron como animales anaerobios que posteriormente se adapataron a las condiciones aeróbicas.

Está claro que los fondos marinos aún tienen que depararnos muchas sorpresas

Danovaro, R., Dell'Anno, A., Pusceddu, A., Gambi, C., Heiner, I., & Kristensen, R. (2010). The first metazoa living in permanently anoxic conditions BMC Biology, 8 (1) DOI: 10.1186/1741-7007-8-30

La bacteria de los milagros

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El milagro de la misa de Bolsena pintado por Rafael (fuente).

En el año 1263 se celebró una misa en la iglesia de Santa Cristina, en la ciudad italiana de Bolsena. La celebración la dirigía un párroco alemán. Este párroco tenía dudas sobre la doctrina de la transubstanciación. Es decir, en la transformación del vino y el pan en la sangre y el cuerpo de Cristo. Cuando llegó el momento de la eucaristía tomo una de las hostias y está comenzó a sangrar manchando el mantel del altar y las vestimentas del sacerdote. Podemos imaginarnos al asombrado párroco postrado de hinojos y rogando la absolución por su falta de fe. Un año después el papa Urbano IV instituyó la celebración del Corpus Christi y promovió la edificación de la catedral de Orvieto donde se depositaron las ropas manchadas de sangre, ropas que aún se conservan. Posteriormente el pintor Rafael realizó un fresco conmemorando del milagro.

Molécula de prodigiosina (fuente).

Y lo cierto es que el sacerdote y los feligreses asistentes habían contemplado una transubstanciación, pero no la que ellos creían. Muy probablemente lo que habían contemplado era la transformación del almidón de las hostias en un pigmento rojo gracias a la bacteria Serratia marcescens. Dicho pigmento recibe el adecuado nombre de prodigiosina.

Serratia marcescens es una bacteria Gram negativa perteneciente al grupo de las gamma proteobacterias. El mismo grupo al que pertenece Escherichia coli. Es capaz de crecer en un amplio rango de temperaturas, entre los 5 y los 40 grados. Además es bastante ubicua. La podemos encontrar en cualquier lugar donde haya humedad, oscuridad e hidratos de carbono para alimentarse. No es de extrañar que se la suela aislar en las juntas de las baldosas de los cuartos de baño o de las cocinas.

Placa Petri con colonias de Serratia marcescens (fuente).

Cuando Serratia crece forma unas colonias pigmentadas de color rosa, pero si hay exceso de alimento, entonces sus colonias se tornan de color rojo sangre debido a la producción y acumulación del pigmento prodigiosina. ¿Para qué le sirve a la bacteria? Pues como una especie de arma química para eliminar a los microorganismos competidores o a posibles depredadores. Se ha demostrado que la prodigiosina es un potente antibiótico y que no sólo afecta a las bacterias, sino también a los eucariotas. De hecho se están estudiando sus posibles aplicaciones como medicamento antitumoral ya que induce apoptosis en las células cancerosas, o como fármaco inmunosupresor en los procesos de trasplante de órganos.

Corporal de la Catedral de Orvieto donde se conservan las ropas manchadas de "sangre" (fuente).

Volviendo al milagro de Bolsena. Las hostias son pan sin fermentar que se almacena en el sagrario de las iglesias, un lugar oscuro y húmedo. Por lo que no es difícil imaginar a Serratia marcescens creciendo en esas condiciones tan buenas y produciendo prodigiosina. Así que lo único que queda por hacer para demostrar esa hipótesis y explicar el supuesto milagro es tomar las ropas manchadas de “sangre” que están presentes en la catedral de Orvieto y analizarlas mediante PCR para ver si se consiguen identificar genes de esa bacteria. Desafortunadamente la Iglesia no lo ha permitido, por ahora.

Bennett JW, & Bentley R (2000). Seeing red: the story of prodigiosin. Advances in applied microbiology, 47, 1-32 PMID: 12876793

Así se construyeron las Pirámides

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Al menos a escala nanotecnológica. El grupo de Nanotecnología Robótica de la Escuela Politécnica de Montreal, liderado por el profesor Sylvain Martel ha conseguido micromanipular un enjambre de bacterias magnetotácticas para que construyan una diminuta pirámide.

En el vídeo podemos ver a un enjambre de unas 5.000 bacterias trabajando cooperativamente para transportar bloques de resina epoxy y así elaborar una estructura piramidal en tan sólo 15 minutos.

Las bacterias magnetotácticas, como la especie Magnetospirillum, presentan en su interior un magnetosoma, formado por acúmulos de magnetita que actúan como una brújula. La función de esos pequeños imanes es orientar a la bacteria en el espacio. Pongámonos por un momento en el lugar de Magnetospirillum. Eres una bacteria acuática microaerófila y estás flotando entre dos aguas. Tienes un flagelo que te permite nadar pero ¿a dónde? Si vas hacia la superficie habrá demasiado oxígeno y puedes morir, si vas hacia el fondo quizás no haya suficiente oxígeno, pero es allí donde hay más comida. Lo malo es que tu masa es tan pequeña que la gravedad no tiene efecto sobre ti. ¿Cómo sabes dónde es arriba y dónde es abajo? Pues gracias al campo magnético terrestre. Las líneas de dicho campo van hacia abajo, así que tu pequeña brújula es esencial para tu supervivencia.

Magnetospirillum magneticum. Puede observarse el flagelo en el exterior. En el citoplasma se observa los granulos de magnetita que forman el magnetosoma (fuente)

Si manipulamos el campo magnético mediante un ordenador podemos manipular el movimiento de un enjambre de estas bacterias. Cada una de ellas es capaz de generar una fuerza de 4 picoNewtons. No parece mucho, pero si pones a trabajar de manera coordinada a unas cuantas de ellas puedes obtener la fuerza suficiente para mover... micromontañas.

Martel cree que es más efectivo manipular a las bacterias para que hagan de nanorobots en vez de construir exclusivamente a estos últimos. Incluso se podrán combinar ambas tecnologías y construir un microrobot bacteriano autónomo. Uno de sus proyectos es crear un chip conteniendo componentes electrónicos y bacterias. Las bacterias estarían encapsuladas y serían el motor del microrobot. Cada cápsula tendría unos pequeños conductores que generarían el campo magnético que controlaría a la bacteria.

Imágenes microscópicas de bacterias magnetotácticas (MTB) que han sido dirigidas a través de los vasos sanguíneos hasta la región interna de un tumor (fuente)

Una de las muchas utilidades que podría resultar de manipular de esa forma a los microorganismos es que pueden ser usados como unos nanorobots que podrían transportar medicamentos hasta el interior de un tumor. De hecho ya han podido dirigir su movimiento en el interior de la corriente sanguínea de una rata en algo muy parecido a lo que se ve en las películas "Viaje fantástico" o "El chip prodigioso".

Martel, S., Felfoul, O., Mathieu, J., Chanu, A., Tamaz, S., Mohammadi, M., Mankiewicz, M., & Tabatabaei, N. (2009). MRI-based Medical Nanorobotic Platform for the Control of Magnetic Nanoparticles and Flagellated Bacteria for Target Interventions in Human Capillaries The International Journal of Robotics Research, 28 (9), 1169-1182 DOI: 10.1177/0278364908104855

Audio en "El podcast del microbio"

Por un clavo se perdió una herradura, por una herradura...

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Estructura tridimensional de la enzima Glucocerebrosidasa (Cerezyme) unida a su sustrato coloreado en verde (fuente)

Es probable que algún ingeniero de planta de la compañía Genzyme esté acordándose de ese famoso estribillo. Recientemente ha saltado una noticia en algunos medios sobre la contaminación de unos viales de medicamento Cerezyme para el tratamiento de la enfermedad de Gaucher. En la noticia se indica que no es la primera vez que Genzyme ha sufrido el mismo tipo de problema. Si bien es cierto que en ambos casos se trata de una "contaminación" también hay que decir que se trata de dos sucesos distintos.

Viales del medicamento Cerezyme (fuente)

En este último incidente lo que ha ocurrido es que los viales han sufrido una contaminación de tipo químico. Al parecer se ha producido la descomposición de uno de los tubos de silicona por donde se dispensa el medicamento y los viales han acabado con trazas de ácido 2,4 diclorobenzoico. La compañía ha anunciado que esa contaminación no pondrá en peligro la vida de los pacientes, pero han tenido que parar la producción y sustituir los dispensadores de silicona por tubos de platino. Además, la FDA ha tomado cartas en el asunto y parece ser que va a sancionar a la compañía.

Estructura tridimensional de la alfa-Galactosidasa, la enzima del medicamento Fabrazyme (fuente)

El caso anterior sucedió en sus instalaciones de Allston Landing en Massachusset y la contaminación fue de tipo microbiológico. Fue mucho más grave porque la planta tuvo que ser cerrada durante 6 semanas lo que provocó una carencia de Cerezyme y Fabrazyme, dos de los medicamentos que comercializaba la empresa. Las pérdidas económicas fueron cuantiosas.

Precio en dólares de un vial de 200 unidades de Cerezyme en diferentes países y en el año 2002 (fuente)

Los medicamentos que produce Genezyme son enzimas purificadas para tratar enfermedades raras. El Cerezyme consiste en la enzima Glucocerebrosidasa, mientras que el Fabrazyme se trata de la enzima alfa-Galactosidasa. Esta última se utiliza para tratar la enfermedad de Fabry. La forma de producirlas industrialmente es relativamente sencilla y se parece mucho a otros procesos de biotecnología industrial. Básicamente consiste en introducir mediante técnicas de ingeniería genética el gen que codifica para la enzima en células de Ovario de Hamster Chino (conocidas por sus siglas en inglés como CHO cells). Estas células transgénicas se crecen después en un biorreactor y posteriormente se purifica la enzima.

Microfotografía de células de Ovario de Hamster Chino (fuente)

La células CHO suelen ser las más adecuadas para la producción de las llamadas enzimas terapéuticas ya que al ser células animales son capaces de expresar y modificar correctamente mediante glicosilaciones a las proteínas de interés ¿Cuál es el problema? Que estamos creciendo células animales, no bacterias o levaduras. Estas células son mucho más exigentes en sus requerimientos nutricionales y ambientales, y además son más lentas en su crecimiento, así que consecuentemente el proceso es mucho más caro. Para complicar más las cosas, la purificación de una enzima es muchísimo más compleja y costosa que la purificación de otros productos biotecnológicos como los antibióticos.

Al parecer uno de los seis biorreactores de los que disponían sufrió una contaminación con un calicivirus (su denominación oficial es Vesivirus 2117 y se identificó por primera vez en 2003) que interfería con el crecimiento de las células CHO. La fuente de la contaminación fue uno de los nutrientes que se añaden en el cultivo durante el crecimiento celular. Inicialmente lo único que pudieron detectar era que el rendimiento de los cultivos había disminuido pero no identificaron el problema. El virus no fue detectado hasta que se probó con un test específico basado en la técnica de la PCR. La compañía se vio obligada a cerrar y realizar un proceso completo de sanitización y fumigación de toda la planta, lo que provocó que hubiera escasez de los medicamentos que comercializaba.

Microfotografía electrónica del Vesivirus 2117 (fuenteOehmig et al.)

Además, Genzyme tuvo que demostrar que el Vesivirus 2117 era incapaz de infectar a las células humanas y para ello realizó ensayos que demostraron que el virus era incapaz de infectarlas. Y aunque en los procesos de purificación de las enzimas terapéuticas hay más de un paso de eliminación de partículas virales mediante cromatografías de adsorción de membrana, la FDA obligó a la compañía a chequear los diferentes lotes de medicamento para comprobar la ausencia del virus en los viales.

Y es que, en cuestión de elaboración de medicamentos, todas las precauciones son pocas.

Links relacionados: Animación del proceso de producción en la empresa Genzyme (en inglés).




Oehmig A, Büttner M, Weiland F, Werz W, Bergemann K, & Pfaff E (2003). Identification of a calicivirus isolate of unknown origin. The Journal of general virology, 84 (Pt 10), 2837-45 PMID: 13679618

El gato de Schrödinger es un virus

Si hay un eterno tema de debate en el mundo de la Microbiología sin duda es la respuesta a la pregunta: ¿Un virus es un ser vivo? Los hay que opinan que no, y los hay que opinan que sí. Numerosos y sesudos artículos se han escrito sobre el tema y las respuestas nunca contentaban a todos. Mira por donde, parece que la física cuántica también se ha metido en el fregado.

En el siglo pasado, el famoso físico Erwin Schrödinger imaginó un experimento para intentar explicar uno de los más paradójicos y extraños aspectos de la teoría cuántica: la propiedad física de la superposición cuántica. Se trata del famoso experimento del gato de Schrödinger.

El experimento imaginado por Schrödinger. Es un sistema formado por una caja cerrada y opaca que contiene un gato, una botella de gas venenoso, una partícula radiactiva con un 50% de probabilidades de desintegrarse en un tiempo dado y un dispositivo tal que, si la partícula se desintegra, se rompe la botella y el gato muere. Al depender todo el sistema del estado final de un único átomo que actúa según las leyes de la mecánica cuántica, tanto la partícula como la vida del gato estarán sometidos a ellas. De acuerdo a dichas leyes, el sistema gato-dispositivo no puede separarse en sus componentes originales (gato y dispositivo) a menos que se haga una medición sobre el sistema. El sistema gato-dispositivo está en un entrelazamiento. Siguiendo la interpretación de Copenhague, mientras no abramos la caja, el gato está vivo y muerto a la vez (fuente: Wikipedia).

El caso es que la superposición cuántica se había podido observar en partículas subatómicas, en átomos, e incluso en pequeñas moléculas. Ahora un grupo de científicos europeos del Instituto Max Planck para la Óptica Cuántica y del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona pretende realizar un experimento para observar el fenómeno de superposición cuántica en los virus. La tarea no es pequeña. El virus más simple está compuesto de miles de millones de átomos. Los científicos han descrito sus planes en un artículo de la revista New Journal of Physics, aunque previamente ya habían publicado algo muy similar en la revista Arxiv.org.



La propiedad física de la superposición cuántica explica el porqué una determinada partícula subatómica puede encontrarse en dos estados físicos al mismo tiempo (estado de superposición) y la extraña conexión que puede tener con otra partícula subatómica distante en lo que se conoce como entrelazamiento (en inglés entanglement y en alemán verschränkung). Bueno, pues precisamente esa "habilidad de hacer dos cosas a la vez" es lo que quieren comprobar este grupo de investigadores utilizando técnicas de óptica cuántica. El experimento que han diseñado funciona con átomos, pero ahora se propone realizarlo con un virus. Lo que ocurre es que ya no estaríamos a escala subatómica o la atómica, sino en la escala nanométrica y micrométrica.

Comparación de escalas. Si una partícula subatómica como un protón (10^-15 m) fuera una pulga, un átomo (10^-10 m) sería como un campo de fútbol. En la escala nanométrica tendríamos que un ribosoma (3 x 10^-8 m) sería del tamaño de un término municipal. Y en la escala microscópica la longitud del Virus del Mosaico del Tabaco (3 x 10^-7 m) sería una cordillera montañosa de 300 kilómetros de longitud y 18 de ancho.

El experimento consiste en utilizar un haz de rayos láser para inmovilizar al virus en una "cavidad óptica" mediante el uso de unas pinzas ópticas. Con otro haz láser se puede "enfriar" al virus y llevarlo a un estado fundamental cuántico (ground state). Lo de "enfriar" expresa bastante bien lo que ocurre porque se alcanza el estado de mínima energía, es decir, estamos lo más cerca posible del Cero Absoluto. Podríamos decir que hemos congelado y paralizado al virus.

Diseño experimental propuesto. El proceso debe de realizarse en condiciones de vacío. En el panel de la izquierda se muestran unas pinzas ópticas que formarán la cavidad óptica donde una partícula esférica se llevará a un estado fundamental. El haz vertical rojo es el que atrapa a la partícula. En el panel de la derecha se muestra como el láser púrpura orientado horizontalmente lanza un fotón hacia la partícula esférica (fuente).

Una vez conseguido que el virus llegue a dicho estado fundamental se le lanzará un fotón. Y eso ¿para qué? Bueno, aquí está la gracia. Es como lanzar un balazo a una estatua de hielo del tamaño de un glaciar. Cuando el fotón alcance al virus se creará una superposición cuántica que afectará al estado cinético (motional state) del centro de masas de dicho virus. Llevando al extremo la anterior analogía, la estatua estará rota e intacta en el mismo momento. O si fuera el gato de Schrödinger diríamos que estaría al 50% vivo y al 50% muerto.

El grupo investigador propone realizar este experimento con distintos virus, bacterias e incluso con seres más complejos como los tardígrados, pues pueden aguantar las condiciones de vacío imprescindibles para realizar el experimento. De hecho los autores reclaman que su sistema es ideal para responder de manera experimental preguntas fundamentales sobre el papel de la vida y la consciencia en la mecánica cuántica. Pero como decimos en mi pueblo, del dicho al hecho hay mucho trecho. El artículo sólo es una proposición teórica de un futuro experimento. Aún está por ver si funciona.

Esta entrada ha participado en el 5º carnaval de la Física

Oriol Romero-Isart, Mathieu L. Juan, Romain Quidant, & J. Ignacio Cirac (2009). Toward Quantum Superposition of Living Organisms New J. Phys. 12, 033015 (2010) arXiv: 0909.1469v3

Amor de madre

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Actualización septiembre 2011. El papel de las sirtuinas ha sido puesto en duda. Ver más detalles en Biounalm

Aunque mañana sea el día del Padre, la siguiente entrada está basada en el comentario "Mother's Love" escrito por Moselio Schaechter en su blog "Small Things Considered".


La fisión binaria es una invención impresionante. De un solo golpe, asegura que las células descendientes nazcan iguales y dotadas del mismo potencial para el crecimiento y la supervivencia. Tan simple como suena, deben de haberse requerido unas considerables contorsiones evolutivas para que funcione tan bien en todo el mundo viviente.

En la fisión binaria se replica el material genético (en rojo) y se duplica el contenido celular. Tras la división celular las dos células resultantes son idénticas

Sin embargo, hay células que han adoptado un mecanismo alternativo, en el cual la división celular es asimétrica, donde la célula naciente es originada a partir de una "célula madre" que posteriormente generará más "bebés". El ejemplo más conocido es, por supuesto, el proceso de gemación en las levaduras. Hay otras células que también se reproducen de esa manera, incluyendo algunas bacterias, las esporas sexuales de las setas, e incluso algunas células de plantas.

En la gemación se replica el material genético pero no se duplica el contenido celular. Se produce una yema o gema a partir de la célula madre. Tras la división celular hay dos células desiguales. En la célula madre se produce una cicatriz en su superficie y podrá repetir el proceso hasta unas 30 veces, después de los cuales muere. La célula hija, también denominada "célula virgen", debe de crecer antes de convertirse en una célula madre con capacidad reproductora

Por lo tanto, ¿hay alguna ventaja para abandonar la fisión binaria y realizar la gemación en su lugar? Podría ser así. Los últimos trabajos del laboratorio de Tom Nyström han demostrado que las proteínas que se dañan durante el crecimiento celular, fluyen hacia la célula madre y así dejan a la joven nueva célula libre de tales impedimentos. El daño a las proteínas es a menudo debido a la oxidación causada por especies reactivas de oxígeno. Las proteínas dañadas tienden a formar agregados. Evidentemente eso puede ser malo, así que deshacerse de ellos es bueno. ¿Cómo se acumulan esas proteínas agregadas en las células madre? Pues parece ser que los agregados de proteínas se engancha a los filamentos de actina que crecen desde el nuevo brote hacia la célula madre. Esos filamentos se ensamblan en la punta de la yema en una estructura que los autores llaman un "polarisoma", que se compone de un núcleo de proteínas junto con algunas otras (las forminas) implicadas en la polimerización de la actina. También se requiere una proteína denominada Sir2, también llamada sirtuina, que es una deacetilasa retardante del envejecimiento. Sir2 es conocida por su papel en el alargamiento de la vida media de un ser vivo, no sólo en las levaduras, también en gusanos, peces y mamíferos. Ahora se ha descubierto que Sir2 está involucrada en los procesos en los que interviene la actina, y por lo tanto en la formación de polarisoma. Es un poco más complicado de lo que aquí se describe así que para una visión más detallada, es aconsejable leer el artículo de Leonard Guarente.

El polarisoma en una yema de levadura que se está formando. Los filamentos de actina crecen desde el polarisoma y transportan los agregados proteicos hacia la célula madre (fuente).

Echemos un vistazo en un contexto algo más amplio. No se trata tan sólo de mandar la ropa sucia a la madre. Una consecuencia de la asimetría durante la gemación es que, yema tras yema, la célula madre retiene su integridad corporal, mientras que la misma se pierde si la célula se divide por fisión binaria. En las levaduras, una célula madre puede gemar entre 15 a 30 veces antes de dejar de funcionar. ¿Cómo lo sabemos? Contando pacientemente bajo el microscopio el número de veces que una célula da lugar a yemas, y usando un micromanipulador para retirar las células hijas cada vez que estas se separan de la célula madre. Así hasta que la célula madre ya no produce más yemas. ¡Imagínese separar durante 30 ocasiones a las nuevas células nacientes de la célula madre! (Esto parece ser que fue realizado por primera vez en 1950 por A.A. Barton, que a la sazón trabajaba para una compañía cervecera británica). A este fenómeno se le conoce por senescencia, y puede visualizarse por la aparición de arrugas y el aumento de tamaño de la Gran Dama. Las nuevas células inician el proceso de nuevo, y cada una de ellas será una célula madre por su cuenta. Sin embargo, se había observado que las nuevas células nacidas de "madres viejas" envejecían antes y eran cada vez menos competentes para gemar. No es de sorprender que las levaduras sean las favoritas para los estudios de polarización celular y su posible papel en la senescencia. Muchos artículos se han escrito sobre el tema.

Microfotografía de levaduras gemando. Los "botones" que pueden observarse en la levadura central son las cicatrices producidas por anteriores procesos de gemación. La expresión "Hi, bud!" significa "¡Hey colega!" y es una pequeña broma porque "bud" también significa "yema" (fuente).

Una de las conexiones entre la gemación de las levaduras y el envejecimiento se basa en una vieja teoría de hace más de 120 años propuesta por August Weismann. Él postuló que el envejecimiento evolucionó a partir de la necesidad de separar las células germinales de las células somáticas. Las células germinales deben de ser protegidas de cualquier daño; así que las células somáticas lo "cargan a sus espaldas". Una de las razones aducidas es que deben dedicarse recursos adicionales sobre las células germinales para garantizar su estabilidad genética. Las células somáticas, en cambio, no tienen esos mecanismos y por lo tanto acumulan los daños.

(A) Fotografía de un cultivo en crecimiento exponencial de levaduras en el que puede compararse el tamaño y la morfología de las células jovenes y las viejas. (B)Determinación de la edad celular. Usando técnicas de micromanipulación se cuenta el número de ciclos de gemación que cada grupo de 50 células "vírgenes" realiza hasta que se paran y no hacen más divisiones celulares. Nótese como la viabilidad va decreciendo progresivamente. (C) La célula M es una célula madre terminal después de 15 ciclos celulares. La célula D14 es una célula hija (daugther) pero no ha conseguido separarse totalmente de la madre. La célula D14-1 es una "nieta" pero ni siquiera ha comenzado su ciclo. La célula D15 también está detenida en su ciclo y no podrá separarse (fuente).

Esta es una manera de pensar en la división celular asimétrica. Formalmente, la celulas madre actúa como una célula somática que produce múltiples células germinales, las yemas. Cada una, cuando crezca, se conviertirá en una célula madre con total potencial reproductivo, capaz de producir un conjunto completo de yemas por su cuenta. Durante la gemación, la joven yema evita el daño celular que representan los agregados de proteínas, y burlando así, ese aspecto del envejecimiento celular.

Si la división celular asimétrica puede conseguir dicha protección de la línea germinal, ¿por qué no puede hacer eso cualquier célula? La cuestión no es muy relevante para las células somáticas de los organismos multicelulares, ya que no están involucrados en la propagación de la línea germinal (a menos que el investigador coja sus núcleos y los introduzca en un óvulo). Pero, ¿cómo es que los microbios unicelulares, no han adoptado la estrategia de la gemación? Esa es una pregunta para contestar en otro momento.

Dado que la levadura es el más conocido de todos los organismos eucariotas, lo que permite infinitas formas de manipulación genética, no es de extrañar que se haya convertido en un modelo para el estudio del envejecimiento. Y yo que pensaba que yo sería un buen tema para investigar lo que ocurre en la vejez!

Moselio Schaechter, autor de esta entrada

Addendum: Un comentarista llamado Qetzal dejó un comentario sobre un fenómeno similar se en bacterias. Cuando E. coli se divide, el polo "viejo" acumula chaperonas involucradas en la agregación de (presuntas) proteínas dañadas. Al cabo del tiempo, las células "viejas" pierden su capacidad reproductiva. Algo similar ocurre en Caulobacter crescentus. Así, las bacteria también puede utilizar la estrategia de la segregación de las proteínas dañadas en el interior de las células envejecidas, en beneficio de la población en su conjunto.


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Laun P, Bruschi CV, Dickinson JR, Rinnerthaler M, Heeren G, Schwimbersky R, Rid R, & Breitenbach M (2007). Yeast mother cell-specific ageing, genetic (in)stability, and the somatic mutation theory of ageing. Nucleic acids research, 35 (22), 7514-26 PMID: 17986449
Guarente L (2010). Forever young. Cell, 140 (2), 176-8 PMID: 20141830
Liu, B., Larsson, L., Caballero, A., Hao, X., Öling, D., Grantham, J., & Nyström, T. (2010). The Polarisome Is Required for Segregation and Retrograde Transport of Protein Aggregates Cell, 140 (2), 257-267 DOI: 10.1016/j.cell.2009.12.031
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Plátanos contra el SIDA

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Estructura tridimensional de la Lectina del Plátano (fuente)

Científicos de la Universidad de Michigan han encontrado un nuevo y potente inhibidor del virus VIH (Virus de la Inmunodeficiencia Humana), el patógeno que causa el SIDA. En concreto se trata de la lectina del plátano, también denominada BanLec (por Banana Lectin). Este descubrimiento puede abrir la puerta a nuevos tratamientos para prevenir la transmisión sexual del VIH . En pruebas de laboratorio, la lectina del plátano ha demostrado ser tan potente como otros medicamentos anti-VIH que se están usando (el T-20 o el maraviroc,). Los resultados han sido publicados en el último úmero del Journal of Biological Chemistry.

Estructura del HIV. La proteína gp120 está situada en la envoltura (fuente)

En el artículo se describe la capacidad de la lectina para bloquear la entrada del virus VIH en las células humanas. Las lectinas son proteínas que se unen a moléculas de azúcar. Muchas de ellas son sintetizadas por las plantas, pero también están presentes en otros seres vivos. Suelen ser bastante específicas en su unión a determinados tipos de azúcares. En el caso de las plantas, algunas funcionan como un mecanismo de defensa contra invasores externos, como un virus, o una bacteria. Al unirse al patógeno evita que éste pueda interaccionar con las células del hospedador. El equipo de la Universidad de Michigan descubrió que la lectina de los plátanos se une a la proteína gp120 presente en la envoltura del VIH. Dicha proteína presenta una gran cantidad de azúcares que le permiten interaccionar con las células objetivo e infectarlas. En concreto, la proteína gp120 se une al recptor CD4 presente en la membrana de los linfocitos Th (T ayudantes). La unión de la lectina a esa proteína inhibe la infección vírica pues impide que el virus VIH se una a las células diana.

Animación que muestra el cambio conformacional de la proteína gp120 cuando se una al receptor CD4 de los linfocitos Th (fuente)

Además hay una ventaja añadida. De todos es conocido que el virus VIH tiene una gran capacidad de mutación y que con el tiempo aparecen cepas resistentes a la acción de los medicamentos. Pero eso es mucho más difícil de hacer con las lectinas, ya que pueden unirse a los azúcares que se encuentran en diferentes lugares de la envoltura del VIH-1 por lo que que tendría que haber múltiples mutaciones para que el virus pueda escapar a su acción, y desarrollar múltiples mutaciones es muy difícil.

El grupo investigador está intentado modificar molecularmente la lectina de plátano y así mejorar su unión al virus y su potencial utilidad clínica. Aún falta un tiempo para que este descubrimiento tenga aplicaciones sanitarias, pues hay que comprobar si funciona en modelos animales, si la lectina no es tóxica o provoca alergias, la mejor forma de aplicarla, etc. Lo que tiene que quedar claro es que el alimento no tiene ningún efecto, sino una proteína purificada a partir de dicho alimento. En principio los investigadores creen que la lectina podría ser utilizada para desarrollar una crema microbicida vaginal que pueda usarse sola o en combinación con otros medicamentos anti-VIH y así prevenir la infección del VIH.

Inhibición de la infección del virus HIV en presencia de BanLec. El virus fue inoculado en cultivos de células conteniendo concentraciones crecientes de BanLec .En las abcisas se muestra las concentraciones crecientes de la lectina. En ordenadas se muestra el porcentaje de producción de p24, una proteína localizada en la cápside vírica (ver esquema de arriba). Puede observarse que con una concnetración de 25 nM se consigue la practica desaparición de dicha proteína en los cultivos, lo que indica que el virus no se ha multiplicado (fuente).

Lo cierto es que hay un gran interés en encontrar nuevas sustancias antivíricas. La tasa de individuos que sufren una infección por VIH está duplicando la tasa de individuos que reciben medicamentos antirretrovirales. Para colmo el desarrollo de una vacuna eficaz parece que no se espera en un futuro próximo. Por ello se insiste tanto en medidas preventivas como los condones o evitar la promiscuidad. En palabras de David Marvovitz, investigador responsable del estudio, "El VIH está todavía muy extendido en los Estados Unidos. y su crecimiento explosivo en los países más pobres sigue siendo un problema grave ya que causa enormes sufrimientos humanos y el costo del tratamiento es muy alto",


Aunque el uso del condón es muy eficaz, los condones son más exitosos en la prevención de la infección si se usan sistemática y correctamente, lo que no suele ser el caso en dichos países en vías de desarrollo. En esos países las mujeres tienen poco control sobre los encuentros sexuales por lo que sería muy interesante el desarrollo de un microbicida vaginal barato y de larga duración que sea aplicado por ellas mismas antes de mantener una relación sexual. Combinados con el uso del preservativo podría ser una buena estrategia preventiva. Se ha estimado que un aumento de un 20 por ciento de cobertura con el uso de un microbicida que tan solo tenga un 60 por ciento de efectividad, puede prevenir hasta 2,5 millones de infecciones por el VIH en tres años.

¿El futuro? condones con una crema antiviral a base de lectina de plátano(fuente)

Swanson, M., Winter, H., Goldstein, I., & Markovitz, D. (2010). A Lectin Isolated from Bananas Is a Potent Inhibitor of HIV Replication Journal of Biological Chemistry, 285 (12), 8646-8655 DOI: 10.1074/jbc.M109.034926
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Matar bacterias a laserazos - Actualización

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Hace un tiempo publiqué un comentario sobre esta nueva y llamativa técnica terapéutica en desarrollo. En ella explicaba que los experimentos habían tenido éxito in vitro, bueno pues ahora el mismo grupo investigador liderado por el doctor Michael Wilson, ha realizado los experimentos in vivo. Sus resultados se publicaron en un artículo de la revista BMC Microbiology.

Para ello tomaron a unos ratones y les provocaron unas heridas que inocularon con una cepa del temido Staphylococcus aureus resistente a meticilina (MRSA). Una hora después se aplicaba azul de metileno en las heridas y se irradiaban con un láser con una longitud de onda de 670 nm. El cambio de molécula es debido a que el MRSA absorbe mejor el azul de metileno que otro tipo de moléculas usados en anteriores estudios. Esto creaba un pequeño problema. Esta longitud de onda es más energética que otras usadas antes, provocando un aumento de la temperatura en los tejidos. Se tuvo que comprobar que dicho aumento de temperatura no hacia daño al tejido celular de los ratones. Si el láser mataba a las bacterias pero destruía al tejido entonces habrían hecho un pan con unas tortas. Afortunadamente observaron que el láser no provocaba daños en los tejidos.

Molécula de azul de metileno

Tras el tratamiento han observado una reducción de hasta 25 veces en las poblaciones de MRSA presentes en las heridas. Otra ventaja añadida es que además de destruir al patógeno, la técnica también parece inactivar las toxinas producidas por éste. El siguiente paso es usarlo en humanos. Quién sabe, a lo mejor en el futuro pueden llegar a vender tiritas-laser.

Audio en "El podcast del microbio"

Zolfaghari, P., Packer, S., Singer, M., Nair, S., Bennett, J., Street, C., & Wilson, M. (2009). In vivo killing of Staphylococcus aureus using a light-activated antimicrobial agent BMC Microbiology, 9 (1) DOI: 10.1186/1471-2180-9-27