Proyecto Microbioma del Planeta

El Proyecto del Microbioma de la Tierra o EMP (por Earth Microbiome Project) nació en Julio de 2010 durante un pequeño congreso (workshop) celebrado en Utah. La idea era como usar la actual tecnología de secuenciación masiva para explorar las comunidades microbianas de la Biosfera. El resumen del workshop fue publicado en la revista Standards in Genomic Science.

El proyecto es similar al Proyecto Microbioma Humano, pero inmensamente más grande y ambicioso pues pretende caracterizar tanto a nivel taxonómico como funcional la biodiversidad microbiana de muestras tomadas a lo largo y ancho del globo. Podría decirse que los microorganismos son la "materia oscura" de la biosfera planetaria pues lo que sabemos sobre ellos es ínfimo. Actualmente hay más células microbianas en la Tierra (estimado en 10³⁰) que estrellas en el universo conocido (estimado en 10²⁴).


Inicialmente se piensa partir del análisis de unas pocas muestras: unas 200.000 más o menos. Se extraerá el DNA para producir un Atlas Global Metagenómico en el que se piensa que se llegará a reconstruir unos 500.000 genomas microbianos y determinar un primer inventario de la diversidad de las familias de proteínas codificadas por dichos genomas. En una segunda fase se piensa alcanzar los 5 millones.

El origen de las muestras será cualquier lugar concebible: aguas, suelos, filtros de piscina, materia fecal, hojas de árboles, salinas, pistas de tenis,... Aunque cómo es lógico el EMP propone una lista de recomendaciones, objetivos preferentes y una estrategia para que la toma, análisis y almacenamiento de muestras por parte de los diferentes grupos participantes sea lo más parecida posible. Estás son:

1.- Definir el espacio de parámetros ambientales o EPS (Environmental Parameter Space). Las comunidades microbianas tienden a mostrar propiedades funcionales y taxonómicas semejantes si son aisladas de medio ambientes similares. Los microorganismos no entienden de fronteras ni límites, así que definir a las comunidades microbianas permitiría definir una lista de biomas globales (un bioma es un lugar geográfico con unas condiciones ambientales únicas).

2.- Definir la estrategia ideal de muestreo gracias a los EPS que permita determinar el la distintas familias de proteínas y explorar las interacciones tróficas entre las distintas comunidades microbianas (ejemplo: quién se come a quién)

3.- Definir la estrategia real de muestreo. Y es que del dicho al hecho...

4.- Definir la estrategia de secuenciación. O cómo lidiar con la secuenciación del DNA presente en las 200.000 muestras

5.- Seleccionar determinados ambientes para realizar una "secuenciación en profundidad". Se pretende seleccionar 100 muestras y realizar sobre ellas una secuenciación en detalle para realizar estudios metagenómicos y metatranscriptómicos.

6.- Análisis informático de los datos.

7.- Análisis final.

En resumen, el Proyecto del Microbioma de la Tierra será un esfuerzo multidisciplinar que involucrará a ecólogos, genetistas, microbiólogos, físicos, geólogos, informáticos, matemáticos, químicos, ... Y se espera que, al igual que el proyecto del genoma humano ha revolucionado la medicina, este proyecto acabe revolucionando nuestro conocimiento de la biosfera.

Esta entrada participa en el I Carnaval de la Biología cuyo anfitrión es el blog Microgaia.

Gilbert JA, Meyer F, Antonopoulos D, Balaji P, Brown CT, Brown CT, Desai N, Eisen JA, Evers D, Field D, Feng W, Huson D, Jansson J, Knight R, Knight J, Kolker E, Konstantindis K, Kostka J, Kyrpides N, Mackelprang R, McHardy A, Quince C, Raes J, Sczyrba A, Shade A, & Stevens R (2010). Meeting report: the terabase metagenomics workshop and the vision of an Earth microbiome project. Standards in genomic sciences, 3 (3), 243-8 PMID: 21304727

Documental: "La guerra de las vacunas"

El pasado sábado emitieron por la 2 un documental titulado "La guerra de las vacunas" sobre el tema de los movimientos antivacunas en los Estados Unidos y en Gran Bretaña. Un tema que recientemente también ha tenido su repercusión en España. En el documental se nos muestra como nacieron dichos movimientos, la historia del fraude realizado por el doctor Wakefield (el Harry Lime del siglo XXI), y otros aspectos de interés. La página oficial de Documentos TV aún no lo ha colgado en la web, pero al menos en youtube se puede encontrar ya, aunque le falte una parte del inicio. Lo incluyo aquí por su interés.

Lo mejor del 2010

Happy Darwin Day. Fuente: Gonzolabs

Hoy es el Día de Darwin y además se está celebrando el I carnaval de la Biología con especial interés en las bacterias, que por algo son los seres vivos más abundantes del planeta. Así que aquí va un resumen del artículo del blog Small things considered escrito por Moselio Schaechter conjuntamente con Mark Martin y en el que han preguntado a diversos microbiólogos cuales han sido los artículos que más les han llamado la atención durante el 2010. Algunos han sido comentados en este blog, y otros lo serán.

Michael Yarmolinsky eligió ATP control of dynamic P1 ParA-DNA interactions: a key role for the nucleoid in plasmid partition escrito por Vecchiarelli, Han,Tan, M Mizuuchi, Ghirlando, Biertümpfel, Funnell, y Mizuuchi. Versa sobre el mecanismo de segregación de los cromosomas en el proceso de reproducción bacteriana.

Charles Yanofsky se inclina por los artículos aparecidos en la revista Microbe sobre Darwin, la evolución y la microbiología. El primero está escrito por Roberto Kolter y Stanley Maloy. El segundo por Richard Lenski describiendo su famoso experimento que ya lleva 50.000 generaciones.

David Lipson vota por el artículo de la "arsénico-bacteria" sobre todo por el revuelo que causó, más que por su calidad científica.

Forest Rohwer opina que el mejor es el artículo escrito por su grupo: Viral and microbial community dynamics in four aquatic environments, a pesar de que nadie lo entiende :)


Nanne Nanninga se decanta por dos trabajos. Uno es el de Venter y su grupo al conseguir construir una bacteria con un genoma sintetizado artificialmente. El otro es el titulado Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion y que trata sobre la aparición de numerosos genes precediendo a la acumulación de oxígeno en la Tierra.

Michel Malamy da su voto al artículo Robust Growth of E.coli. en el que los autores han diseñado un dispositivo que permite estudiar la reproducción de varias células de E. coli de manera individual y durante largos periodos de tiempo.

Conrad Woldringh también se decanta por el proceso de reparto de los cromosomas. Entropy as the driver of chromosome segregation es el interesante título del artículo seleccionado.

Margaret McFall-Ngai escoge el artículo sobre las "Celestinas Microbianas" como lo más curioso del 2010.

Lisa Gorski prefiere el artículo sobre la microbiología de las pinturas rupestres y su importancia para la conservación del patrimonio cultural de la humanidad. Este tema lo usé hace tiempo para un problema de microbiología.

Yuri Gorbi ha seleccionado dos artículos sobre la comunicación entre comunidades microbianas al estilo "Avatar". Uno de ellos fue comentado en el blog y el otro ha sido publicado recientemente en Science.

Mark Martin lleva su elección a un artículo que describe como Salmonella es capaz de aprovechar el funcionamiento de nuestro sistema inmune para progresar en su infección y que fue comentado en "El podcast del Microbio". Su segunda elección es para el artículo que habla de la caracterización de la microbiota de la piel como una nueva herramienta forense y del que también hemos hablado.

Finalmente, Merry Youle seleccionó también dos artículos. Uno escrito por T Kenzaka, K Tani, y M Nasu titulado: High-frequency phage-mediated gene transfer in freshwater environments determined at single-cell level y que inspiró su entrada Promiscuous Bacteria and Playboy Viruses. El otro fue Decision Making at a Subcellular Level Determines the Outcome of Bacteriophage Infection y que disecciona el proceso denominado "decisión lisis-lisogenia" en el fago λ.

Esta entrada participa en el I Carnaval de la Biología cuyo anfitrión es el blog Microgaia.

Creciendo a los a Google-microbios

Hay ocasiones en que las entradas del blog te las dan hechas. Y esta es una de ellas:

Cómo se hizo: Se utilizó la cepa BL21 lysS de Escherichia coli, una cepa inocua para los seres humanos pero muy usada en investigación. Se dispusieron cuatro tubos conteniendo medio de cultivo para la bacteria. Después añadieron colorante a cada uno de los tubos. La bacteria creció en dichos medios coloreados. Después, utilizando una punta estéril dispusieron las bacterias en una placa Petri formando las letras del logotipo de Google. Tras una incubación overnight el colorante permaneció con las bacterias y formaron el logotipo. Salió bien a la primera.

Microbiology triumphs again!

La invención del microscopio

La primera referencia histórica del microscopio compuesto aparece en una carta de 1595 escrita por William Borel, enviado holandés a la corte de Francia. En dicha carta, Borel acredita a los fabricantes de lentes Hans Jansen y su hijo Zacarías, como inventores de un instrumento que consistía en dos lentes combinadas en un tubo en el que la magnificación variaba mediante la alteración de la distancia entre ellas. Se conseguían unos 9 aumentos. Sin embargo el instrumento como tal no tenía nombre propio y no se conoce ninguna publicación de observaciones científicas realizadas con dicho artilugio.

El nombre "microscopio" se lo debemos a Giovanni Faber, que a pesar de su nombre era alemán. Era un botánico y miembro de la Accademia dei Lincei. En 1609 Galileo desarrolló un microscopio compuesto al que denominó ochiollino que quiere decir "pequeño ojo". Sin embargo el invento no fue presentado en sociedad hasta 1624 pues se requirieron muchas mejoras para obtener una imagen clara de lo que se observaba. Los aumentos conseguidos fueron unos 30. Un año después, Faber utilizó por primera vez el nombre de "microscopio" para referirse al instrumento de Galileo, como una forma de complementar el recién acuñado término: "telescopio".

El primer trabajo científico de microscopia es el trabajo de Giambattista Odierna titulado "L'occhio della mosca" y publicado en 1644. Sin embargo el más famoso de esa época es la obra Micrographia escrito en 1655 por Robert Hooke. El microscopio de Hooke puede ser considerado como el primer microscopio moderno con su soporte, tornillo de enfoque, una fuente de luz y tres lentes ópticas. La descripción ilustrada del aparato aparecía en el prefacio del libro.

Link relacionado: El primer audio de "El podcast del microbio" está dedicado a Antonie van Leeuwenhoek

Esta entrada participa en el XVI carnaval de la Física, cuyo blog anfitrión es tecnoloxia.org.

Christina Karlsson Rosenthal (2009). The beginning Nature Millestone : 10.1038/ncb1938

Cogito, ergo habeo bacterium

Un grupo del Karolinska Institute en colaboración con el Instituto Genómico de Singapur acaba de publicar un artículo en la revista PNAS en el que describen como las bacterias intestinales pueden modular el desarrollo del cerebro de los vertebrados.

En el estudio se ha comparado el comportamiento de ratones con microbiota normal frente a ratones "libres de gérmenes" o ratones GF (por germ free). Han medido la actividad motora y la ansiedad en situaciones de estrés. Y lo que han encontrado es que los ratones GF son mucho más activos y tienen menos ansiedad que los que portan una microbiota normal.

¿En qué se traduce eso? Pues en que los ratones GF se "arriesgan" mucho más en una situación estresante. La manera experimental de comprobar eso es bastante curiosa. Pones a los ratones en una jaula en la que una mitad es negra y la otra es blanca. Un ratón normal se queda acurrucado más tiempo en la zona oscura, mientras que el ratón GF se comienza a mover enseguida y comienza a explorar la zona blanca.

El panel de la izquierda compara los resultados de un "test de campo abierto". Básicamente se suelta un ratón en una caja grande y se observa que hace a lo largo del tiempo. Como puede verse los movimientos de un ratón normal (SPF) son mucho menos numerosos que los de un ratón GF. A la derecha se muestra un autorradiograma de la expresión en cerebro del mRNA de la proteína NGFI-A en ratones normales (SPF) y ratones GF. La proteína NGFI-A es un factor de crecimiento nervioso. Fuente: Heijt et al. PNAS.

Ese fenotipo está asociado con la alteración en la expresión de genes que están implicados en las rutas de neurotransmisores. Al parecer los ratones GF presentaban una degradación mayor de la noradrenalina, dopamina y la serotonina, mensajeros que están implicados en el comportamiento de ansiedad. Pero también presentaban activaciones sinápticas distintas en determinadas zonas del cerebro, sobre todo en el cuerpo estriado.

Localización del cuerpo estriado (en verde). Fuente: wikipedia

Lo siguiente que hicieron fue tomar a un grupo de ratones GF con pocos días de vida y colonizarlos con microbiota de ratones normales. Al hacer esto comprobaron que los ratones "colonizados" presentaban un comportamiento similar a los ratones normales. Ese resultado indica que es la colonización microbiana la que manda algún tipo de señal que afecta a los circuitos neuronales, al menos a los involucrados en la actividad motora y en el comportamiento de ansiedad. Según el Dr. Rochellys Diaz Heijtz, ese dato sugiere que hay un período crítico en el desarrollo infantil en el que los microorganismos intestinales afectan al cerebro y cambian el comportamiento en la edad adulta.

Heijtz RD, Wang S, Anuar F, Qian Y, Björkholm B, Samuelsson A, Hibberd ML, Forssberg H, & Pettersson S (2011). Normal gut microbiota modulates brain development and behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America PMID: 21282636

Ciclo "Cine y Salud"

La Delegación de Estudiantes de Medicina y la Facultad de Medicina de la UMH han organizado el ciclo "Cine y Salud". Se van a proyectar varias películas que abordan diversos aspectos sanitarios.

Todas las proyecciones tendrán lugar en el Salón de Grados de la Facultad de Medicina situada en el Campus de Elche y se acompañaran de un coloquio con especialistas del área. Las sesiones comenzarán a las 17:30.

Es una actividad que da 1'5 créditos de libre configuración, pero para ello hay que asistir a cuatro sesiones e inscribirse. Para ello hay que enviar un correo antes del 21 de febrero a la siguiente dirección: francisco.megias@alu.umh.es. Hay 160 plazas que se irán ocupando por estricto orden de llegada de los e-mails.

Las sesiones son:

23 de febrero: "La amenaza de Andrómeda"


1 de marzo: "El secreto de Vera Drake"


11 de abril: "Las alas de la vida"


20 de abril: "Los chicos no lloran"


2 de mayo: "Mi nombre es Joe"



9 de mayor: "MASH"

XV Carnaval de la Física. Blogs participantes

Bacteriofotografía de Albert Einstein (origen de la imagen)

Bueno, aquí está el resumen de las diferentes entradas que han participado en el XV Carnaval de la Física. Como indiqué al anunciar el carnaval, durante el 2011 se celebra el Año Internacional de la Química. Por otro lado, mi blog ha tenido el honor de ser el anfitrión, así que he hecho una pequeña clasificación de las entradas en base al tema tratado. En cada subapartado las entradas aparecen ordenadas por orden de llegada a mi correo, y después por su publicación en el "ring" del carnaval.


Entradas Bio-físico-químico-matemáticas

Cesar Tome en su blog "Experientia Docet" dedica una de sus dos entradas a explicarnos la reacción de Belousov–Zhabotinsky. Se titula "BZ: un oscilador espaciotemporal químico" y en ella nos relata las vicisitudes de sus dos descubridores, el sistema matemático que la describe y sus aplicaciones en diversos campos científicos.


Entradas Bio-Fisico-Químicas

Francis (th)E mule Science's News nos describe en su artículo "Cómo producen electricidad las bacterias oceánicas Shewanella los interesantes experimentos realizados para intentar discernir entre los dos mecanismos propuestos para explicar la forma de como las bacterias del género Shewanella se deshacen de los electrones producidos en sus reacciones catabólicas.

Luis Luna en su blog "Filosofando sobre todo un poco" nos hace un resumen en su comentario "Dorando células cancerosas" de un trabajo de un grupo de investigación de México que versa sobre la producción de nanopartículas de oro mediante el método de coloides monodispersos a partir de AuHCl₄, su conjugación a biomoléculas y su utilización en el marcaje de células tumorales.


Entradas Bio-Físicas

Carlo nos deja en su blog "Gravedad cero" un interesante artículo titulado "La microbiología (y la física) de los alimentos" sobre los métodos de control del crecimiento bacteriano basados en la aplicación a los alimentos de la tecnología de alta presión hidrostática en frío.


Entradas Fisico-Químicas

En el blog Noticias del Cosmos, Gerardo nos ilustra sobre la creación de los elementos y la tabla periódica de la astronomía con el artículo: "El cosmos químico".

La segunda entrada en el blog de César Tomé es sobre la noticia de que "Los coches arrancan por la relatividad de Einstein".

Alfoso Cuervo de "Cienciamia recibe el galardón "más vale tarde que nunca" porque fue el último en enviar su participación: "Física y Química unidos por las partículas en la XV edición del Carnaval de la Física".


Entradas Físicas:

El galardón "Primero en participar" se lo lleva el blog Vega 0.0, en el que Fran nos ha dejado el artículo: "Las capas del Sol" en el que se nos describen las diferentes capas del astro rey.

El blog El neutrino escrito por Germán, se lleva el premio al más productivo. Hay tres contribuciones publicadas. La primera nos comenta los primeros pasos experimentales del"descubrimiento de la velocidad de la luz". La dos siguiente se titulan "El problema del café con leche" y "Más problemas con el café con leche" nos resuelve uno de esos enigmas inescrutables que nos planteamos los mortales a las 7 de la mañana de un lunes de invierno.

Tito Eliatron Dixit nos ilustra con una frase de Maimónides sobre la perfección humana.

Verónica Casanova describe en su blog "Astrofísica y Física" un reciente trabajo de un grupo japones en el comentario "Las órbitas planetarias muy inclinadas pueden ser muy comunes en el Universo". Dicho grupo ha estudiado los exoplanetas HAT-P-11 b y XO-4b.

El blog "Scientia potentia est" escrito por Xhaju nos hace una "Introducción al cálculo variacional en la física" y de manera muy didáctica nos explica porque aquello que un fenómeno natural que nos puede parecer complejo en realidad puede ser algo muy simple.


Y para terminar, la entrada del anfitrión: "Lotka y Volterra" nos habla de la historia de cómo se llegó a formular el sistema de ecuaciones que lleva el nombre de esos dos científicos en una historia en la que se mezcla la Biología, la Química, la Física y la Matemática.


Pues ya está. Muchas gracias por vuestra participación y nos vemos en el XVI Carnaval.

Los gusanos también tienen virus

Cuando toca explicar la importancia de los virus en los ecosistemas se suele asumir que cada ser vivo, sea pluricelular o unicelular, es susceptible de ser infectado por al menos un virus.

No parece una asunción descabellada, pero por ahora no está comprobada experimentalmente. Lo cierto es que hay algunos seres vivos para los que no se había descrito ningún tipo de infección vírica, entre ellos los nematodos, grupo al que pertenece el organismo modelo Caenorhabditis elegans del que ya hemos hablado en alguna ocasión.

Pues bien, oficialmente ya se han descrito un par de virus que infectan a ese grupo de gusano nematodo. En un artículo del PLoS Biology se describe como se han llegado a aislar y caracterizar a estos microorganismos. Y la forma de hacerlo ha sido a la manera de la vieja escuela. Brévemente: se coge un puñado de gusanos infectados, se machacan y el extracto se pasa por un filtro de 0,2 micras. Luego se ponen gusanos sin infectar en contacto con el filtrado y se observa si estos sufren alguna patología. Marianne Felix, la primera autora, decidió probar esta técnica al comprobar que los gusanos con los que trabajaba estaban enfermos y no se curaban con antibióticos.

Células intestinales de C. briggsae infectadas vistas con microscopía de Nomarski. En B se señala a una célula con morfología normal. (fuente : Felix et al. PLoS Biology

Los nuevos virus producen alteraciones en las células intestinales. Son un nuevo taxón de virus ssRNA relacionados con el grupo de los nodavirus. Uno infecta específicamente a C. elegans y se le ha bautizado como virus Orsay, el otro infecta a C. briggsae y se le ha llamado virus Santeuil. Los investigadores han encontrado que una forma del nematodo para defenderse del ataque del virus es utilizar RNAs de interferencia (RNAi).

Microfotografía electrónica de células intestinales de C. elegans sin infectar (G) e infectadas (H). La abreviatura IF hace referencia a los filamentos intermedios del citoesqueleto que se encuentran desorganizados en las células infectadas. En la zona ampliada de H pueden verse partículas virales. (fuente : Felix et al. PLoS Biology

La importancia de este descubrimiento es bastante grande. C. elegans es uno de los principales organismos modelo de los animales. Se conoce su desarrollo célula a célula, así que se puede ver que ocurre con las infecciones cuando se altera una determinada pauta de desarrollo. También se puede utilizar para estudiar modelos co-evolutivos entre patógeno-hospedador y por suspuesto modelos del sistema inmune innato para resistencia a la infección vírica.

Esta entrada ha sido publicada también en el blog "Small Things Considered"

Marie-Anne Félix1#*, Alyson Ashe2#, Joséphine Piffaretti1#, Guang Wu3, Isabelle Nuez, Tony Bélicard, Yanfang Jiang, Guoyan Zhao, Carl J. Franz, Leonard D. Goldstein, Mabel Sanroman, Eric A. Miska, & David Wang (2011). Natural and Experimental Infection of Caenorhabditis Nematodes by Novel Viruses Related to Nodaviruses PLoS Biology : 10.1371/journal.pbio.1000586

Bad Project

En estos días todos andamos un poco de cabeza. Los alumnos están de exámenes y los profesores estamos pidiendo fondos para los proyectos de investigación. Pero claro, lees las declaraciones de la ministra del ramo sobre "máximos históricos de financiación" y te dan ganas de llorar. Así que aquí dejo este par de vídeos para alegrarnos un poco el día. Están subtitulados en inglés, por lo que se entienden bastante bien.

Personalmente creo que los chicos de "Tesis, el musical" lo hicieron mucho mejor, pero hay que reconocer que estos vídeos también tienen sus puntillos.

El microbio es la estrella

En este mes se cumple el tercer aniversario del blog, y por una vez voy a ser el protagonista.

El último número de "Actualidad SEM", Boletín Informativo de la Sociedad Española de Microbiología, está dedicado a los distintos grupos españoles que trabajan en microbiología del agua. Pero han encontrado un hueco para publicar un artículo mío sobre la relación entre el Cine y la Microbiología titulado: El microbio es la estrella: una guía de películas para el microbiólogo. Espero que os guste.

Lotka y Volterra

Lotka y Volterra (fuente de las imágenes: Univ. Princenton y Univ. Roma)

Cuando estudiaba en la carrera la asignatura de "Biofísica" y nos hablaron de los modelos matemáticos aplicados a los sistemas biológicos, nos contaron la siguiente historia.

Un corredor de apuestas de carreras de caballos tenía un amigo que era profesor de Física. Un día, tras perder una apuesta bastante cuantiosa expresó sus deseos de que hubiera alguna forma de predecir los resultados.
Su amigo le dijo:
-Bueno, quizás pueda ayudarte. En principio no parece un problema muy complicado. Tan sólo es una masa en movimiento sobre un plano, al que le afectan fuerzas como la gravedad, la inercia, la fuerza del caballo, la velocidad del viento, ... Creo que se podría desarrollar un modelo para predecir el resultado.
El corredor le miró esperanzado
-¿De verdad podrías hacer un modelo que hiciera eso? Estaría dispuesto a darte la mitad de mi dinero para financiar tu proyecto
El físico le dijo que sí, que sin ninguna duda. Así que el corredor le dio el dinero y el físico se puso a ello. Al cabo de un par de meses tenía hecho su modelo. El corredor apostó todo lo que le quedaba al caballo que según el modelo iba a ganar. Dio comienzo la carrera y el caballo seleccionado llegó el último.
El físico no podía entender que había pasado. Como es lógico, el corredor empezó a abroncar a su amigo y a responsabilizarle de la pérdida de su dinero. Así que le echó un vistazo al documento donde el físico había escrito su modelo. En la primera línea podía leerse:
-Considérese un caballo perfectamente esférico...

Fuente de la imagen

Y es que los modelos los carga el diablo. Son imprescindibles para una disciplina científica, pero siempre puedes encontrarte con que la Naturaleza hace otra cosa. Por lo que uno debe de volver a la mesa con lápiz y calculadora y comprobar donde ha metido la pata.

En 1925 se publicó Elements of Physical Biology, considerado como el primer libro de Biomatemática (de hecho las ediciones posteriores se titulan: Elements of Mathematical Biology). Su autor era el norteamericano Alfred J. Lotka. En dicho libro se proponía que la Selección Natural podía ser cuantificada como una ley física. Los seres vivos luchaban por el uso de la energía disponible. Los organismos que sobrevivían eran aquellos que capturaban y usaban la energía de una forma mucho más eficiente que sus competidores. Su trabajo inspiró posteriormente a una generación de ecólogos entre los que se contaba Howard T. Odum, que propondría la llamada Teoría de la Máxima Energía, que en algunos ambientes es conocida, de manera algo exagerada, como "La cuarta ley de la termodinámica".

En dicho libro, Lotka ampliaba los usos de un modelo matemático que había utilizado en 1910 para explicar el comportamiento de las reacciones químicas autocatalíticas. Se trataba de la llamada "ecuación logística". Para su trabajo se había inspirado en los trabajos de Malthus, transformados en ecuación por Pierre F. Verhulst, y que explicaba el crecimiento de una población de seres vivos.

dN/dt es la variación de una población en el tiempo.
r es la velocidad de crecimiento
K es la capacidad de carga del medio ambiente. El número máximo de organismos que pueden habitar un ecosistema para entendernos. Si la representamos nos sale algo así:

fuente: World of fungi

Esa ecuación funciona perfectamente si hay un sólo tipo de ser vivo. De hecho es la ecuación que explica el crecimiento de una bacteria en un matraz conteniendo un medio de cultivo. Pero ¿Qué ocurría si había dos tipos de seres vivos y uno se comía al otro?. Es decir, ¿qué pasa si hay depredadores y presas?

Lotka tuvo una idea brillante para resolver la cuestión. Aplicar la ley química de la acción de masas. Curiosamente esa misma idea la tuvo simultáneamente un catedrático de Física Matemática italiano llamado Vito Volterra. Éste llegó a la misma solución de Lotke pero comenzando el camino en un sitio distinto. En su caso hubo una intervención de la famiglia.

Umberto d’Ancona era el cuñado de Vito Volterra y trabajaba en la sección de pesca del Ministerio de Agricultura. Había observado un fenómeno curioso. Durante la Primera Guerra Mundial muchos pescadores fueron llamados a filas por lo que descendió el número de capturas. Al terminar la contienda se volvió a retomar la actividad pesquera. Se esperaba que durante los años del conflicto las poblaciones de caballas y atunes del Adriático se habrían incrementado. Pero sucedió todo lo contrario, habían disminuido. No solo eso. Las poblaciones de los depredadores (rayas y tiburones) si que habían aumentado. ¿Cómo explicarlo?

Como he indicado antes, ambos se basaron en lo que ocurre en una reacción química para desarrollar su modelo. En una reacción química tenemos moléculas de dos sustancias, A y B, que cuando chocan la una con la otra reaccionan para dar una tercera, C. Según transcurre la reacción, A y B desaparecen y se acumula C.

Pero en el caso de las atunes y tiburones sucedía esto:

Atún + Tiburón -> Tiburón gordo

Con un añadido:

Atún + Atún -> Atuncitos
Tiburón + Tiburón -> Tiburoncitos.

Es decir, los sustratos (el tiburón y el atún) se reproducen. Ambos consideraron que las poblaciones de las presas y los depredadores eran conjuntos que variaban en el tiempo por si mismos (reproducción) y por la interacción con el otro conjunto (depredación). Está claro que la población de presas va a depender del número de depredadores presentes y viceversa, así que el sistema se define con estas dos ecuaciones:

Y que quieren decir esas expresiones. Vayamos por partes de diría Jack el destripador.

dx/dt y dy/dt son la evolución de las presa (x) y la del depredador (y) en el tiempo. Si el valor crece es que la población aumenta, si decrece es que la población disminuye. Si es 0 es que la población se ha extinguido.

xy. Este término está inspirado en la teoría cinética de gases. En una reacción química que sucede entre una molécula A y otra molécula B, este factor define la probabilidad de que ambas moléculas choquen. Aquí representa la probabilidad de que una presa se encuentre con un depredador. Como es lógico, es proporcional al tamaño de las poblaciones. Si hay muchos depredadores y muchas presas la probabilidad será alta. Si hay poco de ambas la probabilidad será baja. Si hay mucho de uno y poco de otra, pues será un valor medio.

a: Coeficiente de desarrollo de las presas. Es decir (atun + atún= atuncitos)

b: Coeficiente que define la probabilidad de que una presa sea comida por un depredador

g: Coeficiente de Decaimiento de los depredadores. Si no hay presas que comer, el depredador se muere.

d: Coeficiente que define la probabilidad reproducción del depredador tras comerse a una presa.

Al integrar y resolver numéricamente el sistema se obtiene un comportamiento que probablemente no le resulte extraño a los físicos, pero que sorprendió a los biólogos por completo:

Las oscilaciones de las poblaciones de la presa y el depredador era una propiedad intrínseca del propio sistema y era independiente de las condiciones externas. Las soluciones al sistema se encuentran en un equilibrio dinámico. Si se representa en el plano de fase, el sistema está en un ciclo límite y se encuentra en algún lugar en el interior de estas soluciones elípticas.

Representación en el plano fase de las ecuaciones de Lotka-Volterra

El modelo de Lotka-Volterra fue confirmado experimentalmente por el científico ruso Gregory Gause utilizando los protozoos Didinium nasutum como predator y Paramedum caudatum como la presa. D. nasutum es el protozoo del dibujo, pero es un depredador implacable (fuente: Ggause.com y Microbewiki)

Las ecuaciones de Lotka-Volterra supusieron un gran avance en la Biología. Porque demuestra dos cosas. En primer lugar, un modelo tan sencillo era un sistema no lineal que no tenía una solución sencilla, y que manifestaba una serie de pautas internas propias.

En segundo lugar, la relación b/d nos da una idea de la eficacia de la depredación. Es un factor que define la "carrera de armamentos" biológica. A mayor b, la presa se escabulle del depredador. A mayor d, el depredador es más eficiente en la captura.

¿Y dónde está el "caballo esférico"? El modelo de Lotka-Volterra está muy simplificado. Funciona muy bien en el laboratorio o en condiciones muy simples, y eso es algo que no es frecuente en la Naturaleza. En primer lugar, los seres vivos no se comportan como los gases. Es decir, no ocupan homogéneamente un ecosistema ni se mueven aleatoriamente por el espacio. En segundo lugar, el modelo considera que la especie depredadora depende exclusivamente de la presa, lo cual no es cierto en el mundo real. En tercer lugar, asume que no hay cambio evolutivo. Y por último, se olvida por completo de la influencia de los factores ambientales. Como es lógico el modelo se ha ido refinando y se han añadido diferentes factores correctores (el propio Volterra añadió uno representando la pesca humana). Pero Lotka y Volterra fueron los pioneros en abrir camino en el mundo de la Biomatemática.

Esta entrada participa en el XV carnaval de la Física.
Esta entrada participa en el X carnaval de Matemáticas organizado por Francis (th)E mule Science's News.
Esta entrada es la segunda participación en el I Carnaval de la Química

Alan A. Berryman (1992). The origins and evolution of predator-prey theory Ecology, 73 (5), 1530-1535

Link al artículo de Berryman

Resistencia NDM-1. La historia de un nombre.

Reacción catalizada por las beta-lactamasas: la destrucción del anillo carbapenem supone la inactivación de la molécula de antibiótico (fuente: wikipedia)

De un tiempo a esta parte están apareciendo noticias sobre la aparición de una nueva resistencia a antibióticos. Dicha resistencia ha sido denominada NDM-1. El nombre proviene de las siglas de "Nueva Delhi Metalobetalactamasa-1". Empezando por el final, metalobetalactamasa identifica al tipo de enzima responsable de la resistencia. En este caso es una enzima que destruye a los antibióticos beta-lactámicos, más conocidos por el gran público como "penicilinas". Lo de "metalo" indica que esta enzima posee átomos de un metal en su centro activo, probablemente un par de 2 átomos de Zinc. La NDM-1 es una betalactamasa muy eficaz para nuestra desgracia. Acaba prácticamente con cualquier antibiótico betalactámico salvo el aztreonam.

Estructura del aztreonam, un antibiótico betalactámico monocíclico que no es destruido por la betalactamasa NDM-1 (fuente: Wikipedia)

Y ¿de dónde viene lo de "Nueva Delhi"? Es costumbre que cuando se aísla a una nueva cepa patógena se la bautice con el nombre de la localidad geográfica donde se encontró. Así por ejemplo existe una cepa Madrid para una Rickettsia prowazekiique produce el tifus y que fue aislada en los años de la posguerra. Aunque también puede utilizarse el nombre de la localidad donde la cepa es almacenada y estudiada. Entre los microbiólogos es una especie de "honor" hacia el microorganismo en estudio. Sin ir más lejos, en el caso de la nomenclatura de cepas de la levadura patógena del género Criptoccocus que estudiamos en mi universidad, las siglas CCA significan Colección Cryptococcus Alicante. Con NDM-1 sucedió una cosa curiosa. El artículo publicado en diciembre de 2009 que describe el primer caso clínico es de un grupo sueco. Entonces ¿por qué se llamó Nueva Delhi? La historia es como sigue.

Colonias de Klebsiella pneumoniae

Un ciudadano sueco de origen indio viajó a Nueva Delhi. Allí contrajo una infección urinaria por Klebsiella pneumoniae. El paciente fue tratado en un hospital de dicha ciudad con antibióticos como la amoxicilina, pero no mejoró. Así que se fue para Suecia, y los médicos de allí aislaron la bacteria y comprobaron que era resistente a varios antibióticos. Al analizar sus genes de resistencia se encontraron con que uno de ellos no había sido descrito anteriormente. Por ello le bautizaron con el nombre de la ciudad en el que el paciente había adquirido la infección.

Si NDM-1 hubiera sido una resistencia con un potencial de diseminación bajo, o no hubiera sido tan eficaz en su actividad de destruir antibióticos del tipo de las penicilinas, es probable que no se habría montado ningún revuelo. Pero NDM-1 se transfiere muy fácilmente a otras bacterias y es muy eficiente en su actividad. Desde entonces han ido apareciendo en la literatura científica más y más casos de infecciones producidas por bacterias que portan dicha resistencia. Así que no es de extrañar que el nombre Nueva Delhi Metalobectalactamasa-1 no le haya hecho ni pizca de gracia a las autoridades de la India. No en vano, a nadie le gusta que asocien el nombre de una enfermedad a su ciudad o país.

Mapa que muestra la distribución de las estirpes de enterobacterias que se han aislado conteniendo la resistencia NDM-1 en Bangladesh, India, Pakistan, y el Reino Unido. (fuente: Lancet Infect Dis)

Diez meses después de la publicación del primer caso, en agosto de 2010, se comunicó la primera muerte de un paciente debido a una infección con una bacteria portadora de dicha resistencia. Ese mismo mes, la revista médica "The Lancet" publicó el artículo titulado: Emergencia de un nuevo mecanismo de resistencia a antibióticos en la India, Pakistan y Reino Unido: un estudio molecular, biológico y epidemiológico.

El artículo causó bastante revuelo ya que se aconsejaba cierta precaución si alguien debía de someterse a cirugía en hospitales de la India. El ministro de sanidad de dicho calificó de "injusta·" la denominación NDM-1 exigiendo que fuera retirada y declaró que los hospitales indios eran perfectamente seguros. Incluso hubo diversos políticos que acusaron a la revista "The Lancet" de realizar propaganda maliciosa por parte de las multinacionales occidentales para asustar a los turistas. Las protestas y presión política ha sido tal que el pasado 12 de enero, Richard Horton editor de la revista "The Lancet", tuvo que pedir disculpas.

Sin embargo las pruebas científicas de que NDM-1 se originó en la India son cada vez más abrumadoras. En marzo, previamente a la publicación del polémico artículo, la asociación de médicos de la India ya había avisado de que el mal uso de los antibióticos por parte de numerosos doctores explicaba el origen de dicha resistencia. Ahora se ha publicado un artículo en la revista Antimicrobial Agents and Chemotherapy que indica que la resistencia NDM-1 está presente en la India al menos desde el año 2006. Es decir, tres años antes de ser descrita por el grupo sueco.

Este último estudio es fruto de un esfuerzo de varios laboratorios de Estados Unidos, Australia y la India. Y lo que han hecho es recoger muestras de antiguas infecciones de este último país que estaban depositadas en los archivos y colecciones de los hospitales. Entre las 1443 muestras analizadas han encontrado 15 en las que se encontraba la resistencia NDM-1. Y unas cuantas de ellas son de Nueva Delhi.

Pero este estudio levanta una pregunta más interesante. Si la resistencia estaba presente en el año 2006 ¿por qué las autoridades sanitarias de la India no dijeron ni hicieron nada? Si se hubiera identificado a NDM-1 antes, es muy probable que se pudiera haber evitado en parte su rápida diseminación a otros países. Pero ya sabemos que los políticos son especialistas en echar la culpa a otros.

Otros enlaces relacionados: Esos pequeños bichitos

Esta entrada participa en el I Carnaval de la Química

Yong D, Toleman MA, Giske CG, Cho HS, Sundman K, Lee K, & Walsh TR (2009). Characterization of a new metallo-beta-lactamase gene, bla(NDM-1), and a novel erythromycin esterase gene carried on a unique genetic structure in Klebsiella pneumoniae sequence type 14 from India. Antimicrobial agents and chemotherapy, 53 (12), 5046-54 PMID: 19770275

Kumarasamy KK, Toleman MA, Walsh TR, Bagaria J, Butt F, Balakrishnan R, Chaudhary U, Doumith M, Giske CG, Irfan S, Krishnan P, Kumar AV, Maharjan S, Mushtaq S, Noorie T, Paterson DL, Pearson A, Perry C, Pike R, Rao B, Ray U, Sarma JB, Sharma M, Sheridan E, Thirunarayan MA, Turton J, Upadhyay S, Warner M, Welfare W, Livermore DM, & Woodford N (2010). Emergence of a new antibiotic resistance mechanism in India, Pakistan, and the UK: a molecular, biological, and epidemiological study. The Lancet infectious diseases, 10 (9), 597-602 PMID: 20705517

Castanheira M, Deshpande LM, Mathai D, Bell JM, Jones RN, & Mendes RE (2010). Early Dissemination of NDM-1- and OXA-181-producing Enterobacteriaceae in Indian Hospitals: Report from the SENTRY Antimicrobial Surveillance Program (2006-2007). Antimicrobial agents and chemotherapy PMID: 21189345