El arsénico puede esperar

Ciertamente, el artículo sobre la bacteria que puede utilizar arsénico en lugar de fósforo ha levantado polvareda. Así que el objetivo propagandístico de la NASA se ha cumplido.

Pero también han empezado a aflorar las críticas. Gracias a César Sánchez he tenido noticia de la realizada por la microbióloga Rosie Redfield de la Universidad de la Columbia Británica. Es bastante larga, y dura, así que voy a resumir los principales puntos.

Crítica principal: básicamente no presenta NINGUNA evidencia de que el arsénico se haya incorporado en el DNA (ni en ninguna otra molécula)

¿En qué se basa Rosie Redfield para decir eso?

1.- Las curvas de crecimiento.
No hay una buena correspondencia entre ellas. Lo grave no es que el eje de ordenadas (eje y) esté en escala lineal (Densidad óptica u OD) y la otra en logarítmica (Nº de células). Lo grave es que parecen decir cosas distintas. La Densidad óptica nos mide la masa del cultivo, que a su vez debe equivaler al número de células. Fijémonos en el valor del cultivo con fosfatos. Alcanza un valor de 0,25. Vayamos ahora a la gráfica del número de células y tendremos que se llega a un valor de unos 2'5 x 10⁸ células por mililitro. Observemos ahora que ocurre en presencia de arsénico. El valor de OD es de 0,15. Si hacemos una regla de tres, a ese valor le debería corresponder un número de células de 1,5 x 10⁸ células por mililitro. Sin embargo en la gráfica B observamos que el valor es más bien de 1,5 x 10⁷, es decir, diez veces menor de lo esperado.

Curvas de crecimiento de GFAJ-1 en diferentes condiciones de cultivo. En A se representa la densidad óptica y en B el número de células de los cultivos en presencia de fosfato (línea contínua y círculos negros), arsenato (línea discontinua y cuadrados negros) y sin fosfato ni arsenato (línea continua y triángulos blancos). La explicación de las microfotografías C, D y E se puede leer en la anterior entrada de este blog. (Fuente: Wolfe-Simons et al.)

2.- Puede haber suficiente fósforo en el medio.
Los autores admiten que no pueden evitar una presencia residual de fosfato de 3 μM. Rosie Redfield hace unos sencillos cálculos y encuentra que en cada mililitro debe de haber 1.9 x 10¹⁵ átomos de fósforo. Asume que las células tienen un genoma de 5 MB (es es un genoma muy grande) y que esa cantidad de DNA requiere la mitad de fósforo de la célula. La otra mitad sería para el RNA y otras moléculas (en mi opinión requiere al menos 3 veces más para hacer los fosfolípidos de la membrana interna y de la externa). Si sus cálculos son correctos, una célula necesitaría 2 x 10⁷ átomos (asumamos 8 ⁷ contando fosfolípidos). Entonces si dividimos encontraríamos que en un sólo mililitro hay fósforo suficiente para mantener a 9,5 x 10⁷ células (2,3 x 10⁷ con fosfolípidos). Como en la gráfica B observamos que en el máximo de crecimiento con arsénico hay 1,5 x 10⁷ células por mililitro entonces tenemos que las células podrían haber crecido sin necesitar el arsénico (incluso contando los fosofolípidos).

Además, como bien apunta César en los comentarios, no se puede descartar que las bacterias puedan tomar el fósforo de las que mueren. Reciclar a los muertos cuando el cultivo se encuentra en fase estacionaria es algo que se ha estudiado en E. coli, y no sería nada raro encontrarlo en un microorganismo que vive en un ambiente tan oligotrófico.

3.- ¿Cuánto fósforo se necesita para vivir?
Los autores afirman que una bacteria heterotrófica presenta en su composición entre un 1 a un 3% de fósforo en el total del peso seco. Pero ese dato se refiere a E. coli creciendo en un medio rico. La cepa GFAJ-1 presenta un 0,02% de fósforo cuando es crecida en arsénico y un 0,5% cuando se crece en presencia de fósforo. Además, la concentración ha sido calculada en base al peso de la célula, y las crecidas en arsénico contienen gránulos de PHB (posiblemente) así que es probable que la proporción sea mayor.

4.- Para demostrar la incorporación de fósforo a las biomoléculas han utilizado una combinación de técnicas low-tech para preparar el material y high-tech para identificar los átomos
Esto se ve claramente en el apartado que trata de demostrar que el DNA de las células crecidas en arsénico lleva átomos de dicho elemento en su composición. La extracción del DNA se realiza se realiza a partir de la banda de un gel de agarosa. Luego miden la relación del arsénico respecto del carbono total.

Hay que tener en cuenta que en un DNA normal hay un átomo de fósforo por cada diez de carbono (razón 1:10). Cuando realizan el estudio obtienen que en una bacteria crecida en fósforo la razón es de 6.9 x 10^-6. Eso quiere decir que en un genoma de 2 Mb habría unos 200 átomos de arsénico y 4 millones de átomos de fósforo. Cuando se mira la razón en células crecidas en arsénico esta es de 1.34 x 10^-5, es decir que habría 400 átomos de arsénico. El resto deben de ser de fósforo.

Sobre los datos del sincrotrón, la autora reconoce que esa técnica le supera, pero no ve como puede distinguir entre el arsénico que está en el medio de cultivo y el que está integrado en las moléculas.

Hasta aquí el resumen. Hay muchas más cosas, pero creo que con lo indicado aquí basta para poner el artículo en cuarentena y esperar que se confirme.

Y para terminar la anécdota. El nombre de GFAJ-1 es el acrónimo de Give Felisa A Job. Felisa es el nombre de la primera autora del artículo y al parecer es porque estuvo bastante tiempo pidiendo una beca para investigar.


ACTUALIZACION: Rosie Redfield ha colgado en su blog la carta que va a mandar a Science. Añade un punto más. El DNA lo analizan sin extraerlo del gel de agarosa con lo que la proporción de Carbono es errónea porque se mide la del DNA y la del gel.

Wolfe-Simon, F., Blum, J., Kulp, T., Gordon, G., Hoeft, S., Pett-Ridge, J., Stolz, J., Webb, S., Weber, P., Davies, P., Anbar, A., & Oremland, R. (2010). A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus Science DOI: 10.1126/science.1197258

Arsénico por sustitución

Tenía pensado seguir con el tema del microbioma, pero había que concluir el tema de las "noticias impactantes" de la NASA.

A mí me han parecido un poco defraudantes, lo que no me pilla de sorpresa. No han descubierto ninguna nueva forma de vida, ni en este planeta y mucho menos en otro lugar del universo. Pero la noticia tiene su interés. Parece ser que han conseguido obligar a un ser vivo a crecer usando arsénico en lugar de fosfato para sus biomoléculas. Y eso incluye a los ácidos nucleicos.

Recordemos que el fósforo es un bioelemento esecial. Los seres vivos lo usan para hacer ATP que usan como moneda energética en el metabolismo. Pero también se usa para hacer unas cuantas biomoléculas, principalmente los ácidos nucleicos y los fosfolípidos. En una entrada anterior del blog vimos que hay microorganismos que son capaces de usar nitrógeno en lugar de fósforo para los lípidos. Ahora, parece que el arsénico puede sustituir al fósforo en los ácidos nucleicos. Tengamos en cuenta que el arsénico está debajo del fósforo en la tabla periódica, así que son elementos análogos en cuanto a su reactividad química. De hecho, ese parecido es lo que explica la toxicidad del arsénico. Se incorpora en las rutas metabólicas del fósforo sustituyéndolo en la formación de enlaces ésteres. Pero a diferencia del fósforo, las biomoléculas que llevan arsénico en su composición son mucho menos estables.

Microfotografías electrónicas de barrido de la cepa GFAJ-1 creciendo con arsénato (C) y con fosfato (D). Nótese que las primeras tienen un mayor volumen que las segundas. La microfotografía E es de microscopía de transmisión y muestra posibles depósitos de hidorixibutirato en las células de GFAJ-1 que han crecido en arseniato. (Fuente: Wolfe-Simons et al.)

¿Cómo han conseguido "convencer" a un microorganismo para utilizar arsénico? Pues como suele decirse, a la fuerza ahorcan. Lo que han hecho es coger fango del lago Mono en California, un lago hipersalino con altas concentraciones de arsénico. Ese fango sirvió como inóculo de un medio de cultivo con un pH de 9,8 que contenía 10 mM de glucosa, vitaminas, algunas trazas de metales, arseniato (AsO₄^3-) en una concentración de 100 μM, y no se añadió fosfato. Es decir, realizaron lo que se conoce como un cultivo de enriquecimiento, ya que lo que se deseaba era favorecer a los microorganismos que pudieran medrar en esas condiciones de baja disponibilidad de fosfato.

Hay que tener en cuenta que al iniciar el cultivo si hay fosfato presente. El que contiene el fango y los microorganismos que lo habitan. Así que una vez ha crecido ese primer cultivo los investigadores tomaron una alícuota y la usaron como inóculo de un medio de cultivo similar (en una dilución de 10x). Con eso lo que se consigue es reducir la cantidad de fosfato disponible. Esto lo repitieron unas cuantas veces más, al mismo tiempo que incrementaron la cantidad de arsénico del medio llegando a alcanzar los 5 mM. La cantidad de fosfato del medio debida a impurezas en las sales quedó en unos 3 μM.

En la séptima transferencia, tomaron una alícuota y la cultivaron en una placa petri con el mismo medio de cultivo. De esa forma obtuvieron colonias aisladas. Una de ellas, denominada cepa GFAJ-1, fue repicada y transferida a un medio de cultivo sin fosfato. Se volvió a incrementar la cantidad de arsénico hasta alcanzar los 40 mM. Al mismo tiempo, secuenciaron el 16S rRNA de la cepa para saber de que microorganismo se trataba. Es un miembro de la familia Halomonadaceae que crece con un tiempo de generación de 31 horas en presencia de arsénico y sin fosfato. Si se crece en un medio con fosfato (1,5 mM) y sin arsénico, el microorganismo crece entonces con un tiempo de generación de 19 horas y se obtienen 10 veces más células en fase estacionaria. Si no hay ni fosfato ni arsenato en el medio, el microorganismo no crece.

Análisis Nano-SIMS de células de GFAJ-1 creciendo con arseniato (imágenes B, D y F) o con fosfato (imágenes C, E y G). SIMS son las siglas en ingles de Secondary ion mass spectrometry y lo que nos dice esta técnica es la composición elemental de las células. A mayor color, más cantidad del elemento (As o P) que se está midiendo. (Fuente: Wolfe-Simons et al.)

Utilizando un isótopo de arsénico (⁷³As) han determinado donde se incorpora dicho elemento. Y se incorpora tanto a los ácidos nucleicos, a los lípidos, a los intermediarios metabólicos y a las proteínas. Es decir, sus datos parecen confirmar el hecho de que el arsenato puede actuar como un análogo químico del fosfato en las biomoléculas. Pero no olvidemos que la cepa GFAJ-1 no es un arsenófilo estricto. Si hay fósforo en el medio, lo preferirá al arsénico.

Reconozco que el trabajo es interesante pero ¿qué importancia tiene para la NASA y la exobiología? Pues la verdad, aparte de demostrar que puedes obligar a un ser vivo a utilizar arsénico en lugar de fosfato, yo no le veo mucho más (sí, me ha molestado bastante la forma tan burda de hacer publicidad). Que yo sepa el fósforo es más abundante que el arsénico por regla general, y encima sus esteres son más estables. Así que una forma de vida extraterrestre probablemente utilice el fósforo antes que en el arsénico para su química. Pero evidentemente, si estos resultados se confirman, habrá que decir que el fósforo no es un elemento totalmente esencial para que exista vida.

La crítica a este artículo

Otros enlaces sobre esta historia:

Biounalm
Ciencia Kanija
Experientia Docet
La ciencia de la vida, la biología
La ciencia y sus demonios

Wolfe-Simon, F., Blum, J., Kulp, T., Gordon, G., Hoeft, S., Pett-Ridge, J., Stolz, J., Webb, S., Weber, P., Davies, P., Anbar, A., & Oremland, R. (2010). A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus Science DOI: 10.1126/science.1197258

Qué será, será... pues no será para tanto.

Bueno, sólo faltan 24 horas para que la NASA de la rueda de prensa con "noticias impactantes", tal y como se recogía ayer en Maikelnai's blog. Hoy, el periódico "ABC" da una pista sobre lo que puede tratar dicha conferencia, pero es el periódico "Daily Mail" el que da más detalles.

Al parecer se va a publicar en la revista Science un artículo sobre el descubrimiento de unas bacterias cuyo metabolismo energético está basado en el arsénico en lugar de en el fósforo. Dichas bacterias se han aislado del lago Mono, un lago hipersalino localizado en California.

O sea, que de bichitos verdes extraterrestres, nada de nada. Vaya farol que se han marcado los de la NASA (como otras veces).

La vaca voladora

No, esta entrada no va de la vaca voladora que sale en la película "Twister". Es la traducción del título de uno de los magníficos artículos publicados en el blog "Small Things Considered" escrito por Moselio Schaechter y Merry Youle.

El hoatzin y su polluelo. Nótese las garras en las alas de este último (origen de la imagen)

Aquí hay un pájaro que cree que es un rumiante. O, hablando en tono científico, la peculiar manera de digerir material vegetal podría haber coevolucionado en los rumiantes y en un pájaro. Estamos hablando del hoatzin, un pájaro tropical del tamaño de un faisán o, en honor del día de hoy (*), un pájaro del tamaño de un pavo que se encuentra en América Central y del Sur y que fermenta en su buche las hojas que come. Opisthocomus hoazin, ese es su nombre completo, es único. No hay otro pájaro conocido -y hay unas 9.000 especies - capaz de llevar a cabo una fermentación pre-gástrica (como el rumen), aunque unos pocos hacen algo similar en el ciego. El hoatzin se alimenta casi exclusivamente de hojas, por lo que se benefician enormemente de tener un microbioma que puede manejar dicho alimento, al igual que hacen las vacas. Para dar cabida a esa actividad, tienen un buche inusualmente distendido y un esófago de gran tamaño.

Como todos los vertebrados, los polluelos de hoatzin se desarrollan de forma gradual hasta alcanzar su madurez. A lo largo de ese tiempo, el microbioma del buche va cambiando. Esto es lo que los autores de un estudio liderado por María Dominguez-Bello, de la Universidad de Puerto Rico dicen: "En comparación con el adulto, el buche del polluelo de hoatzin tiene una mayor abundancia de Flavobacteriaceae, Clostridiaceae y Lachnospiraceae pero carecen del phyla DSS1, Deferribacteres y el Termite group 1 ,que si están presentes en los adultos". El dominio Archaea, incluido los metanógenos, también están presentes de manera abundante en el buche, así como protozoos. El conjunto es muy evocador del microbioma del rumen de los rumiantes.

El tubo digestivo del hoatzin. (A) Localización del buche y del largo esófago en el interior de su cuerpo. (B) El tubo digestivo del hoatzin extendido para mostrar todos sus órganos. "crop" es el buche y "gizzard" la molleja(origen de la imagen)

¿Quiere saber más sobre el hoatzin? He aquí una muestra: "Tiene una cara sin plumas de color azul con ojos marrones y una cresta espinosa en la cabeza, y es la única especie existente de la familia Opisthocomidae. A menudo se la considera como una de las aves más primitivas ya que el polluelo de hoatzin tiene dos garras en el primer y segundo dedo de sus alas para ayudarle a trepar a las ramas de manera algo extraña". Las garras de las alas se pierden con la madurez, pero por un tiempo, el pájaro se parece a la extinta Archaeopteryx, el candidato de finales del Jurásico de una forma de transición entre dinosaurios y aves.

No todo sobre el hoatzin es atractivo para los seres humanos. Emite un olor característico similar al del estiércol, lo que explica su sobrenombre: ave apestosa. Sin embargo, su atracción por los microbiólogos es evidente. Esta especie ha conseguido a su manera, al menos entre las aves, dar cabida a una comunidad microbiana rica y productiva.

(*) La entrada fue publicada por Elio el día de Acción de Gracias, festividad norteamericana durante la cual las familias se reúnen y se comen un pavo cocinado al horno.

Wright, A., Northwood, K., & Obispo, N. (2009). Rumen-like methanogens identified from the crop of the folivorous South American bird, the hoatzin (Opisthocomus hoazin) The ISME Journal, 3 (10), 1120-1126 DOI: 10.1038/ismej.2009.41

Godoy-Vitorino, F., Ley, R., Gao, Z., Pei, Z., Ortiz-Zuazaga, H., Pericchi, L., Garcia-Amado, M., Michelangeli, F., Blaser, M., Gordon, J., & Dominguez-Bello, M. (2008). Bacterial Community in the Crop of the Hoatzin, a Neotropical Folivorous Flying Bird Applied and Environmental Microbiology, 74 (19), 5905-5912 DOI: 10.1128/AEM.00574-08

El microbioma humano. Segunda sesión del Simposio Lilly

origen de la imagen: NIH

Aunque sea con retraso, aquí os dejo el resumen de la segunda sesión del Simposio Lilly dedicado al microbioma humano.

Oligosacáridos de la leche materna humana (Fuente: C&En)

Angela Marcobal, de la Universidad de Stanford nos habló del establecimiento y evolución de la microbiota infantil.

• Hay tres factores que afectan al establecimiento de la microbiota de un recién nacido: la dieta, los microorganismos ingeridos y el genotipo del hospedador.
• Inicialmente el niño es colonizado por los microorganismos de la madre, pero al cabo de 11 meses tiene su propia microbiota distinta de la de su progenitora.
• La leche materna contiene una alta proporción de HMOs (Human Milk Oligosacharides). Estas moléculas son la "fibra natural" del ser humano. Los HMOs no son digeridos por las células humanas. Es un alimento para las bacterias que formarán la microbiota del niño, sobre todo de la clase de los bacteroides y bifidobacterias.
• Estos grupos bacterianos son consumidores de glucanos profesionales. En su genoma presentan PULs (Polysacharides Utilization Loci), genes que codifican para enzimas capaces de degradar a los HMOs pero también de reconocer a la mucina. Los HMOs son como unos análogos de la mucina de las células del epitelio intestinal para dichos microorganismos. De esa forma la leche materna imita la mucina del intestino del niño para asegurar la presencia de la microbiota.
• Bacteroides thetaiotaomicron (B. theta para los amigos) es el microorganismo modelo para los estudios de microbiota intestinal.
• En presencia de HMOs, B. theta presenta una expresión aumentada (up-regulation) de 137 genes, la mayor parte de ellos agrupados en 13 PULs. Hay una gran redundancia y flexibilidad de estos genes. Mediante mutantes knockout (KO) se ha demostrado que si falla un operón, otro toma su lugar.
• El aumento de los miembros relacionados con el grupo de los Bacteroides es el indicativo de la adquisición de una microbiota madura.

Esquema que muestra el Metaboloma (A), las funciones génicas (B) y la estimación del tamaño mínimo (C) del Metagenoma del microbioma humano (Fuente: Qin et al.)

Wilhen de Vos de la Universidad de Wageningen , uno de los coautores del artículo sobre el microbioma humano que ya vimos en el blog, nos habló de las interacciones entre el hospedador y los microbios y su papel en la salud y en la enfermedad.

• Cada ser humano tiene su microbiota distinta de la de otro ser humano pero hay filotipos constantes. Por ejemplo, la presencia de Bacteroides.
• Parece que hay una microbiota nuclear o mínima (core microbiota) conservada entre los humanos, pero aún queda trabajo para confirmarlo.
• La microbiota de gemelos es muy parecida. Pero nos podemos encontrar variaciones día-noche en la microbiota de un ser humano particular.
• En la microbiota, los microorganismos productores de butirato está inversamente relacionados con la presencia de microorganismos patógenos.
• Biomarcadores de salud: las Bifidobacterias son deseables, pero en altos niveles poblacionales parecen causar dolor abdominal.
• Otro biomarcador: Akhermansia muciniphila, es un degradador de mucina. Bajos niveles de esta bacteria parecen estar asociados con la aparición de apendicitis.
• El papel de las sucesiones microbianas es crucial para un buen funcionamiento intestinal. El almidón es degradado en el intestino delgado por Ruminococous y lo transforma a acetato, que es utilizado por Eubacterium, una bacteria del recto, para producir butirato.

En el gráfico A se puede observar que las funciones codificadas por la microbiota del niño (rojo y rosa) y la de la madre (azul y azul claro) son muy parecidas entre si. Sin embargo, el ACP de la biodiversidad de las microbiota(B) muestra que en el 1º mes la microbiota del niño y la madre son muy parecidas, pero en el mes 11º son totalmente distintas (los puntos gris y negro son dos microbiotas de individuos adultos usados como control). En la gráfica C se muestra dicha biodiversidad. (Fuente de la imagen: Vaishampayan et al. 2010)

Maria Pilar Francino del CSISP nos habló nuevamente del desarrollo de la microbiota del intestino infantil, aunque el modelo experimental que tienen es distinto al de Angela Marcobal.

• Compararon la microbiota de un recién nacido en su primer mes con la microbiota establecida tras 11 meses de vida. En paralelo estudiaron la de la madre para comprobar si las bacterias que se establecían eran las mismas o no.
• Inicialmente aparecen los miembros del género Bacteroides, luego su número va decreciendo hasta que a los 11 meses aparece los primeros Bifidobacterium. A partir de ese punto se considera que la microbiota ya está madura.
• En el caso estudiado observaron que el recién nacido fue colonizado por dos especies de Bacteroides provenientes de la madre. Al principio eran los mayoritarios pero a lo largo de los 11 meses, esas poblaciones disminuyeron para finalmente desaparecer siendo sustituidas por una especie de Bacteroides distinta y exclusiva del niño.
• La microbiota no se hereda. El niño es colonizado inicialmente por miembros de la microbiota materna, pero su propia historia moldeará su propia microbiota.
• Hay similares filotipos entre individuos por lo que puede hablarse de una microbiota nuclear o mínima común a todos los humanos. Pero hay diferencias entre los géneros bacterianos presentes entre individuos.
• La Biodiversidad no está conservada pero sí la Biofuncionalidad. La conclusión es que las microbiotas de los seres humanos funcionan igual aunque estén hechas de diferentes especies de microorganismos.
• Los individuos presentan un microbiota nuclear con funcionalidad genética similar. La microbiota de cada ser humano es una historia de sucesiones microbianas que se ven afectadas por eventos azarosos.

Permanezcan atentos para la tercera parte.

Enlaces relacionados: Primera Sesión del simposio

Marcobal, A., Barboza, M., Froehlich, J., Block, D., German, J., Lebrilla, C., & Mills, D. (2010). Consumption of Human Milk Oligosaccharides by Gut-Related Microbes Journal of Agricultural and Food Chemistry, 58 (9), 5334-5340 DOI: 10.1021/jf9044205

Qin, J., Li, R., Raes, J., Arumugam, M., Burgdorf, K., Manichanh, C., Nielsen, T., Pons, N., Levenez, F., Yamada, T., Mende, D., Li, J., Xu, J., Li, S., Li, D., Cao, J., Wang, B., Liang, H., Zheng, H., Xie, Y., Tap, J., Lepage, P., Bertalan, M., Batto, J., Hansen, T., Le Paslier, D., Linneberg, A., Nielsen, H., Pelletier, E., Renault, P., Sicheritz-Ponten, T., Turner, K., Zhu, H., Yu, C., Li, S., Jian, M., Zhou, Y., Li, Y., Zhang, X., Li, S., Qin, N., Yang, H., Wang, J., Brunak, S., Doré, J., Guarner, F., Kristiansen, K., Pedersen, O., Parkhill, J., Weissenbach, J., Antolin, M., Artiguenave, F., Blottiere, H., Borruel, N., Bruls, T., Casellas, F., Chervaux, C., Cultrone, A., Delorme, C., Denariaz, G., Dervyn, R., Forte, M., Friss, C., van de Guchte, M., Guedon, E., Haimet, F., Jamet, A., Juste, C., Kaci, G., Kleerebezem, M., Knol, J., Kristensen, M., Layec, S., Le Roux, K., Leclerc, M., Maguin, E., Melo Minardi, R., Oozeer, R., Rescigno, M., Sanchez, N., Tims, S., Torrejon, T., Varela, E., de Vos, W., Winogradsky, Y., Zoetendal, E., Bork, P., Ehrlich, S., & Wang, J. (2010). A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing Nature, 464 (7285), 59-65 DOI: 10.1038/nature08821

Vaishampayan, P., Kuehl, J., Froula, J., Morgan, J., Ochman, H., & Francino, M. (2010). Comparative Metagenomics and Population Dynamics of the Gut Microbiota in Mother and Infant Genome Biology and Evolution, 2, 53-66 DOI: 10.1093/gbe/evp057

Un microscopio para ver moléculas una a una

Sanjeevi Sivasankar es un profesor de Física y Astronomía de la Iowa State University que quería estudiar proteínas, pero de manera singular. No quería estudiar una disolución o un cristal que contiene millones de moléculas de proteínas en estado puro. No, él quiere estudiar las proteínas una a una.

Así qué ha combinado dos tecnologías que permiten ese tipo de estudios. DE una ya hemos hablado unas cuantas veces. Es la técnica conocida como microscopia de fuerza atómica. La otra es la tecnología que estudia la transferencia de energía de resonancia.

Según Sanjeevi, usar una u otra de las tecnologías era como tener manos pero no ojos, o tener ojos pero no manos. De ahí su idea de combinarlas. El nuevo instrumento está siendo probado mediante el estudio de las cadherinas, un tipo de proteína que se encuentra en las membranas celulares de nuestras células y que sirve para que estás se mantengan juntas. También se está utilizando en el estudio del DNA y de los nanocristales.

Referencia original: Iowa State University

Esta entrada participa en el XIII Carnaval de la Física

Aureobasidium pullulans en CSI Las Vegas

Aureobasidium pullulans

En el episodio "Que el vendedor tenga cuidado" de la serie CSI Las Vegas la presencia del hongo Aureobasidium pullulans en el escenario de un crimen ayuda a Grissom y sus muchachos a resolver el caso.

Al parecer en el año 1984 se describió que este hongo producía una dermatitis en personas de ascendencia escandinava. Desgraciadamente no he podido hacerme con el artículo original. Si he encontrado en cambio este otro en el que relacionan la sensibilidad a A. pullulans con la severidad de los ataques de asma.

Pero Aureobasidium pullulans es conocido sobre todo porque es un hongo de interés biotecnológico. El principal producto es el pululano, un polisacárido que se utiliza en la industria alimentaria y farmacéutica para producir películas protectoras impermeables al oxígeno. Pero también produce una gran diversidad de enzimas degradadoras como amilasas, proteasas y xylanasas.

Niedoszytko, M., Chełmińska, M., Jassem, E., & Czestochowska, E. (2007). Association between sensitization to Aureobasidium pullulans (Pullularia sp) and severity of asthma Annals of Allergy, Asthma & Immunology, 98 (2), 153-156 DOI: 10.1016/S1081-1206(10)60688-6

Chi, Z., Wang, F., Chi, Z., Yue, L., Liu, G., & Zhang, T. (2009). Bioproducts from Aureobasidium pullulans, a biotechnologically important yeast Applied Microbiology and Biotechnology, 82 (5), 793-804 DOI: 10.1007/s00253-009-1882-2

Vídeo animado sobre la mitocondria

Bueno, el simposio de la Fundación Lilly sobre el microbioma humano ha acabado y ahora es tiempo de reposar algo las muchas cosas que nos han contado. Intentaré publicar poco a poco mis resúmenes de las charlas en los próximos días.

Como hoy es domingo os dejo una animación sobre la mitocondria que a mí me ha parecido espectacular.

El microbioma humano. Primera sesión del simposio Lilly

Impresiones a vuelapluma de la primera sesión del simposio de las tres que hemos tenido en el día de hoy.

Rob Knight, de la Universidad de Colorado (ya hemos hablado de él en el blog) nos ha hablado de sus estudios de los cambios del microbioma en el tiempo y en el espacio.

• Secuenciar el genoma es cada vez más barato. Por eso existe la metagenómica.
• Aún no hemos respondido a varias preguntas ¿cómo está distribuido el microbioma en el organismo? ¿cómo cambia en el tiempo? ¿cómo podemos trasladar lo que conocemos en modelos animales a humanos? ...
• Hay una gran variabilidad interindividual entre microbiomas. Lo han visto en la microbiota de la piel pero vale para otras microbiotas.
• Referencia: Forensic identification using skin bacterial communities. PNAS 2010.

Ilustración que muestra la coincidencia entre la microbiota de la piel y los microorganismos aislados del teclado de un ordenador de los distintos usuarios. La utilidad de este estudio es su aplicabilidad en ciencia forense.(Fuente: Fierer et al.)

Stanislav Rusko Ehrlich, del INRA nos ha hablado del proyecto MetaHIT

• Se pretende encontrar las relaciones entre la microbiota y las enfermedades.
• Un objetivo prioritario es encontrar un set de genes de referencia dentro los distintos microbiomas humanos.
• Se ha demostrado que hay asociación entre distintos síndromes y alteraciones en la microbiota. Por ejemplo la obesidad.
• Pero también se han encontrado enormes diferencias entre microbiotas de individuos sanos de diferentes áreas biogeográficas. Ejemplo la microbiota que muestran los franceses es completamente distinta a la de los daneses, tanto que una muestra de un francés parecería un enfermo entre los daneses (y viceversa).
• Más que de "especies" asociadas a un síndrome, hay que hablar de "meta-especies".
Referencia: El proyecto MetaHIT

Soren J. Sorensen de la Universidad de Copenhangen ha disertado sobre el Metamóviloma (Metamobilome). Es decir, del conjunto de genes de la microbiota de un determinado ambiente que pertenecen a elementos genéticos móviles, como pueden ser los plásmidos o los transposones.

• Lo que hace es aislar el DNA total de una muestra ambiental.
• Lo trata con una exonucleasa que degrada todo el DNA lineal, y de esa forma se queda con los plásmidos.
• Luego amplifica utilizando una sonda que reconozca el gen trfA. Este gen está involucrado en la transferencia horizontal y está presente en un gran número de plásmidos.
• De esa forma se han encontrado con dos familias de plásmidos dependiendo de su replicasa.
• Unos que tienen una replicasa que funciona con DNA con un contenido GC menor del 40% y otra que funciona con un %GC del 60%.

El concepto de supergenoma, o reservorio total de genes (pool of genes) disponibles para un organismo procariota en una determinada comunidad. Consiste tanto de los genes esenciales codificados en el cromosoma, llamado el reservorio privado, y los genes codificados en los Elementos Genéticos Móviles (MGE); como los plásmidos, transposones, virus, etc; denominado el resorvorio comunal. (Fuente: Norman et al.)

Y hasta aquí la primera sesión. Mañana intentaré publicar la segunda sesión de este primer día.

Enlaces relacionados: Segunda Sesión del Simposio

Fierer N, Lauber CL, Zhou N, McDonald D, Costello EK, & Knight R (2010). Forensic identification using skin bacterial communities. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107 (14), 6477-81 PMID: 20231444

Norman, A., Hansen, L., & Sorensen, S. (2009). Conjugative plasmids: vessels of the communal gene pool Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 364 (1527), 2275-2289 DOI: 10.1098/rstb.2009.0037

Microbioma: descubriendo el último órgano del cuerpo humano

Ese es el título del 18º Simposio Científico organizado por la Fundación Lilly que comienza hoy y del que espero publicar algunos resúmenes de las charlas en el blog.

Aquí os dejo los links al programa y al programa+resúmenes que aparece en la web del simposio

"Esos pequeños bichitos" en la UMH

El pasado viernes 12 celebramos una jornada de divulgación científica en la UMH con motivo de la celebración de San Alberto Magno. Una de las conferencias fue impartida por Miguel Vicente, profesor de investigación del CSIC que trabaja en el Centro Nacional de Biotecnología y que además es el responsable del blog "Esos pequeños bichitos".

El título de la conferencia era: "INFECCIÓN: microbios, antibióticos y científicos" y durante unos 50 minutos Miguel habló sobre la problemática actual de la investigación en nuevos antimicrobianos para intentar paliar el problema de la aparición de microorganismos resistentes a los antibióticos. De manera muy amena describió los primeros pasos en el descubrimiento de la penicilina, el impacto que tuvo su desarrollo en la mejora de la esperanza de vida de la población, como las bacterias se han adaptado a los antibióticos y desarrollado estrategias para resistirlos, y los esfuerzos por encontrar nuevas dianas susceptibles de ser atacadas por los futuros fármacos.

Lo cierto es que Miguel es un trabajador incansable. No sólo a nivel científico, sino también divulgador. Además del blog que dirige (y que ha sido nominado recientemente en un artículo de la revista Microbe) es el coautor de un libro de reciente aparición dedicado a la divulgación de la Microbiología para el público juvenil o para cualquier persona interesada en la Ciencia. La reseña de "Ni contigo ni sin tí" aparece publicada en un artículo de el diario "El País".

Confío en que dicho libro tenga la difusión que se merece. Al menos desde aquí pongo mi granito de arena.

Péptidos antimicrobianos

Los péptidos antimicrobianos pueden ser una nueva arma contra los patógenos. En las fotografías podemos ver a la bacteria Pseudomonas aeruginosa (A) sin tratar, y tratada (B y C) con diferentes péptidos. origen de la imagen: The Scientist

La revista PLoS Pathogens ha publicado una interesante mini-revisión sobre los péptidos antimicrobianos o AMPs (AntiMicrobial peptides). Este tipo de moléculas es producido por una gran diversidad de organismos tanto procariotas como eucariotas. En el caso de los vertebrados son parte esencial de la respuesta inmune innata. Su actividad antimicrobiana es muy potente y puede neutralizar a una amplia gama de microbios, incluidos virus, bacterias, protozoos y hongos. Lógicamente, en estos tiempos de preocupación por el incremento de las resistencias bacterianas a los antibióticos, los AMPs han despertado el interés de la industria farmacéutica como posibles alternativas terapéuticas frente a las infecciones.

Los AMPs suelen ser moléculas con carga positiva de carácter anfipático y de longitud y composición variable (de 6 a 100 aminoácidos). En la figura 1 se muestran los cuatro grupos en los que se clasifican dependiendo de su estructura secundaria. Se han descrito unos 1600 diferentes, y como suele pasar, los más estudiados son los de origen humano: catelicidinas, defensinas e histatinas.

Figura 1: Los AMPS se agrupan en cuatro clases según la estructura secundaria que presentan: alfa helicoidales, hojas-beta, estructura extendida y bucles. (origen de la imagen: Peters et al.)

A pesar de su diversidad estructural, el mecanismo de acción de los AMPs suele ser a través de la formación de poros destruyendo así la integridad de la membrana citoplasmática. Pero no es el único mecanismo descrito. Otros AMPs actúan bien inhibiendo actividades enzimáticas o bien interrumpiendo procesos vitales como la replicación del DNA o la transcripción (Figura 2).

Figura 2: Diferentes mecanismos de acción de los AMPs. A Ruptura de la integridad de la membrana: (1) los AMPs se insertan al azar en la membrana, (2) e interaccionan entre sí a través de sus secuencias hidrofóbicas lo que causa (3) que una parte de la membrana sea removida y se forme un poro. B Inhibición de la síntesis de DNA.C Bloqueo de la síntesis de RNA. D Inhibición de las enzimas necesarias para la síntesis la estructura de la pared celular. E Inhibición de los ribosomas. F Bloqueo de las chaperonas impidiendo el plegamiento de las proteínas. G Inactivación de la mitocondria. (1) inhibición de la cadena respiratoria, (2) ruptura de la membrana mitocondrial (origen de la imagen: Peters et al.)

La propiedad más interesante de muchos AMPs no es su actividad antimicrobiana, sino su poca toxicidad hacia las células eucariotas animales. La segunda en interés, es que no es fácil que un microorganismo desarrolle una resistencia frente a los AMPs (aunque no es imposible). Además de como antimicrobianos, otra de las posibles aplicaciones de los AMPs sería su utilización en combinación con otras sustancias antimicrobianas buscando efectos sinérgicos. Los AMPs alterarían las membranas del patógeno permitiendo que otras moléculas, como los antibióticos clásicos, penetraran más fácilmente y ejercieran su acción bactericida.

Como era de esperar, la historia de su posible aplicación terapéutica tiene sus "peros". El principal de todos es su coste de producción. No son nada fáciles de producir en el laboratorio. Otro es que los AMPs son bastante susceptibles a la degradación proteolítica. Se ha descrito que hay cepas de la levadura patógena Candida albicans que producen una aspartil-proteasa que degrada a la histatina-5, un AMPs que está presente en la saliva. Confiemos que el creciente interés en estas moléculas por cada vez un mayor número de laboratorios permita desarrollar unas nuevas armas para nuestros arsenales de antimicrobianos.

Peters BM, Shirtliff ME, & Jabra-Rizk MA (2010). Antimicrobial peptides: primeval molecules or future drugs? PLoS pathogens, 6 (10) PMID: 21060861

Semana de la Ciencia: Explorando el MicroMundo

El blog "Curiosidades de la Microbiología" también participa en la Semana de la Ciencia. Un grupo de profesores de Microbiología de la Universidad Miguel Hernández entre los que me incluyo, hemos organizado un pequeño ciclo de conferencias que se celebrarán el próximo viernes 26 de noviembre en el Campus de Elche de la UMH.

Así que si cualquiera de los lectores está por la zona en esa fecha ya sabe dónde puede pasar un buen rato.

Y siguiendo con la divulgación científica. Ayer lunes día 8 comenzó la Segunda Temporada del programa radiofónico "Tú, yo y los microbios". Este curso cambiamos la hora de emisión. Será de lunes a viernes a las 13:00. Desgraciadamente hay un problema con el servidor y aún no he podido colgar los audios en "El podcast del microbio". Paciencia, please.

Hongos, forenses y televisión.

Si hay una serie de TV donde los microbios son la estrella esa es sin duda la franquicia "CSI". En el último episodio emitido de "CSI - Nueva York", titulado "El nido del cuco" nos podemos encontrar con el siguiente diálogo:

Por si a alguien le interesa el resto de la historia, aquí dejo el link a la entrada "Una alternativa fúngica al poliestireno".

Educación para la Microbiología

El pasado 22 de octubre celebramos la II Jornada sobre Innovación Docente dentro de las actividades del Grupo de Docencia y Difusión de la Microbiología de la SEM. Las charlas fueron muy interesantes y sirvieron como una especie de "terapia de grupo". Mucha gente nos comentó que se habían quedado cortas, y tenían razón, pero ya se sabe que lo bueno si breve... Estamos elaborando un documento que recoja los distintos resúmenes de las participaciones y lo publicaremos en la web en breve de forma que esté disponible para otros colegas docentes.

Al hilo de esto ha aparecido un interesantísimo artículo de opinión en el PLoS Pathogens titulado "Social Media and Microbiology Education". El autor del mismo es el profesor Vincent R. Racaniello del Departamento de Microbiología e Inmunología de la Columbia University Medical Center en Nueva York. Creo que cualquiera que se dedique a la divulgación científica en la web debería leerlo porque Vincent nos resume su experiencia de 6 años como blogger y podcaster.

Creo que el mejor resumen que puedo hacer de su artículo es traducir alguna de sus frases.

Mi experiencia con los dos tipos de medios sociales, los blogs y los podcast, me ha convencido que los científicos deben adoptar estas aplicaciones para incrementar la investigación y para mejorar la comunicación de su trabajo al público.

Una gran ventaja del formato blog es que todos los lectores pueden tener una conversación, y aprender de forma gratuita, de un experto en un campo particular.

Las conversaciones son una parte esencial del proceso científico. Todos las tenemos - en el almuerzo, durante los seminarios, en los pasillos. Algunos de ellas son fantásticas, pero pocas personas llegan a escucharlas. Eso es una pena, porque las charlas entre los científicos pueden ser maravillosas oportunidades de aprender. ¿Qué pasaría si pudiesen ser grabadas y distribuidas en Internet? Pues que las llamaríamos un podcast.

Los blogs y los podcasts se distribuyen gratuitamente, pero no son gratis para el que los hace ya que necesitan tiempo para prepararse. Pero el tiempo gastado en educar al público sobre la ciencia es una inversión de valor incalculable.

Enlaces relacionados: El excelente blog BioUnalm se me ha adelantado en publicar el comentario del artículo.

Racaniello VR (2010). Social media and microbiology education. PLoS pathogens, 6 (10) PMID: 20975949

Esto es una vergüenza

Leo con estupor la noticia de que en la Universidad de Zaragoza se ha creado una ¡¡¡Cátedra de Homeopatía!!!

Y este es el texto de la noticia publicado por la propia unviersidad

La Universidad de Zaragoza y Laboratorios Boiron ponen en marcha la Cátedra Boiron de investigación, docencia y divulgación de la homeopatía

Es la primera cátedra universidad-empresa de España relacionada con la homeopatía y uno de sus principales objetivos será la publicación del primer Libro Blanco de la Homeopatía para mejorar el conocimiento de esta materia entre los profesionales sanitarios y la sociedad
La Universidad de Zaragoza mantiene en estos momentos un total de 32 cátedras, incluida esta, con diferentes empresas e instituciones

No sé vosotros, pero yo me he apresurado a firmar el "Manifiesto por una Universidad libre de pseudociencia y oscurantismo".

Arte y Microbios: "La niña enferma" de Edvard Munch

Con La niña enferma abrí caminos nuevos para mi, fue una ruptura en mi obra. La mayor parte de mis trabajos posteriores deben su existencia a este cuadro.

Edvard Munch

Sin duda la obra más conocida de Munch es "El grito", pero como él mismo reconoció, "La niña enferma" fue un punto crucial en su carrera artística. Existen varias versiones del cuadro. Yo he visto la primera de todas, que se encuentra en el Galeria Nacional de Oslo.

Sophie era la hermana favorita de Munch y murió de tuberculosis con 15 años de edad, en 1877. No fue la única vez que dicha enfermedad golpeó a la familia. La madre de Munch murió cuando éste contaba cinco años de edad. Al parecer Munch llegó a pensar que él era la causa de la enfermedad que acabó con su hermana y su madre. Hay que tener en cuenta que Koch describió a Mycobacterium tuberculosis como el patógeno causante de la enfermedad en 1882, y que más de un médico pensaba que la tuberculosis era un trastorno hereditario.

Munch pintó la primera versión del cuadro entre 1885-1886 y cuando la presentó a un concurso de arte la crítica especializada la despedazó sin piedad. Según los estudiosos del arte, es la primera "pintura del alma" de las muchas que realizó Munch y significó su ruptura con el movimiento impresionista.

En la pintura podemos ver a Sophie pálida y consumida por la enfermedad. Una de sus manos, completamente descolorida, descansa en su regazo. Sin embargo su rostro transmite quietud. No así el personaje de su tía Karen, completamente postrada y agarrando con desesperación la otra mano de la chiquilla.

Virología Física

Ese es el título del artículo aparecido en la revista Nature Physics y que daría nombre a la nueva disciplina que se está desarrollando. El objeto de estudio son los virus, pero vistos desde la perspectiva de la Física. En ese sentido, los virus son nanopartículas naturales con llamativas propiedades mecánicas y termodinámicas.

Los profesores W. Roos y G.J.L Wuite de la Fundación para la Investigación Básica de la Materia de la Universidad de Amsterdam, y R. Bruinsma del Departamento de Física de la UCLA, resumen en el artículo las posibles aplicaciones de esta nueva disciplina sobre todo en el campo de la medicina.

Los virus pueden formar espontáneamente una esfera de proteína que envuelve su propio material genético en un entorno completamente abarrotado de otras macromoléculas similares como es el citoplasma de la célula hospedadora. Este proceso ocurre sin una fuente de energía externa, es decir, sigue las leyes de la termodinámica de los procesos reversibles. Pero con una diferencia fundamental: una vez ensamblada la cápside esta no se vuelve a desensamblar. Por ello los virus son un buen modelo para estudiar la formación de nanoestructuras con un gasto de energía mínimo.

Para estudiarlos en el aspecto físico se usa el microscopio de fuerza atómica (MFA). Este tipo de microscopio actúa como si fuera una aguja de un antiguo tocadiscos. Esta técnica no sólo permite "ver" al virus, sino también estudiar las propiedades mecánicas de la partícula. Para ello, la aguja actúa como un martillo que golpea al virus produciendo nanomuescas. Así se ha encontrado que la cápside viral sufre "fatiga de material" al igual que las estructuras macroscópicas. Se han medido las curvas de deformación de diversas cápsides y se ha encontrado que se comportan como módulos elásticos cuya resistencia va desde el polietileno al plexiglas. Algunas cápsides pueden aguantar presiones osmóticas internas superiores a las 10 atmósferas.

Realización de nanomuescas con un Microscopio de Fuerza Atómica. En (a) podemos ver que la punta del MFA no toca el virus y la fuerza ejercida es 0 (b). En el esquema (c) la punta ejerce una fuerza sobre el virus que se registra en la gráfica (d). En la primera parte, la deformación es reversible, pero al traspasar un determinado umbral, la cápside colapsa. (Fuente: Roos et al. 2010).

Uno de los resultados más curiosos ha sido encontrar que hay virus que se "ablandan" durante su proceso de maduración, mientras que otros se "endurecen" y se vuelven más resistentes a la tensión. En el primer caso tenemos a los retrovirus como HIV. En el segundo, a los virus bacteriófagos. Con respecto al HIV, se ha visto que hay una asociación entre la propiedad mecánica de ser más "blandos" y la infectividad. Las partículas virales inmaduras de HIV son más "duras" pero muchísimo menos infectivas.

Imágenes de una partícula vírica antes (a) y después (b) de realizarse una nanomuesca. Los capsómeros (unidades estructurales de la cápside) son perfectamente visibles. En la gráfica (c) se muestra el perfil a lo largo de las flechas blancas. En la imagen (d) y (e) se muestran los capsómeros enumerados. Puede verse que en la muesca se han eliminado los capsómeros marcados en rojo.(Fuente: Roos et al. 2010).

El hecho de que el proceso de ensamblaje y la estabilidad de los viriones puedan ser descrito en base a la mecánica de los cuerpos elásticos macroscópicos permite realizar una serie de predicciones para su posible uso biotecnológico. Una de las principales ideas es el de utilizar los virus como nanocontenedores para el transporte de sustancias específicas a las células. Los virus pueden ser muy específicos en su unión a las células, por lo que de esa forma se podrían dirigir específicamente medicamentos a unas determinadas zonas del cuerpo y no a otras

Esta entrada participa en el XII Carnaval de la Física que esta vez se aloja en Francis_the_mule_news

Además, ha sido traducida y publicada en el blog "Small Things Considered" escrito por Moselio Schaechter y Merry Joule.

Roos, W., Bruinsma, R., & Wuite, G. (2010). Physical virology Nature Physics, 6 (10), 733-743 DOI: 10.1038/nphys1797

Microbios y Cine. Un nuevo canal en youtube.

Reconozco que siento pasión por el 7º Arte, así que he unido mi afición a mi profesión y he creado un canal en youtube llamado "Microbios y Cine". Los dos primeros vídeos están dedicados a la película "La amenaza de Andrómeda", de la que ya hablé en el blog.

Reconozco que mi idea no es totalmente original. Hay una revista muy interesante que ya lleva unos cuantos años tratando el tema de utilizar las películas como una herramienta docente. Os recomiendo que paséis por su página. Se llama Revista de Medicina y Cine.

También reconozco que el contenido de otros blogs me han inspirado a dar el paso, entre ellos el de César Sánchez (Twisted bacteria), el de Sergio L Palacios (Física en la Ciencia Ficción) y el de Alfonso de Terán Riva (Malaciencia)

Iré colgando periódicamente fragmentos de películas en las que los microorganismos jueguen un papel. En dichos vídeos aparecen comentarios explicativos sobre los aspectos microbiológicos, e incluso preguntas y cuestiones para resolver.

Espero que lo disfrutéis.

Bellezas microscópicas

La revista Wired acaba de publicar las 20 mejores microfotografías del año 2010. Aquí os dejo la que más me ha gustado a mí, pero os recomiendo que os paséis a echar un vistazo a las 19 restantes.

En la imagen se muestra una semilla de la planta Strelitzia reginae, o ave del paraíso. Está aumentada 10 veces y realizada sobre campo oscuro. El autor es Viktor Sykora, del Instituro de Patofisiología, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Charles, Praga, República Checa.