Vacunas al estilo Mary Poppins

Probablemente todo el mundo habrá visto alguna vez la película Mary Poppins, así que es posible que recuerden la canción "Con un poco de azúcar" (A spoonful of sugar) en la que la protagonista cantaba las bondades de usar el dulce compuesto para hacer más llevaderos los malos tragos.

Bueno, pues no sólo sirve para eso, también puede servir para elaborar mejores vacunas. Un reciente artículo publicado en la revista mBio a cargo de un grupo de la Universidad de Massachusetts describe como la combinación de β-(1-3)-D-glucanos con un antígeno, activa una potente respuesta inmune, tanto celular como humoral.

Las moléculas de β-(1-3)-D-glucano son largas cadenas de glucosa que pueden obtenerse a partir de extractos de paredes de hongos, como por ejemplo de la seta shiitake o de la levadura Sacharomyces cereviseae. El glucano es un compuesto específico de los hongos por lo que el sistema inmune lo reconoce como algo "ajeno". Nuestras células del sistema inmune innato reconocen a las moléculas de glucano a través del receptor CR-3, activándose una respuesta ante una posible infección fúngica.

Las partículas de β-Glucano son largas cadenas polisacarídicas que se pliegan formando estructuras porosas. El grupo liderado por el Dr. Levitz ha tenido la idea de "cargar" estas estructuras con ovoalbúmina, una proteína comúnmente usada como antígeno modelo en la elaboración de vacunas. De esta forma combinaban dos propiedades deseables, por un lado las estructuras de β-(1-3)-D-glucano transportan el antígeno, y por otro sirven como adyuvante inmunitario (Un adyuvante es una sustancia que potencia, de forma no específica, la respuesta inmunitaria frente a un antígeno).

Estas "bombas" de β-Glucano cargadas de ovoalbúmina (GP-OVA) son fagocitadas rápidamente por las células dendríticas, unas células del sistema inmune innato especializadas en la fagocitosis y en la presentación de antígeno (células APC). Tras la fagocitosis hay una rápida proteolisis de la ovoalbúmina, estimulación de secreción de citokinas y proliferación celular de linfocitos CD8+ y CD4+. La respuesta inmune inducida es de tipo Th1 y Th17, la típica respuesta que se desencadena en caso de infección por patógenos fúngicos como Cryptococcus o Aspergillus. Pero además hay producción de Inmunoglobulinas G. Cuando se utiliza ovoalbúmina combinada con alúmina como adyuvante, la respuesta inmunitaria es 100 veces menor.

Experimento que muestra la fagocitosis y proteolisis del GP-OVA por células dendríticas. Las partículas GP han sido cargadas con ovoalbúmina conjugada con el fluoróforo BODIPY FL. Si la proteína es degradada, se libera el fluoróforo y comienza a brillar con luz verde al ser expuesto a la luz UV. Las microfotografías superiores muestran la fluorescencia y las inferiores la fluorescencia y el campo claro simultáneamente. Empezando por la izquierda. GP-DQ-OVA: partículas GP con ovoalbúmina, no se ve fluorescencia. DCs: células dendríticas, no se ve fluorescencia. 30 m, 1 h, 4 h.Tiempos de incubación de las partículas GP-DQ-OVA con las células dendríticas. El aumento de fluorescencia indica que las partículas son fagocitadas y la albúmina destruida (fuente:Huang et al.)

Las vacunas más conocidas suelen producir una activación de la respuesta inmune humoral (o de activación de células B productoras de anticuerpos). La importancia del trabajo radica en que la respuesta inmune desencadenada por este tipo de estrategia es principalmente una respuesta de activación de las células T, lo que puede ser muy interesante en el diseño de vacunas frente a patógenos fúngicos.

Haibin Huang, Gary R. Ostroff,, Chrono K. Lee, Charles A. Specht, & Stuart M. Levitz (2010). Robust Stimulation of Humoral and Cellular Immune Responses following Vaccination with Antigen-Loaded β-Glucan Particles mBio, 1 (3) : 10.1128/​mBio.00164-10

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El microscopio que vino del frío

Imagen utilizada en la portada de la revista Cell en la que puede verse la estructura tridimensional del aquaerovirus en estado durmiente (arriba a la izquierda). Al perder las proteínas de protección (en azul) el virión pasa al estado "cebado" (abajo a la derecha) en el que es capaz de penetrar la membrana de su célula objetivo gracias a la proteína VP5 (abajo a la izquierda). Fuente de la imagen: Zhang et al. 2010.

El pasado abril la revista Cell publicó una portada en la que se representaba la reconstrucción en 3D de un aquaerovirus. No es la primera vez que una imagen de ese tipo aparecía en dicha revista. La novedad era la resolución alcanzada gracias a la técnica utilizada para realizarla. Se había utilizado la crio-microscopía electrónica o Cryo-EM.

Esta nueva técnica permite observar especímenes biológicos a resoluciones de 3'3 Angstroms (3'3 x 10^-10 m). Para hacernos una idea, el diámetro de un átomo de hidrógeno es de 2 Angstroms. Es decir, con esta técnica podemos ver los átomos que componen las macromoléculas. Y en el caso que nos ocupa, es la primera vez que se ha podido reconstruir la estructura de un virus completo a escala atómica.

La puesta a punto de dicha técnica se debe al grupo del profesor de microbiología Hong Zhou de la Universidad de California Los Angeles. Con ella pretenden realizar reconstrucciones tridimensionales de nano-máquinas y otras nano-estructuras como los virus. La reconstrucción 3-D de los complejos biológicos es posible gracias a que las muestras son congeladas muy rápidamente (congelación flash) utilizando etano o nitrógeno líquido. Cuando esto sucede, el agua no forma cristales de hielo, sino que se congela formando hielo vítreo. Y una característica peculiar del hielo vítreo es que no aumenta de volumen, lo que permite por un lado que las muestras biológicas no se vean alteradas y por otro que puedan ser observadas en condiciones de vacío. Es decir, con esta técnica podemos ver especímenes biológicos al microscopio electrónico en su estado más nativo posible.

Arriba a la derecha se ve una fotomicrografía de los viriones embebidos en hielo vítreo. Analizando 20.000 imágenes como esa puede reconstruirse la estructura tridimensional del virus que se muestra debajo. A la derecha puede verse una zona ampliada del virión. Hay cuatro trímeros VP5 marcados (Q, R, S, y T), and positions of 2- (ellipse), 3- (triangle) and 5-fold (pentagon) axes are indicated Fuente de la imagen: Zhang et al. 2010.

El grupo de Zhou ha utilizado la Cryo-EM para estudiar a los aquaerovirus, unos virus sin envoltura que infectan a peces y a moluscos. Su interés radica en que son un problema para las piscifactorías o para los criadores de mejillones. La cuestión era entender como conseguían entrar estos virus en las células que parasitan. Los virus que presentan envolturas membranosas, como son el virus de la gripe o el virus del SIDA, lo hacen fusionando su membrana con la de la célula a la que van a parasitar. Los virus sin esas envolturas lo hacen de otra forma, aún no muy bien comprendida.

En el caso de los aquaerovirus, gracias a Cryo-EM se ha podido determinar que el virus se encuentra en un estado "durmiente" rodeado de una capa protectora proteica. Para infectar a sus células objetivo, el virus debe de perder dicha capa protectora y entonces se habla de que se encuentra en un estado "cebado". Al perderse la capa protectora, una proteína denominada VP5 sufre un proceso de autoescisión, lo que causa un cambio de conformación que le permitirá penetrar la membrana al virión e infectar la célula.

Esta entrada participa en el IX carnaval de la Física que puede verse en el blog Experientia Docet

Zhang X, Jin L, Fang Q, Hui WH, & Zhou ZH (2010). 3.3 A cryo-EM structure of a nonenveloped virus reveals a priming mechanism for cell entry. Cell, 141 (3), 472-82 PMID: 20398923

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La Micología está de luto

Acabo de recibir la noticia de que José Pontón, presidente de la AEM durante los años 2000 a 2008, acaba de fallecer.

El profesor José Pontón trabajaba en la Universidad del País Vasco e impartía docencia en la facultad de medicina desde el año 1978. Su experiencia investigadora se centraba en el diagnóstico serológico de las micosis más importantes en España, sobre todo en las candidiasis.

Descanse en paz

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Microbio vs. Mineral

El autor de la microfotografía es Michael P. Zach, de la Universidad de Wisconsin-Stevens Point. Y la tituló: Microbio vs. Mineral - Una lucha a vida o muerte en el desierto. Lo que vemos es una muestra de sal recolectada en un valle árido cercano al Parque Nacional del Valle de la Muerte, en California. Zach pulverizó la sal y le añadió una gota de agua. El agua disolvió la sal pero al mismo tiempo "resucitó" a los microorganismos que había en ella. Son las pequeñas motas oscuras de forma bacilar que aparecen sobre el fondo. La foto fue tomada cuando el agua comenzó a evaporarse de nuevo, lo que provoca que la sal cristalice. Los cristales actúan como minúsculos prismas que descomponen la luz en bellos arcoiris.

La imagen consiguió una mención de honor en el Concurso sobre Visualización para la Ciencia y la Ingeniería del 2009,

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Tesis: El Musical

Creo que vamos a tener que incluir este musical como una optativa de último curso de los nuevos grados.

Primera parte: ¡Me hago doctor!

Segunda parte, la financiación: Por dios, basta ya (yo sólo quiero cobrar)

Tercera parte, la ilusión: Doctoras al poder

Cuarta parte, la estancia: Help!

Quinta parte, la histeria: Y ya estoy estresao

Sexta parte, la escritura: Escribir así es un sinvivir

¡Ánimo! que no hay tesis que cien años dure, (ni becario que lo resista)

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Cine y bichos: The story of Louis Pasteur

No entiendo muy bien el porqué en España se tituló "La tragedia de Louis Pasteur", aunque es cierto que la película está relatada en un tono melodramático muy del gusto de los años 30 del siglo pasado. Fue dirigida por William Dieterle, conocido por obras como "El jorobado de Notre Dame" o "La vida de Emile Zola", aunque también realizó un film dedicado a Paul Ehrlich, el padre de la quimioterapia. El actor Paul Muni, famoso por su papel protagonista en "Scarface", fue el encargado de interpretar a Louis Pasteur.

La verdad es que uno mira el cartel original y lo primero que piensa es que va a ver una película de terror sobre algún científico loco. Afortunadamente en aquella época el nombre de Pasteur era famoso en todo el mundo por sus importantes logros en el campo de las enfermedades infecciosas y de las vacunas, por lo que supongo que el público conocía en parte lo que iba a ver.

Y es ahí donde se centra el argumento de la película. En los numerosos esfuerzos de Pasteur para conseguir convencer a la comunidad científica de que las enfermedades son producidas por la infección de los microorganismos y en cómo desarrolla sus dos vacunas más conocidas: la del carbunco (a la que denominamos ahora por el anglicismo "ántrax") y la de la rabia. Ya he indicado que está contada en tono melodramático. Pasteur se nos presenta como un visionario, un químico loco del cual se ríe toda la profesión médica. A pesar de las burlas, gracias a su conciencia, tesón y sacrificio conseguirá llevar a cabo sus investigaciones, convencer a los escépticos y finalmente triunfar siendo reconocido y honrado por todos. No puede faltar el romance entre una de las hijas de Pasteur y un joven médico que ayudará a Pasteur en sus investigaciones. Lo dicho, un melodramón de la época.

Paul Muni en su papel de Louis Pasteur

En el aspecto cinematográfico es el típico biopic épico similar a "Edison, el hombre" o "The white Angel". Ahora nos parecería que los actores sobreactúan y que la trama es bastante simplona. Y si alguien la ve en versión original se encontrará que Paul Muni intenta dar un acento "francés" al inglés que habla su personaje, pero el resto de "franceses" hablan en inglés normal. Lo mejor de la interpretación de Muni es que recrea correctamente a Pasteur como un trabajador incansable, que lo era. También destacaría que la película no trata de ridiculizar a aquellos médicos que se burlan de Pasteur. Tan sólo los muestra como personas que están equivocadas pero que finalmente se verán convencidos gracias a los experimentos, tal y como se muestra en la secuencia dedicada a la prueba de la vacuna contra el carbunco en Pouilly-le-fort.

Recreación del experimento de Pouilly-le-fort

El film recoge diversas anécdotas famosas de la vida de Pasteur como cuando tomó una muestra de saliva de las fauces de un perro rabioso o cuando decidió usar su vacuna antirrábica en el niño Joseph Meister. Pasteur sabía que al no ser médico, si el niño moría se arriesgaba a ser acusado de homicidio y de intrusismo por lo que podía acabar en la cárcel. Para añadir dramatismo en la película incluso sugiere que puede ser guillotinado. También se recrea el ataque de apoplejía que sufrió hacia el final de su vida, aunque este sucedió cuando investigaba la pebrina, no cuando desarrollaba la vacuna contra la rabia.

En el aspecto científico no está mal. Se nos muestra como Pasteur llevaba a cabo muchas de sus investigaciones en un laboratorio que montó en su propia casa. No siempre fue así, sobre todo cuando alcanzó merecida fama. Otro aspecto a destacar es que Pasteur no es el único gran científico que sale. También vemos a Joseph Lister, el padre de los procedimientos asépticos en cirugía, o a Emile Roux, que desarrollaría un suero anti-difteria. La principal carencia de la cinta es que obvia todo el trabajo realizado por Pasteur sobre la estereoisomería del ácido tartárico, la refutación de la teoría de la generación espontánea, la fermentación de la cerveza, la anaerobiosis, y la erradicación de la pebrina. Sólo se centra en su trabajo con los microbios patógenos que afectan a los humanos. Pero hay que recordar una cosa. En 1935, año del estreno de esta película, no existían los antibióticos. Las infecciones eran un asunto sanitario muy serio, y se pensaba que la única forma efectiva de combatir a los microorganismos era mediante el desarrollo de vacunas y la observación de estrictas medidas de higiene. Además, hacía tan sólo diez años que las investigaciones de Alice Catherine Evans habían resultado en la obligación de pasteurizar la leche en las industrias lácteas estadounidenses como una medida para frenar la incidencia de la brucelosis. Así que no es de extrañar que la película fuera un pequeño éxito. De hecho, el actor Paul Muni siguió interpretando a Pasteur en seriales radiofónicos (tampoco había televisión).

Resumiendo, una añeja, pero entretenida e instructiva película.

Trailer promocional de la película

Pasteur L, Chamberland, & Roux (2002). Summary report of the experiments conducted at Pouilly-le-Fort, near Melun, on the anthrax vaccination, 1881. The Yale journal of biology and medicine, 75 (1), 59-62 PMID: 12074483

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Síndrome de Fatiga Crónica y Virus: una polémica científica

Microfotografía del XMRV. ¿Será el causante del Síndrome de Fatiga Crónica? (fuente: Virology Blog)

Las aguas están un poco revueltas en el mundo de la Virología. Hay muchos grupos investigadores que intentan encontrar la causa de la patología conocida como Síndrome de Fatiga Crónica (SFC). En el año 2009 apareció un estudio que afirmaba que el virus XMRV (por Xenotropic Murine Leukemia Virus) podría ser la causa de la enfermedad. Pero aparecieron otros estudios que rebatían dicha hipótesis. Y las espadas siguen en alto.

El último acto de esta lucha, que puede leerse en la revista Science, ha sido la polémica creada por la decisión de la revista PNAS de bloquear la publicación de un artículo que apoyaba la hipótesis del XMRV como agente etiológico del SFC. Dicha decisión fue tomada tras la publicación en la revista Retrovirology, de un estudio llevado a cabo por el CDC (Centers for Disease Control) que precisamente demostraba lo contrario: que no había relación entre XMRV y Síndrome de Fatiga Crónica.

No es raro encontrar resultados científicos contradictorios. A veces es cuestión de que se ha cometido un error en los procedimientos, otras de que la hipótesis de partida es incompleta o errónea. En el blog hemos visto unos cuantos ejemplos de artefactos. Generalmente, cuando un grupo investigador manda su trabajo a una revista, el editor suele enviarlo a otros científicos del área para que lo revisen y encuentren los posibles fallos. Es lo que se conoce por "revisión por pares" (peer-review). Si el artículo es aprobado por los revisores, entonces se publica. El proceso no es perfecto, y en este blog ya hemos hablado de ello, pero en líneas generales funciona bastante bien.

Lo que es novedoso, y grave, es que el consejo editor de una de las revistas haya decidido bloquear la publicación de un estudio a pesar de que haya sido aprobado por los revisores. Como indican en Virology Blog, el bloqueo es un error porque, los científicos y el público en general, pueden pensar que PNAS está tratando de publicar sólo aquello que el consejo editorial cree que es correcto y no aquello que experimentalmente es correcto. Es decir, se está aplicando una censura.

La Ciencia es una actividad humana, y los humanos comentemos errores. Pero gracias al método científico, la Ciencia se autocorrige y los errores son detectados. El hecho de publicar dos artículos contradictorios lo único que indica es que los experimentos posteriores deben de estar mejor hechos para así conseguir aclarar si el virus causa el SFC o no. Veremos como continúa la historia.

Lombardi, V., Ruscetti, F., Das Gupta, J., Pfost, M., Hagen, K., Peterson, D., Ruscetti, S., Bagni, R., Petrow-Sadowski, C., Gold, B., Dean, M., Silverman, R., & Mikovits, J. (2009). Detection of an Infectious Retrovirus, XMRV, in Blood Cells of Patients with Chronic Fatigue Syndrome Science, 326 (5952), 585-589 DOI: 10.1126/science.1179052

Switzer, W., Jia, H., Hohn, O., Zheng, H., Tang, S., Shankar, A., Bannert, N., Simmons, G., Hendry, R., Falkenberg, V., Reeves, W., & Heneine, W. (2010). Absence of evidence of Xenotropic Murine Leukemia Virus-related virus infection in persons with Chronic Fatigue Syndrome and healthy controls in the United States Retrovirology, 7 (1) DOI: 10.1186/1742-4690-7-57

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Bombas atómicas, bacterias y delfínes

Leó Szilárd y Aaron Novick. Hace 60 años inventaron el quimiostato.

Si le preguntara a un físico quién fue Leó Szilárd es probable que me respondiera: fue el extraterrestre que ideó la bomba atómica. Pero si le preguntamos a un microbiólogo industrial respondería: fue el extraterrestre que inventó el quimiostato.

Esto último no lo hizo él solo, sino en compañía del químico Aaron Novick, uno de los pioneros de la Biología Molecular. Ambos se habían conocido en 1943 durante el desarrollo del "Proyecto Manhattan". El trabajo de Novick versaba sobre la purificación del plutonio, material con el que se construyó la bomba arrojada sobre Nagasaki. Después de la Segunda Guerra Mundial muchos de los científicos que habían estado involucrados en el desarrollo de las armas atómicas comenzaron a renegar de ellas y a trabajar en aras de la paz. Además de llevar a cabo diversas campañas de concienciación social también comenzaron utilizar sus neuronas en el campo de la Biología. Szilárd y Novick comenzaron su colaboración en 1947, y se centraron en entender el crecimiento bacteriano y como sacar provecho del mismo.

Esquema muy simplificado de un quimiostato aeróbico. La tubería superior añade medio fresco en el cultivo microbiano. La tubería inferior actúa como un aliviadero o rebosadero. Nótese que el mismo volumen que entra en el quimiostato sale por la parte inferior. (origen de la imagen)

Tomando como base la ecuación conocida como "Primera Ley de Monod" en el año 1950 consiguieron desarrollar el quimiostato, un tipo de biorreactor en el que los microorganismos de su interior se encuentran creciendo exponencialmente de manera constante. Es lo que se llama un cultivo continuo. El quimiostato permite controlar de modo independiente la concentración celular del interior y la velocidad de crecimiento del cultivo. La velocidad de crecimiento se controla ajustando la velocidad de dilución. En el quimiostato entra medio nutritivo fresco al mismo tiempo que sacamos medio nutritivo usado. Cuanto más alta sea la velocidad de dilución más rápidamente deben de crecer las células. La concentración celular se controla variando la concentración del nutriente que entra. Cuanta más comida entra, más células habrá dentro del quimiostato.

Esquema simple del proceso de depuración de aguar residuales. (origen de la imagen)

Y eso ¿para qué sirve? Bueno, para muchas cosas. Podríamos decir que sin los quimiostatos no existiría biotecnología industrial. Pero probablemente su aplicación más conocida es para la depuración de aguas, ya sea mediante procesos aeróbicos o anaeróbicos. Una estación depuradora de aguas es una especie de quimiostato en el que el "medio de cultivo fresco" es el agua residual que entra en la planta y que sirve para alimentar a los fangos activos (los microorganismos). Posteriormente se retiran los fangos del agua mediante decantación y así conseguimos agua depurada.

En 1961, Szilárd publicó un libro titulado "The voice of the dolphins" en el que debatía diversos aspectos de la Guerra Fría. La historia corta que da título al libro versa sobre un futuro en el que la raza humana se ha extinguido y los delfines son los nuevos seres inteligentes del planeta (*). En dicho relato, Szilárd imaginaba un laboratorio internacional de Biología, situado en la Europa Central. La idea se hizo realidad en 1962 con el nacimiento del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL). La biblioteca del EMBL fue bautizada Biblioteca Szilárd y en su sello aparecen los delfines.

(*) Una visión más optimista basada en la narración de Szilárd se puede encontrar en el cómic "Fragmentos de la Enciclopedia Délfica"

Esta entrada se presenta al 8º carnaval de la Física.

Novick, A., & Szilard, L. (1950). Description of the Chemostat Science, 112 (2920), 715-716 DOI: 10.1126/science.112.2920.715

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Los primeros en responder a un derrame de petróleo

Ha pasado más de un mes desde la explosión de la plataforma petrolífera Deepwater Horizon de la compañía BP localizada en el Golfo de México. En dicha explosión murieron 11 trabajadores y comenzó a derramarse una gran cantidad de petróleo. Aunque desde el primer momento se tomaron diferentes medidas para paliar los efectos, lo cierto es que son los microorganismos los primeros que respondieron al vertido. Aquí os traigo la traducción del comentario "Small Things: First Responders to Oil Spills" escrito por los profesores D. Jay Grimes y Ronald M. Atlas en el blog "Small Things Considered". Probablemente el nombre de Ronald Atlas les suene a los alumnos de Ciencias Ambientales porque es autor de uno de los libros de texto que se utilizan en clase.

El derrame visto desde el espacio. Fotografía realizada el 24 de mayo. (Fuente: Wikipedia)

El 20 de abril de 2010, la plataforma petrolífera Deepwater Horizon localizada mar adentro en el norte del Golfo de México, explotó por causas indeterminadas. Dos días después la plataforma se hundió causando la ruptura total de las tuberías de perforación y provocando el derrame de enormes cantidades de petróleo. Las estimaciones más bajas asumen que el derrame ya ha eclipsado los 11 millones de galones (41 millones de litros) del Exxon Valdez en el año 1989. Antes de que el petróleo deje de fluir la cantidad derramada podría ser superior a los 140 millones de galones (529 millones de litros) vertidos en el Golfo de México por el estallido en 1979 de la plataforma Ixtoc-1 (*).

Dilución seriada mostrando Materia Orgánica Disuelta Coloreada. Los números son unidades estandarizadas. (Fuente: SCCF Recon)

El primer buque oceanográfico en el lugar fue el R/V Pelican. Posteriormente, tanto la compañía BP como la NOAA, enviaron buques de investigación al lugar. El Pelican realizó mediciones fluorimétricas de la materia orgánica disuelta coloreada (CDOM), para estimar indirectamente la cantidad de hidrocarburos dispersados en el agua. De esa forma encontró varias "plumas" o manchas de CDOM a profundidades entre 700 y 1,300 metros. Se han tomado muestras de agua de esas plumas para su posterior análisis para determinar la cantidad de petróleo. BP realizó diversos anuncios (18 de mayo, 23 y 25) por parte de los científicos de la NOAA, la EPA, y la BP presentes en el barco R/V Brooks McCall. Éstos comprobaron que la fluorescencia de fondo era de 5 ppb con picos de hasta ligeramente por encima de 20 ppb en los 1.200 metros. La fluorescencia de fondo puede ser atribuida a una serie de causas, incluyendo el hecho de que hay 63 filtraciones naturales en el norte del Golfo de México que contribuirían con alrededor de 20 millones de galones de petróleo al año (hacer click aquí y aquí para más detalles). Según todas las apariencias, una mancha de petróleo se está moviendo muy por debajo de la superficie, mientras que el petróleo también se está moviendo en la superficie y contaminando las costas de Louisiana.

Evolución de una mancha de petróleo. (Fuente: Tecnum)

Sin duda, los microbios del Golfo se han visto expuestos al petróleo, tanto en la superficie como en profundidad-y han sido los primeros en responder. Aunque muchos microbiólogos están interesados en la identidad de las bacterias degradadoras de petróleo, ese detalle es de menor relevancia que los cambios químicos que provocará la comunidad microbiana de microorganismos degradadores de petróleo. Por lo general, como se observó en las costas afectadas por el derrame del Exxon Valdez, la presencia de microorganismos degradadores de petróleo en la comunidad microbiana va desde menos del 1% a un 10% en aguas marinas y sedimentos expuestos al petróleo en crudo. Los microorganismos degradadores de hidrocarburos son diversos e incluyen especies de Vibrio y Pseudomonas junto con otros géneros como Alkinovorax, aislado precisamente en el Golfo de México.

Los científicos a bordo del Pelican tomaron muestras para análisis microbianos utilizando métodos moleculares modernos y así identificar y caracterizar las comunidades microbianas. También midieron el oxígeno disuelto (OD) en el interior de las "plumas" y se determinó que existía una relación inversa entre el CDOM y el oxígeno disuelto, lo que indicaba que había una degradación activa del petróleo por parte de los microorganismos en el interior de las "plumas". Los resultados mostraron que las lecturas de OD en el máximo de la pluma estaban reducidas en un 30%, pero ese valor no es tan bajo como para impedir la degradación aeróbica microbiana, un proceso muchísimo más rápido que la biodegradación anaeróbica de hidrocarburos. A pesar de la preocupación de que la bajada de OD podría volver las aguas anóxicas y por lo tanto inadecuadas para los peces, la experiencia con el derrame del Exxon Valdez sugiere que un 30% de reducción de la OD para el agua corriente es lo que se debe esperar como resultado de una activa biodegradación aeróbica de hidrocarburos. Con pocas excepciones, los datos del Brooks McCall no muestran zonas con bajas OD, por el contrario, estos datos muestran aumentos consistentes de la OD con la profundidad a partir de los 500-600 metros. Una de las excepciones que han hecho notar los científicos a bordo de la Brooks McCall muestra un pico de fluorescencia de más de 20 ppb conjuntamente a una reducción de la OD de 6 a 5 mg/L.

Biodegradación del petróleo por microorganismos. Los procesos de biodegradación son fundamentalmente aerobios. Los microorganismos azules son los biodegradadores. Dicha población crece y puede ser presa de otros microorganismos (protozoos y virus). A su vez, la degradación del petróleo cambia su composición y permite que sea accesible por otro tipo de microorganismos llamados consumidores secundarios(Fuente: Nature)

Las muestras de agua con petróleo recogidas por el Pelican evidencian la presencia de microbios en la superficie de las gotas de crudo (Grimes et al., datos de tinción de DAPI y FISH sin publicar). Las plumas subsuperficiales se pueden estar formando por la adición de dispersantes en las profundidades donde se está produciendo el derrame de petróleo. La fina dispersión material también puede ser debida a la mezcla del petróleo caliente que sale del derrame(~ 200 º C) con el agua de mar fría (~ 4 º C). Cualquiera que sea la explicación, el aumento de superficie que ofrecen esas gotitas de petróleo deberían permitir una mayor colonización por bacterias que degradan hidrocarburos. De hecho, los estudios sobre los derrames de petróleo anteriores, incluido el Ixtoc-1 y el derrame de 1978 del Amoco Cádiz en la costa de Bretaña, indican que los microbios son los primeros en responder, para degradar el petróleo a medida que avanza hacia las zonas costeras sensibles. Los estudios en curso deben mostrar como de efectivos serán en la mitigación del actuales desastroso derrame que está afectando la costa del Golfo.

Bacterias teñidas con DAPI adheridas a una gota de petróleo del vertido producido por el accidente en la plataforma Deepvater Horizon. (Fuente: Jay Grimes)

Addendum de Ron Atlas

Lo que está claro de los estudios sobre vertidos anteriores, incluyendo los estudios sobre el derrame del Exxon Valdez y un derrame experimental llevado a cabo por la EPA y realizado a lo largo de la costa de Delaware, es que es muy improbable que añadir microbios al vertido sea de alguna ayuda. Mientras que los cultivos puros de microbios hacen un trabajo maravilloso de degradación de hidrocarburos en los matraces de laboratorio y en los biorreactores, nunca han demostrado ser capaces de competir con la diversa comunidad de microorganismos degradadores de petróleo que se desarrolla de forma natural en los océanos contaminados con petróleo crudo. Tampoco son capaces de degradar todos los hidrocarburos presentes en la compleja mezcla que es el petróleo crudo. Pero eso no impide que haya empresas que traten de vender una solución inmediata que limpie al instante el petróleo derramado, o de ignorar o denigrar a la literatura científica acerca de la falta de demostración de que la siembra de cultivos es mejor que la adición de fertilizantes en la aceleración de las tasas de biodegradación de petróleo.

Durante el incidente del Exxon Valdez tuve el trabajo de evaluar muchos de los productos llevados al laboratorio de campo en Valdez. Esto incluía cultivos incluidos en arcillas que se suponía podrían hacer que el petróleo de la bahía Prince William desapareciese. La idea era que las arcillas provocaran que el petróleo se hundiera y desapareciera de la vista, pero no había pruebas de que las bacterias adheridas a las arcillas podrían competir con los microorganismos indígenas degradadores de petróleo que ya habían colonizado el crudo. Otra idea era utilizar ralladuras de limón y de naranja que provocarían la desaparición inmediata del petróleo, de hecho si se utiliza una prueba olfativa para detectar la presencia de petróleo se y agrega la suficiente cantidad de naranjas y limones, uno no será capaz de oler el crudo y podría concluir erróneamente que el petróleo se había ido. Años más tarde, en respuesta a un derrame en la selva amazónica en Ecuador, quedé horrorizado al ver a los trabajadores tirar ralladuras de limón en el petróleo. Sí, las mismas barricas de limones que no se había utilizado en la bahía de Prince William se habían llevado al Ecuador y habían sido vendidas como la solución biorremediadora maravillosa. Teniendo en cuenta las numerosas noticias de gente a lo largo de la costa del Golfo que dice que el petróleo debe estar cerca porque lo huele, mi temor es que alguien podría tratar de vender ese tratamiento a un gerente de BP o a un grupo local de ciudadanos que no esté familiarizado con las bacterias para degradar el petróleo, la biorremediación y los complejos análisis químicos que se utilizan para determinar la presencia de petróleo. Esta semana he recibido varias notas por correo electrónico de compañías que dicen estar educando a BP acerca de todas las campañas de desinformación científica, como los reclamos de que hay cultivos de microorganismos capaces de degradar instantáneamente el petróleo y que no suponen un peligro ecológico porque no son capaces de reproducirse. Esperemos que BP insista en los métodos científicamente probados y se resista a la tentación de comprar curas milagrosas.

Los autores: Ronald Atlas, Profesor de Biología y Salud Pública en la Universidad of Louisville (izquierda) y D. Jay Grimes, Profesor del Departamento de Ciencias Costeras y Ecología Microbiana Marina en el Laboratorio de Investigación de la Costa del Golfo, Universidad del Sur de Mississippi (derecha).

(*) Para comparar con algo más cercano. El Prestige vertió 63.000 toneladas de las 77.000 que transportaba. Asumiendo que 1000 litros de petróleo pesan unos 840 kilos (depende de la densidad), los 529 millones de litros equivaldrían a 446.000 toneladas.

Siglas:
DAPI: Técnica de fluorescencia con el colorante DAPI que tiñe el DNA.
EPA = Environmental Protection Agency.
FISH: Fluorescence in situ hybridization.
ppb = Parts Per Billion. En español, partes por cada 1000 millones ó: 1 en 10⁹.
NOAA= National Oceanic and Atmospheric Agency.
R/V = Research Vessel, barco de investigación

Head, I., Jones, D., & Röling, W. (2006). Marine microorganisms make a meal of oil Nature Reviews Microbiology, 4 (3), 173-182 DOI: 10.1038/nrmicro1348

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Cuestión de equilibrio

Miniatura egipcia de una mujer desnuda. (XVIII Dinastía. 1390-1353 A.C. Museo de Brooklyn)

Para que no se diga que este blog no mantiene la paridad (a ver si así me cae una subvención ;-) la entrada de hoy está dedicada a la microbiota vaginal.

Una colaboración entre varios grupos investigadores ha llevado a cabo un estudio para entender el microbioma vaginal humano y su papel en la defensa frente a las infecciones urogenitales femeninas. Para ello han tomado muestras de la microbiota vaginal de 396 mujeres norteamericanas pertenecientes a cuatro grupos étnicos: blancas, negras, hispanas, y asiáticas. La microbiota fue analizada mediante diversos procedimientos incluyendo la secuenciación y comparación de los genes que codifican para el 16S rRNA. Los resultados han sido publicados en la revista PNAS.

Uno de los objetivos era determinar si había un "microbioma nuclear" (core microbiome) común a la microbiota vaginal de todas las mujeres. Algo similar a lo que se ha descrito para la microbiota intestinal o para la del pene. Pero no ha sido así. Han encontrado que la microbiota vaginal presenta una diversidad de comunidades bacterianas que se pueden agrupar en cinco grupos (clusters). Los grupos I, II, III y V están dominados por las especies Lactobacillus crispatus, L. gasseri, L. iners, y L. jensenii. El grupo IV es muy diverso y tiene una alta proporción de organismos estrictamente anaerobios. Pero lo más importante es que los cinco grupos bacterianos tienen en común la producción de ácido láctico, un compuesto clave en la ecología de la microbiota vaginal. Es decir, no hay un "microbioma nuclear" pero las diversas comunidades microbianas interactúan como si lo hubiera. El láctico es el responsable de que el pH vaginal sea ácido, creando unas condiciones en el que no pueden crecer numerosos microorganismos patógenos.

Esquema que muestra los cinco agrupamientos genéticos (I al V) encontrados en la microbiota vaginal. La cantidad de ramas nos indica la diversidad microbiana. En la parte de abajo tenemos los valores Nugent para los distintos microorganismos caracterizados. El color rojo indica que esos micrroganismos pueden participar en procesos de vaginosisi aunque se encuentren en la microbiota normal. En la barra más inferior se indica el valor de pH óptimo de dichos microorganismos. (fuente: Ravel et al.)

Sin embargo, no todas las comunidades microbianas que forman la microbiota vaginal son igual de protectoras frente a los patógenos externos. Es importante que haya un equilibrio dinámico entre ellas para mantener una correcta salud vaginal. Las muestras vaginales fueron sometidas a los llamados criterios o puntuación de Nugent para el diagnóstico de la vaginosis bacteriana. Se realiza una tinción de Gram y se evalúa al microscopio la presencia de bacilos grandes Gram-positivos que corresponde a los Lactobacillus. Como esas bacterias corresponden a la flora normal el valor 0 se da cuando hay muchas y el valor 4 cuando hay pocas. Luego se cuentan los bacilos pequeños Gram-variables que suelen corresponder al patógeno Gardenella vaginalis, pero en este caso el 0 es para cuando no se ve ninguna y el 4 para muchas. Y finalmente se evalúan los bacilos curvados Gram-variable que se corresponden con el morfotipo patógeno Mobiluncus, aunque los valores se dan entre 0 y 2. Una puntuación de 7 ó más ese considera como indicadora de una vaginosis bacteriana. Al correlacionar los resultados genéticos con los resultados obtenidos tras aplicar el criterio de Nugent lo que se ha encontrado es que la mayor parte de microorganismos del grupo IV tienen valores de Nugent altos, mientras que los del grupo I presentan los valores más bajos.

Un resultado llamativo ha sido encontrar que hay diferencias entre los diferentes grupos étnicos. Las mujeres hispanoamericanas tienen el pH más alto (pH 5.0 ± 0.59), seguidas de las mujeres negras (pH 4.7 ± 1.04), las asiáticas (pH 4.4 ± 0.59) y finalmente las mujeres blancas (pH 4.2 ± 0.3). Esos datos se correlacionan con el hecho de que las comunidades microbianas dominadas por los lactobacilos son más abundantes en las mujeres blancas y asiáticas. Paralelamente, las comunidades microbianas que no ofrecen una protección óptima frente a los patógenos eran más comunes en las mujeres hispanoamericanas y negras que en las asiáticas y blancas.

Representación de la distribución de las comunidades bacterianas vaginales por grupo étnico. Entre paréntesis se muestra el número de mujeres muestreadas en cada grupo étnico. (fuente Ravel et al.)

El porqué de dichas diferencias es desconocido. Pero los autores dejan muy claro en el artículo que esto no quiere decir que la microbiota vaginal de las mujeres blancas y asiáticas sea más "saludable" que la de las mujeres negras e hispanas porque todas las muestras fueron recogidas de mujeres sanas. Por trabajos anteriores se sabe que la composición de la microbiota vaginal depende de factores muy diversos debidos al hospedador como son: el funcionamiento del sistema inmune, ya sea el innato o el adaptativo, las secreciones vaginales, las células del epitelio, los hábitos de higiene, los métodos anticonceptivos y el comportamiento sexual.

Como indican al final del artículo, las diferencias en la composición de las comunidades bacterianas vaginales deben de ser tomadas en cuenta cuando se estiman los riesgos de padecer una enfermedad, o bien para su diagnosis y tratamiento. Estos trabajos son los primeros pasos hacia la creación de una medicina personalizada enfocada hacia la salud reproductora de la mujer.

Nugent RP, Krohn MA, & Hillier SL (1991). Reliability of diagnosing bacterial vaginosis is improved by a standardized method of gram stain interpretation. Journal of clinical microbiology, 29 (2), 297-301 PMID: 1706728

Ravel, J., Gajer, P., Abdo, Z., Schneider, G., Koenig, S., McCulle, S., Karlebach, S., Gorle, R., Russell, J., Tacket, C., Brotman, R., Davis, C., Ault, K., Peralta, L., & Forney, L. (2010). Microbes and Health Sackler Colloquium: Vaginal microbiome of reproductive-age women Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1002611107

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Tú eres tus bacterias

No hay mal que por bien no venga. Rob Knight es un microbiólogo de la Universidad de Colorado que tras un viaje a Perú sufrió un caso agudo de "diarrea del viajero". Después de tomar una serie de antibióticos se recuperó. Pero resulta que Knight investiga sobre el microbioma humano, así que se puso a estudiar los efectos de los antibióticos en la recuperación de la microbiota de sus intestinos.

También hizo otra cosa. Antes del viaje, Knight se había sometido a una dieta para perder peso que demostró ser inefectiva. Tras su recuperación, la retomó y esta vez consiguió perder más de 20 kilos. Inmediatamente pensó en el papel de la microbiota, ya que un artículo de su grupo había demostrado la importancia de la composición de la microbiota en la ganancia de peso en ratones. El trasplante de microbiota de ratones obesos a ratones delgados hacia que estos últimos ganaran peso. Aunque también demostraron que la presencia de determinados receptores en las células del intestino favorecía el establecimiento de un tipo de microbiota y no de otra. Según Knight, la conjetura era que los antibióticos habían "lavado" a la microbiota "obesa" y habían permitido que fuera más fácil establecer una nueva.

En los gráficos de la izquierda puede verse la ganancia de peso en ratones deficientes en el receptor TLR5 (ratones T5KO) cuando se comparan con ratones normales (ratones wt), sin importar de que estos sean machos o hembras. A la derecha se comparan las resonancias magnéticas de ambos tipo de ratón. Las zonas blancas son zonas grasas. (Fuente: Vijai-Kumar et al. )

En una reciente revisión, el investigador Liping Zhao escribe que los seres humanos somos superorganismos cuyo fenotipo es el resultado de la interacción de los dos genomas que contiene. Uno es el genoma humano que heredamos de nuestros progenitores y que se compone de unos 25.000 genes. El otro es el microbioma humano que se adquiere del medioambiente y que está formado por 1 millón de genes. En contraste con el genoma humano, la composición del microbioma humano es muy flexible y puede ser modulada por la acción de la comida o de los medicamentos. De hecho, cada persona tiene su propio microbioma, diferente del resto de seres humanos. Podríamos decir que es una especie de huella digital microbiana.

Ambos genomas deben de trabajar de manera armoniosa para que se mantenga la salud. Una dieta no equilibrada puede transformar al microbioma de un aliado en un enemigo. Gracias a las nuevas tecnologías de secuenciación estamos comprendiendo cada vez mejor las relaciones de los diferentes miembros del microbioma ya sea entre si, o con las células de nuestro cuerpo. Pero no bastan las herramientas genómicas. Otra forma de seguimiento es el estudio de los metabolitos encontrados en la orina. Si se consigue catalogar la variabilidad de las diferentes comunidades microbianas se podrá identificar biomarcadores que puedan ser usados para predecir enfermedades, ademas de permitirnos entender mejor como esas comunidades responden a los medicamentos y a los factores medioambientales. Eso podría abrir un camino para manipularlas y usarlas en su vertiente sanitaria como una herramienta preventiva.

Vijay-Kumar, M., Aitken, J., Carvalho, F., Cullender, T., Mwangi, S., Srinivasan, S., Sitaraman, S., Knight, R., Ley, R., & Gewirtz, A. (2010). Metabolic Syndrome and Altered Gut Microbiota in Mice Lacking Toll-Like Receptor 5 Science, 328 (5975), 228-231 DOI: 10.1126/science.1179721
Zhao, L., & Shen, J. (2010). Whole-body systems approaches for gut microbiota-targeted, preventive healthcare Journal of Biotechnology DOI: 10.1016/j.jbiotec.2010.02.008

Campeonato de micro-Forzudos

Muchas bacterias se mueven. Unas lo hacen mediante flagelos, otras mediante deslizamiento y otras utilizando la propulsión a chorro. Pero hay otra forma de moverse y es "trepando" por las superficies a base de fuerza bruta.

Seguramente todo el mundo habrá visto alguna secuencia en la que un escalador trepa por una pared de roca utilizando tan sólo la fuerza de sus brazos (y si no, arriba he insertado una). El escalador alarga su brazo, hace presa con su mano y asciende al contraer su brazo. Bueno, pues hay bacterias que también tienen una especie de brazo contráctil. Se le conoce como pili de tipo IV (o T4P).

El T4P es un filamento flexible compuesto de miles de subunidades ensambladas entre si de una proteína denominada pilina (también llamada PilA). Además, puede haber unas cuantas decenas o centenas de estas estructuras distribuidas por la superficie celular. Estas estructuras le sirven a la bacteria para muchas cosas además de para trepar. Están involucradas en la comunicación intercelular por la formación los "nanocables" de los que hablamos en una entrada anterior, en el establecimiento de biofilms, y en la interacción con el hospedador en el caso de bacterias simbiontes, sean estas mutualistas o parásitas.

Modelo estructural de los procesos de ensamblaje y retracción en el pili de Tipo IV. La proteína PilA (óvalos púrpuras) es sintetizada en el citoplasma. PilA queda insertada en la membrana citoplasmática después de que la proteasa PilD procese el péptido líder. Posteriormente, un sistema formado por varias proteínas (PilC, PilB, etc.) permite el ensamblaje de PilA en el espacio periplásmico. El pili así formado se extrude por el poro formado por la proteína PilQ. En el extremo distal está la adehsina C1/Y1, un tipo de proteína que actúa como un gancho. La proteína PilT (ovalo grande rojo) está localizada en la membrana plasmática y es la responsable del desensamblaje de PilA y por lo tanto de la fuerza de retracción.

Los filamentos T4P son estructuras largas y delgadas pero que tienen una gran resistencia a la tensión. Por eso pueden ser usadas para trepar. El extremo distal del pili se engancha a la superficie gracias a un tipo de proteína llamada adhesina. Entonces, las subunidades de pilina son desensambladas en el otro extremo que está en el interior de la célula. La remoción de la pilina se produce gracias a PilT, una proteína con actividad ATPasa. El efecto de la despolimerización es una retracción del pili, lo que permite que la célula trepe por la superficie. A este movimiento contráctil se le conoce en inglés por el término "twitching motility" que podría traducirse por movimiento espasmódico.

Una población de Pseudomonas aeuroginosa en pleno movimiento contractil

¿Cuánta fuerza puede desarrollar la contracción de un pili? Es una buena pregunta y para eso necesitamos algún sistema para medirlo. En el caso del brazo de un escalador usaríamos un dinamómetro. Así que para medir la fuerza de T4P hay que usar un dinamómetro pero a escala nanotecnológica. Es lo que se conoce como pinzas ópticas, de las también hemos hablado anteriormente en el blog.

El sistema experimental desarrollado por el grupo de la doctora Berenike Maier para medir dichas fuerzas ha consistido en inmovilizar a las bacterias en un portaobjetos para microscopio recubierto de una fina capa de poliestireno. Luego permitieron la adhesión de unas bolas de látex al extremo distal del pili. Las bolas de látex pueden ser localizadas gracias a las pinzas ópticas., así que si se mueve la bolita es porque el pili que la tiene sujeta se contrae. Ahora sólo falta calcular la fuerza aplicada gracias a la medición del tiempo del desplazamiento y la distancia recorrida por la bolita.

Diseño experimental para medir la fuerza generada durante la retracción del filamento de T4P. La célula se inmoviliza en un portaobjetos cubierto con poliestireno. La pinza óptica atrapa a la bola de látex. Cuando el filamento T4P está unido a la bola y se retrae, se produce un desplazamiento (d) de la bola desde el centro de la trampa óptica. Si movemos el portaobjetos una distancia x se contrarresta la fuerza ejercida por T4P, con lo que d permanece constante y así podemos medir la fuerza del pili. La gráfica inferior muestra los resultados de un experimento tipo sobre la fuerza (F) de retracción del pili en el tiempo. Las unidades son d: nanómetros, t: segundos, F: picoNewtons. (Fuente: Clausen et al. ).

Los investigadores realizaron una especie de campeonato de micro-forzudos. En una esquina tenían al campeón Neisseria gonorrhoeae (el patógeno de la gonorrea), con una fuerza registrada de 110 picoNewtons (pN). Y en la otra esquina al aspirante, Myxococcus xanthus, una bacteria del suelo. En la competición el aspirante superó al poseedor del título con una marca de 150 pN.

¿Eso es mucho o poco? Nada mejor que una buena comparación. En nuestras células también tenemos proteínas contráctiles, siendo las más famosas la actina y la miosina de los músculos. Pues bien, los valores de fuerza desarrollada para los filamentos de ambas proteínas es de 7'7 y 2'5 pN respectivamente. Aparte de quedar claro quiénes son los alfeñiques, también se demuestra que el pili de Tipo IV es el motor linear más potente conocido por el hombre.

Esta entrada está basada en parte del material descrito en "Measuring the Strength and Speed of the Microbial Grappling Hook" escrito por Amber Pollack-Berti en el blog "Small things considered".


Esta entrada participa en el VII carnaval de la Física







Clausen, M., Jakovljevic, V., Sogaard-Andersen, L., & Maier, B. (2009). High-Force Generation Is a Conserved Property of Type IV Pilus Systems Journal of Bacteriology, 191 (14), 4633-4638 DOI: 10.1128/JB.00396-09

Biología y Arte

Bacteria 1

La palabra "artificial" significa hecho por mano o arte del hombre. La pasada entrada estuvo dedicada precisamente a la primera parte de la frase: la creación de una célula sintética por parte del grupo de Craig Venter. Hoy dedico una entrada sobre la segunda parte de dicha acepción. La manifestación de una actividad humana mediante la cual se expresa una visión personal que interpreta lo real, en este caso los seres vivos.

Bacteria 2

Artologica es el pseudónimo de la pintora estadounidense Michele Banks. En sus propias palabras - uso las acuarelas, una vieja y a menudo no respetada técnica pictórica, para crear obras que pueden ser cualquier cosa menos anticuadas -. Y no le falta razón. Sus trabajos se centran en los temas biológicos y médicos, particularmente en las células vistas a través del microscopio. Aquí os dejo unas cuantos de ellos, pero os recomiendo pasar por su página web para echarle un vistazo al resto de su interesante obra.

División celular 1

Bacteria 3

Bacteria 4

Telofase de células verdes