Sepias espaciales

A cualquiera que le guste la saga de "La Guerra de las Galaxias" recordará una escena de "El Retorno del Jedi" en la que el almirante al mando de la flota estelar de los rebeldes era una especie de calamar. Bueno, pues ahora la NASA ha mandado a unas cuantas de sus parientes al espacio en el último vuelo de la lanzadera Endeavour, y su misión también será importante. Nada menos que determinar si la falta de gravedad puede afectar al comportamiento de las bacterias simbiontes.

Euprymna scolopes al microscopio electrónico de barrido en falso color(Fuente: New Scientist)

Euprymna scolopes, es una sepia de unos 3 cm de tamaño que vive en las aguas de Hawai. En el mundo de la microbiología es conocida porque suele establecer una simbiosis con la bacteria Vibrio fischeri. La sepia posee en su parte ventral una bolsa que está repleta de dichas bacterias. ¿Y para qué le sirve tenerlas ahí? Pues para generar luz.

Vibrio fischeri al microscopio electrónico, al microscopio de fluorescencia y cultivado en una placa petri (Fuente de las imágenes: PNAS, Microbewiki y Journal of Bacteriology)

Vibrio fischeri es una bacteria bioluminiscente. En su genoma se encuentran unos genes llamados lux que codifican, entre otras cosas, a la enzima luciferasa. Esta enzima es capaz de generar luz mediante una reacción bioquímica. Pero, si observamos a una bacteria bajo el microscopio no veremos una pequeña bombillita nadadora. La emisión de luz requiere que haya una determinada densidad de población bacteriana. Es decir, si hay pocas bacterias, no hay bioluminiscencia. Si hay muchas, entonces comienzan a brillar. Luego Vibrio fischeri es capaz de detectar la densidad de población de sus congéneres. Es lo que se llama en biología, sentido de quorum (o en inglés quorum sensing)

Mecanismo de quorum y bioluminiscencia. Cuando hay pocas bacterias no hay gran cantidad de moléculas inductoras (pentágonos rojos). Cuando hay muchas, hay una gran cantidad de moléculas inductoras que inducirán una gran expresión de los genes lux y por tanto de producción de luz (Fuente: Universidad de Zurich)

La sepia Euprimia scolopes alimenta con azúcares y aminoácidos a las bacterias que contiene su órgano luminiscente para así conseguir una gran densidad celular y poder emitir una potente luz. Si hiciéramos una disección de dicho órgano encontraríamos que no es una simple bolsa. En la parte más interna las paredes de la bolsa están recubiertas de una proteína conocida como reflectina. Y su función precisamente es reflejar la luz. En la parte de la bolsa que da al exterior, lo que hay es unas proteínas que forman una lente. El saco de tinta además está modificado para actuar como una especie de diafragma. De esa forma la sepia puede regular la intensidad del haz de luz que generan las bacterias bioluminiscentes.

Tejidos reflectantes de E. scolopes. Clikear en la imagen para agrandarla (A) Localización de los tejidos reflectivos en una disección ventral (dg, glándula digestiva ; er, reflector ocular; lor, órgano reflector de luz; m, manto) y no reflectivos (el, lentes oculares; g, branquias) En el cuadro pequeño se puede ver al animal adulto emitiendo luz. (B) Microfotografía de la disección del órgano luminoso (pequeña línea naranja de la foto A). El epitelio central (e) está rodeado del reflectante (lor), que a su vez está rodeado de divertículos de la bolsa de tinta (is). El tejido de la lente (lol) está localizado en la superficie ventral del órgano luminoso. (C) Imagen de microscopía electrónica de transmisión del cuadrado naranja en B. Pilas de placas con material reflector (p) entre fibras de tejido conectivo (ct) y gránulos de tinta (ig). (D) Placas de material reflectante magnificadas. En su interior se encuentra la reflectina. (Fuente: Crookes et al.)

Y eso es muy importante para la sepia. Euprimia scolopes es un cazador nocturno. Durante el día se entierra en la arena. Por la noche abandona su escondite y caza pequeñas gambas. Pero con 3 cm de tamaño, la sepia corre el peligro de ser el cazador cazado. Muchos depredadores se colocan en el fondo y cuando observan alguna silueta recortada en el cielo estrellado van a por ella. Pero la sepia tiene un camuflaje infalible. La luz emitida por sus bacterias hace que se parezca a una estrella más.

Cuando llega el día, la sepia vuelve al fondo arenoso a enterrarse. Pero antes de hacerlo expulsa el 95% de las bacterias de su interior. Se piensa que sería muy costoso para la sepia el mantenerlas vivas durante todo el tiempo que no está alimentándose. De esa forma, las bacterias vuelven a crecer en el interior del órgano, aunque también vuelve a recapturar algunas mientras respira el agua de mar. Y las bacterias que han sido liberadas pueden buscar una nueva sepia como hospedador.

Euprymna scolopes enterrándose en la arena(Fuente: Wikipedia)

La simbiosis mutualista entre Vibrio fischeri y Euprimia scolopes no es obligada, pues cada uno de ellos puede vivir sin el otro. Pero ciertamente es muy íntima y por eso es un buen modelo para estudiar el establecimiento de una simbiosis entre un animal y una bacteria. La relación entre ambas comienza desde muy temprano en la vida de la sepia. Nada más nacer las sepias comienzan a interaccionar con todos los microorganismos presentes en el agua de mar. Una de las cosas que hacen es generar una sustancia mucosa alrededor de los poros que dan entrada al órgano bioluminiscente. La síntesis de dicha mucosidad se ve estimulada por el peptidoglicano, el componente esencial de las paredes bacterianas. Ese moco es una primera barrera para las bacterias, pues sólo las que estén flageladas como Vibrio pueden nadar dentro de él y llegar al interior.

Hay otras barreras que impiden que el interior de la sepia sea colonizada. La sepia produce una peroxidasa que utiliza el peróxido de hidrógeno para producir especies reactivas del oxígeno que acaben con las bacterias. Vibrio fischeri evita ese ataque simplemente generando una catalasa que destruye el peróxido de hidrógeno antes de que pueda ser usado por la peroxidasa. Una vez que V, fischeri alcanza el interior del órgano bioluminiscente pierde la flagelación y se agrupa formando un biofilm.

Pues bien, según se cuenta en la revista New Scientist lo que se quiere saber es si la falta de gravedad puede alterar el establecimiento de la simbiosis entre la sepia y la bacteria. Para ello, en el Endeavour se han mandado unas sepias recién nacidas que no han estado en contacto con la bacteria y que serán incubadas con ellas durante 28 horas. Posteriormente las sepias con sus bacterias serán fijadas y se analizará que ha pasado. Se espera que los resultados puedan ayudar a entender o prever posibles problemas en otro tipo de simbiosis mucho más diversas y complejas: las de los seres humanos con su microbiota.

Esta entrada participa en el IV Carnaval de la Biología organizado por BioUnalm, y en el V Carnaval de la Química y el XIX Carnaval de la Física organizado por Scientia.

Crookes, W. (2004). Reflectins: The Unusual Proteins of Squid Reflective Tissues Science, 303 (5655), 235-238 DOI: 10.1126/science.1091288

Visick KL (2009). An intricate network of regulators controls biofilm formation and colonization by Vibrio fischeri. Molecular microbiology, 74 (4), 782-9 PMID: 19818022

¿Cuántas g's puede aguantar un ser vivo?

Crecimiento de P. denitrificans a 30 ºC en 1 g (A) o en 134.435 g's (B) (Fuente: Deguchi et al.)

Las bacterias acaban de ganar un nuevo record de resistencia. Son los únicos seres vivos que pueden, no sólo aguantar, sino vivir bajo la acción de una aceleración superior a 400.000 g’s. Es decir, 400.000 veces la fuerza de gravedad de la Tierra.

Para hacernos una idea de lo que eso significa. Un tiovivo de unos 5 metros de radio y girando a unas 15 revoluciones por minuto llega a las 1,26 g's. La mayor parte de los seres humanos pierden la consciencia cuando se les somete a 5 g’s. Los astronautas llegan a sufrir un acelerón de unas 9 g’s cuando son lanzados en un cohete. Si nos aplicaran una fuerza de 400.000 g’s quedaríamos convertidos en pulpa.

Pero al biólogo Shigeru Deguchi, de la agencia japonesa de Tecnología y Ciencia Marina y Terrestre le surgió la pregunta de qué ocurriría si a unas bacterias se las sometía a dichas fuerzas tan enormes. Para ello utilizó una ultracentrífuga: una maquina en la que se pueden simular dichos campos de fuerza mediante la fuerza centrífuga. Las centrífugas son uno de los aparatos estándar de cualquier laboratorio de Biología Molecular. Gracias a la fuerza centrífuga se pueden precipitar diversas macromoléculas, o incluso separarlas en base a su densidad.

John Stapp, un piloto de pruebas estadounidense, llegó a estar sometido a 46'2 g's. En estas imágenes se muestra un test donde sufrió 15 g's durante 0.6 segundos con un pico de 22 g's (Fuente: Wikipedia)

En nuestra experiencia cotidiana la centrífuga más famosa es la del tambor de la lavadora. La velocidad que alcanzan es de hasta 1200 revoluciones por minuto. Teniendo en cuenta un radio de 30 cm, la fuerza que ejerce es equivalente a unas 480 g’s. Para aquellos que estudian una carrera de Biología o similar, una centrífuga de tubos eppendorf (la que suele aparecer en los laboratorios de la serie CSI) alcanza hasta unas 18.000 g's.

Pues bien, una ultracentrífuga es algo parecido a nuestras lavadoras pero el rotor puede girar a velocidades que permiten alcanzar esas 400.000 g’s (incluso se alcanza el millón de g's). Así que el grupo de Shigeru Deguchi cogió unos cuantos cultivos bacterianos, entre ellos a nuestra amiga Escherichia coli, a la bacteria del suelo Paracoccus denitrificans, a Shewanella amazonensis, a Lactobacillus delbruecki y a la levadura Saccharomyces cereviseae, y las puso a girar en ese diabólico tiovivo.

Probablemente esperaban encontrar que algunas bacterias sobrevivieran al tratamiento, pero lo que han encontrado es incluso más sorprendente. Hay bacterias que no sólo sobreviven, sino que son capaces de crecer y reproducirse en esas condiciones. Es decir, no están en forma latente, sino que están vivas y activas. Al microscopio no parecen mostrar alteraciones de consideración.

Crecimiento de P. denitrificans en hiperaceleración. Las fotografías muestran el pellet (precipitado) de células bacterianas después de ser incubadas a 30º C y 403.627 × g. (A) 0 horas, (B) 6 horas, (C) 24 horas y (D) 48 horas. El diámetro del tubo es de 18 mm. (Fuente: Deguchi et al.)

La levadura S. cereviseae llegó a aguantar hasta las 52.000 g's, superando a la bactteria L. delbrueckii (hasta 44.000 g's). Pero las bacterias no tienen orgánulos y el contenido del citoplasma no parece verse muy alterado, o al menos no tanto como para dejar de funcionar. Las bacterias E. coli y S. amazonensis llegaron hasta las 77.000 g's. La campeona absoluta fue la bacteria P. denitrificans con 403.627 g's. Deguchi piensa que las bacterias aguantan más que los eucariotas debido a que la organización intracelular bacteriana es mucho más simple que la organización eucariota. Cuando una célula eucariota es sometida a unas fuerzas centrífugas tan elevadas, sus orgánulos internos como las mitocondrias o el núcleo comienzan a sedimentar.

(A) Curvas de crecimiento de P. denitrificans a distintas hiperaceleraciones. (B) Variación del tiempo de generación de diferentes microorganismos con respecto a la hiperaceleración a la que son sometidos. La única especie que soporta más de 100.000 g's es P. denitrificans. Cuanto más alto es el valor de g_rel, peor es el crecimiento del microorganismo (Fuente: Deguchi et al.)

¿Cuál es la importancia de este hallazgo? Bueno, los defensores de la panspermia se han puesto la mar de contentos ya que una de sus propuestas es que el impacto de un meteorito en la superficie de un planeta que contuviera vida podría expulsar rocas al espacio conteniendo microorganismos. En ese caso, esas rocas serían sometidas a fuerzas equivalentes a 300.000 g’s. Aunque aún les quedaría explicar cómo aguantarían el viaje interestelar y la entrada en la atmósfera. Sin embargo el hallazgo tiene otras implicaciones para la exobiología. Abre la posibilidad de que la vida pueda habitar planetas de gran tamaño como los gigantes gaseosos, Júpiter o Saturno. E incluso enanas marrones, ya que en esos cuerpos celestes no se supera el centenar de g’s y la temperatura es de unos 400 K (el límite teórico de temperatura de la vida es de 395 K). Aunque hay que señalar que en estos últimos casos habría que considerar otros aspectos físicos como la presión y la temperatura de los gases de la atmósfera.

Esta entrada participa en el XIX carnaval de la Física que organiza Scientia

Deguchi S, Shimoshige H, Tsudome M, Mukai SA, Corkery RW, Ito S, & Horikoshi K (2011). Microbial growth at hyperaccelerations up to 403,627 x g. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America PMID: 21518884

Geobacter: un superhéroe microbiano

Una vez más aparece en el blog una traducción de una de los artículos publicados en el blog de Moselio Schaechter Small Things Considered. En este caso se trata de un trabajo dedicado a la bacteria Geobacter escrito por la divulgadora científica Suzanne Winter.

Geobacter un microbio capaz de respirar hierro. (Fuente: Derek Lovley
Kelly Nevin & Ben Barnhart, University of Massachusetts)

Si el poder de Superman residiera tan sólo en sus superpoderes, entonces el Batman de Bruce Wayne nunca podría competir a su nivel. Pero si se tienen en cuenta los otros factores que hacen a los superhéroes lo que son – sus colegas, el disfraz, el sarcasmo – ambos, Superman y Batman, pueden reclamar su éxito en el mundo de hacer el bien sin despeinarse un pelo. En otras palabras, la fuerza y la efectividad del poder de un individuo a menudo depende de un uso creativo de las materias primas de las que dispone.

Esa realidad también se refleja en el reino de los microorganismos que compiten para ocupar y dominar nichos específicos por medio de la adaptación y la selección natural, y aquel que juega con unas reglas distintas a los otros puede tener la posibilidad de cambiar el mundo.

En particular, las especies que han evolucionado hacia la utilización de novedosos y, subjetivamente, extraños métodos para vivir han intrigado desde siempre a los científicos por sus habilidades de supervivencia y sus preferencias. Consideremos la fascinación que causan los extremófilos que viven en las fuentes termales del Parque de Yellowstone, y que condujeron al aislamiento de la Taq DNA polimerasa a partir de Thermus aquaticus, seguramente una de las más importantes enzimas de un laboratorio de biología molecular. Y mientras que muchos microbios siguen la bien estudiada ruta de usar oxígeno como aceptor final de electrones, hay muchos investigadores que miran con interés a las especies de Geobacter que usan óxidos férricos como aceptores finales de electrones, para así descubrir los secretos enigmáticos de la recuperación medioambiental, la producción de energía y la creación del mundo.

Historia del Mundo, Parte I : Porqué el hierro puede ser el nuevo oxígeno.

Además de ser el escenario de numerosas escaramuzas de la Guerra Civil Americana, el río Potomac, cercano a Washington D.C., tiene la distinción de ser la fuente del primer aislamiento de una especie de Geobacter, conocida inicialmente como GS-15 y posteriormente como Geobacter metallireducens.

Hasta que Derek Lovley y su laboratorio de la Universidad de Massachusetts Amherst identificó a Geobacter en 1987, ningún organismo con capacidad de usar óxidos de hierro como aceptor final de electrones había sido descrito. Para muchos organismos, una cadena de transporte de electrones y la producción de energía celular puede ser la diferencia entre la vida y la muerte. Miles de millones de años han sido dedicados a afinar esa delicada maquinaria; aquellos que no poseen este crucial mecanismo han sido relegados a llevar una vida al estilo de Artful Dodger(*), la de ser parásitos intracelulares obligados. Como muchos otros, las especies de Geobacter dependen de una cadena de transporte de electrones para la producción de energía, pero en lugar de usar oxígeno como el aceptor final, usan compuestos químicos de hierro oxidados.

Lovley y su equipo observaron que los compuestos químicos metabolizados por G. metallireducens eran magnéticos, pero el hierro que se encuentra en ambientes anaeróbicos no lo es. Como sugiere su nombre, el microorganismo reduce el ion férrico (Fe[III]) hasta magnetita Fe₃O₄, (que contiene ferroso (Fe[II]), gracias a la oxidación de compuestos orgánicos hasta CO₂. Esta observación permitía explicar cómo se podrían haber formado las antiguas y grandes acumulaciones de hierro en los ancestrales años en los que la Tierra era anóxica.

En el momento actual, esta curiosa adaptación permite a las especies de Geobacter sobrevivir a partir de fuentes energéticas que son inaccesibles para la mayor parte de los organismos aerobios. Y mientras hace eso, puede realizar tareas tremendamente útiles para los humanos. Por ejemplo, Lovley y su equipo demostraron que la respiración anaeróbica de G. metallireducens en ambientes anóxicos puede ser utilizada para la eliminación de contaminantes (como compuestos orgánicos radioactivos o derivados del petróleo) y por lo tanto para la biorremediación.

El análisis de varios genomas secuenciados de Geobacter ha revelado que en ausencia de un aceptor de electrones soluble, la expresión de los genes de motilidad son activados. En particular, los pili y los flagelos ayuda a G. chemotax a nadar hacia depósitos de moléculas que contengan Fe(III). ¿No sería interesante manipular este mecanismo para así usar organismos que busquen-y-destruyan la contaminación?

(a) Geobacter en presencia de un aceptor soluble como el nitrato no desarrolla flagelos.(b)Cuando no hay un aceptor de electrones soluble, pero hay ion férrico (Fe[III]) insoluble, se activan los mecanismos de quimiotaxis y se forma el flagelo, lo que le permite nadar a la bacteria. Después, gracias a la formación de pili, la bacteria puede adherirse a los gránulos conteniendo el ion férrico. (Fuente: Geobacter project)

Desde 1987 las investigaciones han continuado para desarrollar el potencial de Geobacter como parte del "kit de herramientas microbianas". En el 2010, Lovley y sus colegas comunicaron que microorganismos distintos a Geobacter pueden formar una conexión eléctrica y hacer pasar una corriente entre ellos. La habilidad de realizar una transferencia de electrones entre especies microbianas permitiría a los distintos microbios aprovechar fuentes de nutrientes a los que no podrían acceder si lo hicieran en solitario. Esto además abre la posibilidad de usar a Geobacter y otros microorganismos relacionados para crear baterías eléctricas automantenidas y otras fuentes renovables de energía.

Historia del Mundo, Parte II: La revolución de la red socia microbiana

En esta época donde el rumor se extiende por Tweeter en lugar de por el murmullo, el poder no está asociado necesariamente con lo que se conoce, sino con quién lo conoce – y Geobacter es más conocido que muchos otros microbios. De acuerdo con Google Trends, si se buscan los términos "microbial fuel cells" (células de energía microbianas), en el que Geobacter es uno de los jugadores clave, veremos que comenzó a hacer titulares en el 2007 por vía de uno de los métodos más seguros de divulgar la Biología, mediante un link con la cerveza. En el año 2009, la revista Time clasificó a las “pilas de Geobacter de Lovely” en el puesto 20 de las 50 mejores invenciones del 2009.

A finales de abril del 2010 llegó un momento de euforia en los medios de comunicación, como se evidenció por el pico en los términos de búsqueda en Google – coincidiendo en el tiempo con la concesión de un proyecto de 1 millón de dólares a Lovley por parte del Departamento de Energía de los EEUU -, y con el derrame de la plataforma Deepwater Horizon. En el momento del derrame, muchos medios de comunicación, incluyendo el New York Times y NPR's Science Friday, publicaron historias sobre Geobacter recalcando la habilidad del microbio para limpiar el mundo de contaminantes al mismo tiempo que producía energía. La Oficina de Investigación Naval de los EEUU se subió al carro de Geobacter colgando un vídeo en su canal de Youtube siete días después de que se anunciara la financiación de numerosos proyectos gubernamentales, incluyendo la creación de baterías inagotables o su uso en la conservación de las tortugas marinas.

Fotograma del vídeo de la Oficina de Investigación Naval (ONR) en el que se muestra un esquema de como conseguir energía a partir de las especies de Geobacter que habitan en los fondos marinos (Fuente: ONR Youtube channel)

La diversidad de aplicaciones de las distintas especies de Geobacter supone una inagotable fuente de noticias para los medios de comunicación. Dejando de lado la quincalla que publican, esas significativas cuñas de ciencia pura en el foco de las noticias podría estimular el apoyo a la investigación que nos permita entender la forma de vida de estas bacterias y así poder usarlas para beneficiarnos todos.

Además, hasta que el Batmovil no sea superado como el coche más deseable de todos los tiempos, deberíamos anima al Bruce Wayne de los microbios para que haga lo que mejor sabe hacer. Si tenemos en cuenta la cantidad de energía que Lovely y su grupo ha conseguido producir a partir de cepas seleccionadas de Geobacter, puede que un día su poder pueda ser utilizado bajo el capó de un coche en una carretera de un futuro más limpio y brillante.

Para saber más sobre el salvaje y extraño mundo de Geobacter puedes visitar el Geobacter Project, escuchar los podcast de Pulse of the Planets, o revisar la última publicación de Lovley sobre el futuro de los microbios eléctricos.

(*)Artful Dodger es un personaje de Oliver Twist. Es el pequeño pícaro con chistera que “educa” a Oliver en el arte de robar.



Suzzane Winter se graduó en el 2010 en el Swarthmore College con los títulos en Biología y en Literatura Comparada. Ha escrito para la sección de noticias de la revista BioTechniques y actualmente trabaja como escritora freelance en biología y ciencias de la vida al mismo tiempo que estudia para el master en Medicina y Salud Pública.

El borrón del escribano

Suele decirse que cuando se cita la frase de un personaje famoso se hace de manera inoportuna y/o incorrecta. Algo así ha debido de pensar Craig Venter.

Hace casi un año que se publicó la "creación" de un genoma artificial por parte de la compañía de Venter. Para distinguirlo del genoma natural, Venter añadió unas "citas" en la secuencia.

Una de ellas está sacada de la obra autobiográfica de James Joyce "Retrato del artista adolescente" y es la siguiente:

To live, to err, to fall, to triumph, to recreate life out of life

Que podría traducirse por "Vivir, errar, caer, triunfar, recrear vida a partir de la vida". El pequeño problema para Venter es que no solicitó permiso de reproducción de dicha cita a los poseedores de los derechos de Joyce, así que le han demandado. Venter ha declarado a la revista Forbes que ellos pensaron que la estaban usando de manera legar (fair use).

La otra cita insertada fue una frase del físico Richard Feynman. Pero la cita es errónea. Lo que Venter y sus chicos introdujeron fue:

What I cannot build, I cannot understand. Lo que no puedo construir, no lo puedo entender.

Pero el Instituto de Tecnología de California le ha mandado una fotografía de la pizarra donde Feynman escribió la siguiente frase:

What I cannot create, I do not understand. Lo que no puedo crear, no lo entiendo.


Está claro que errar es humano. Y Venter ha dicho que corregirá el error.


Fuente original de la historia: BioTechniques


Daniel G. Gibson,1 John I. Glass,1 Carole Lartigue,1 Vladimir N. Noskov,1 Ray-Yuan Chuang,1 Mikkel A., Algire,1 Gwynedd A. Benders,2 Michael G. Montague,1 Li Ma,1 Monzia M. Moodie,1 Chuck Merryman,1, Sanjay Vashee,1 Radha Krishnakumar,1 Nacyra Assad-Garcia,1 Cynthia Andrews-Pfannkoch,1 Evgeniya A., Denisova,1 Lei Young,1 Zhi-Qing Qi,1 Thomas H. Segall-Shapiro,1 Christopher H. Calvey,1 Prashanth P., & Parmar,1 Clyde A. Hutchison III,2 Hamilton O. Smith,2 J. Craig Venter (2010). Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome Science

Streptomyces en las antenas, antibióticos en el capullo

La avispa "lobo de las abejas" europea Philanthus triangulum (Fuente: Wikipedia.)

Los "lobos de las abejas" son un tipo de avispas depredadoras del género Philantus cuyas presas son las abejas, de ahí su nombre. Mientras los machos marcan sus territorios depositando sus feromonas en pequeños objetos, las hembras adultas construyen nidos que son túneles bajo tierra en los que depositarán sus huevos junto con alimento para que se desarrollen las larvas. El nido es una auténtica obra de ingeniería. Lo excava en la arena y puede llegar a tener un metro de largo. Se introduce en la tierra con un ángulo de 30 grados y luego va creando cámaras de incubación a intervalos regulares.

La avispa hembra captura a una abeja y le inocula el veneno en una zona membranosa de la región ventral donde causa la paralización de los músculos voluntarios, sin matar a la víctima. Posteriormente se la lleva al tunel y depositan un huevo en las presa para que, una vez eclosione, les sirvan de alimento hasta completar el desarrollo. Una vez la larva de avispa ha consumido a la abeja, entra en estado de pupa para completar su metamorfosis en avispa adulta. Ese proceso de metamorfosis puede durar varios meses.

Avispa lobo con una presa (Fuente: Wikipedia.)

El comportamiento de este avispa es bastante llamativo, pero no es la única sorpresa que guarda. El equipo del Doctor martin Kaltenpoth del Instituto Max Planck de ecología Química ha encontrado que estas avispas, para poder sobrevivir, necesitan realizar una simbiosis con una especie de bacterias del género Streptomyces.

Las condiciones de los túneles son húmedas y en los suelos siempre hay una gran cantidad de microorganismos, sobre todo hongos. Si uno pone algo de materia orgánica bajo tierra es muy probable que una hifa de un hongo lo encuentre y lo aproveche para alimentarse y crecer. Sin embargo, esto no suele suceder en el caso de las larvas de las avispas lobo. Los hongos y bactterias no las molestan, sobre todo en el delicado estado de pupa, en la que la larva está inerte en el interior de su capullo.

En la fotografía de la izquierda se ve a una hembra de avispa lobo secretando S. philanti desde sus glándulas antenales. A la derecha, imágenes de S. philanti marcadas con un fluoróforo específico (Fuente: Kroiss et al.)

Y no sufre molestias porque este avispa ha hecho una alianza defensiva con los Streptomyces. Las avispas hembra presentan unas glandulas en sus antenas que están repletas de una especie de bacteria, a las que se ha bautizado como Streptomyces philanti, y que son inoculadas en el huevo y en la cámara nidal cuando realiza la puesta. Posteriormente la bacteria es inoculada por la larva en la fibra con la que construye el capullo. Pero la inoculación es en las fibras más superficiales, no en las mas profundas. De esa forma, la bacteria crece en la superficie de la pupa generando al mismo tiempo un cóctel de nueve antibióticos que se distribuyen por el capullo y evitarán que otros microorganismos invadan al insecto. Al crecer sólo en la superficie los antibióticos no penetran en el insecto y así no interfieren con su metamorfosis.

Distribución de los antibióticos en el capullo de la avispa-lobo. La imagen utiliza falso color para mostrar los resultados de la espectrometría de masas. (Fuente: Physorg.com)

Los antibióticos son una estreptoclorina y ocho tipos de piericidina. Cada uno tiene propiedades inhibitorias del crecimiento, pero en combinación su potencia se ve aumentada por un efecto sinérgico. El utilizar un cóctel antibiótico tiene una ventaja añadida. Es muy difícil que un microorganismo desarrolle una multirresistencia capaz de lidiar con los nueve antibióticos a la vez.

Antibióticos producidos por S. philanti. A la izquierda, estreptoclorina, un inductor de la apoptosis mediante activación de las caspasas. A la derecha, una de las piericidinas, la glucopiericidina A. Las piericidinas son inhibidores de las NADH Deshidrogenasas (Fuente: Kroiss et al.)

Como es lógico la investigación está siguiendo nuevos caminos. Por un lado se intenta identificar los antibióticos secretados para ver si tienen interés como antimicrobianos de uso clínico. Por otro, se está buscando en otras especies de avispas depredadoras si este tipo de simbiosis defensiva existe y si las bacterias o los antibióticos producidos por ellas son distintos y por lo tanto, puedan tener interés desde el punto de vista biotecnológico.

Esta entrada participa en el III carnaval de la biología, el IV carnaval de la química.

Kroiss J, Kaltenpoth M, Schneider B, Schwinger MG, Hertweck C, Maddula RK, Strohm E, & Svatos A (2010). Symbiotic Streptomycetes provide antibiotic combination prophylaxis for wasp offspring. Nature chemical biology, 6 (4), 261-3 PMID: 20190763

Bichos espaciales

Hace 50 años, el astronauta Yuri Gagarin se convirtió en el primer ser humano en viajar al espacio. Junto con él viajaban unos cuantos millones de bacterias, que afortunadamente, no le causaron ningún problema. Algo que no pudieron decir alguno de sus posteriores colegas astronautas.

Por ejemplo, durante el viaje del Apolo 7, el astronauta Wally Schirra pilló un resfriado de origen viral que contagió a sus compañeros de misión. Si hubieran estado en la Tierra, el resfriado habría sido una molestia más o menos llevadera. Muchos estornudos y muchos mocos que limpiar mediante el uso de incontables kleenex para sonarse la nariz. Sin embargo en el espacio las condiciones de microgravedad provocan que el moco no sea expulsado por lo que se acumula en los senos nasales causando una dolorosa sinusitis. La enfermedad causó irritabilidad en los astronautas y más de una vez discutieron con el control de la misión. Pero lo peor estaba por llegar. Si alguien ha volado estando constipado sabrá lo mal que se pasa debido a los cambios de presión. Pues ahora imagínese lo que debió de ser la reentrada en la atmósfera. Los astronautas se negaron a ponerse el casco para así poder sonarse mientras se realizaba la reentrada. Debido a la insubordinación los tres astronautas no volvieron a viajar al espacio. Y sin embargo surgió algo bueno de tan terrible experiencia. La NASA puso dinero para investigar en una forma de aliviar los síntomas del resfriado y así se desarrollaron los anti-histamínicos basados en el clorhidrato de oximetazolina.

Oximetazolina (Fuente: Wikipedia.)

Desde entonces se han dado otros casos de enfermedades infecciosas leves en viajes espaciales. Suelen ser conjuntivitis, infecciones respiratorias y dentales. También suelen darse algunas infecciones cutáneas, sobre todo debido a la permanencia de sensores médicos pegados a la piel. Rara es la misión en la que no hay algún problema, y a pesar de que se llevan antibióticos en los botiquines espaciales se ha observado que los microorganismos son más resistentes de lo normal a la acción de los mismos. Para colmo, también se ha comprobado que la microbiota residente presenta cambios, observándose un aumento de las poblaciones de patógenos oportunistas como Staphylococcus aureus.

Los mayores cambios se observan en la microbiota intestinal. A las dos semanas de un viaje espacial se observa que el número de especies bacterianas intestinales se reduce, entre ellas los lactobacilos y las bifidobacterias. También se observa que hay un intercambio bacteriano entre la tripulación. Gracias a experimentos realizados en la Tierra con voluntarios mantenidos en condiciones de aislamiento se sabe que esos cambios son debidos a la ingestión continuada de comida estéril deshidratada. Por ello se suministran bacterias probióticas a los tripulantes de las naves espaciales.

Aunque el astronauta que peor lo pasó debido a una infección bacteriana fue Fred Haise. Es probable que los lectores hayan visto la película "Apolo 13", que narra la odisea que sufrió la tripulación de dicha nave en su fallido viaje a la Luna en el año 1970. Los actores Tom Hanks, Kevin Bacon y Bill Paxton interpretaban a los astronautas Jim Lovell, Jack Swigert y Fred Haise. Recordarán que uno de los astronautas se pone enfermo durante la accidentada travesía, presentando síntomas de letargia y fiebre. Cuando regresaron a la Tierra, a Fred Haise se le diagnosticó una infección urinaria por la bacteria Pseudomonas aeruginosa. El motivo de la misma fue que durante las 87 horas que duró la odisea, los astronautas sufrieron frío, deshidratación y no pudieron cambiarse sus catéteres urinarios.

Tratamiento antibiótico recibido por Fred Haise para combatir su infección. La tetraciclina fue suministrada durante la misión. La furadantina es un imidazol que se usa para tratar infecciones urinarias. Coly-Mycin es la colistina, un antibiótico peptídico del grupo de la polimixina muy efectivo contra P. aeruginosa(Fuente: Biomedical Results of Apollo.)

¿Por qué las infecciones son comunes en el espacio? Por varias causas. Además de las indicadas antes hay que añadir que el sistema inmune no funciona muy bien allí arriba. Se ha comprobado que el número de linfocitos decrece y que la concentración de anticuerpos en suero disminuye. Pero es que además, en condiciones de microgravedad la concentración de partículas aéreas en suspensión se incrementa enormemente. En condiciones de gravedad muchas de esas partículas caerían al suelo. En microgravedad flotan causando irritaciones de las mucosas, los ojos y aumentando la probabilidad de que lleguen al interior de los pulmones.

Así que si por un casual algún lector se apunta a un viaje espacial turístico, ya sabe que tiene que tener un poco de cuidado.

Esta entrada participa en el III carnaval de la biología, el IV carnaval de la química y el XVIII carnaval de la física.

Decelle JG, & Taylor GR (1976). Autoflora in the upper respiratory tract of Apollo astronauts. Applied and environmental microbiology, 32 (5), 659-65 PMID: 984836

Taylor PW, & Sommer AP (2005). Towards rational treatment of bacterial infections during extended space travel. International journal of antimicrobial agents, 26 (3), 183-7 PMID: 16118047

Si no actuamos hoy, no habrá cura mañana

Ese es el lema que ha utilizado la OMS para el Día Mundial de la Salud que se ha dedicado al problema de las resistencias a los antimicrobianos.

En dicha página podemos encontrar una lista con las recomendaciones de la OMS para una lucha efectiva:

• Formular y poner en práctica un plan nacional integral y con financiación suficiente
• Fortalecer la capacidad en materia de vigilancia de enfermedades y laboratorio clínico
• Procurar el acceso constante a medicamentos esenciales de buena calidad
• Regular y promover el uso correcto de los medicamentos
• Mejorar las actividades de prevención y control de las infecciones
• Fomentar la innovación y la investigación y el desarrollo de nuevas herramientas.

Y aquí os dejo el vídeo que se ha realizado por parte de Margaret Chan, la Directora general de la OMS, en la que nos advierte que si perdemos los antibióticos tendríamos una crisis global, (clickear en la imagen)

Algas para limpiar un desastre

Dedicado a Sato, Hiroko, Kyori y Masato. Espero que vuestro país se recupere pronto.

El accidente nuclear de Fukushima va a suponer uno de los mayores retos para las tecnologías dedicadas a la descontaminación. Y las técnicas biológicas o técnicas de biorremediación también van a tener su parte.

Hay veces que el destino te hace un guiño. Hace un tiempo se planeó una reunión de la American Chemical Society en la que se iba a discutir de los procesos de biomineralización. Uno de los trabajos que se ha presentado ha despertado un gran interés debido a los acontecimientos actuales. El trabajo ha sido realizado por el grupo liderado por Minna Krejci, una científica de materiales de la Northwestern University en Evanston, Illinois, sobre la capacidad del alga Closterium moniliferum, de secuestrar selectívamente el estroncio del agua y acumularlo en sus vacuolas.

Eso podría significar que este alga podría biorremediar vertidos contaminados con el isótopo radioactivo estroncio 90 (⁹⁰Sr). El ⁹⁰Sr supone un problema para los seres vivos porque, en su forma de catión divalente (Sr²⁺) es muy similar al catión del calcio (Ca²⁺). Así que ese isótopo radioactivo puede acabar formando parte de los huesos, la leche, la médula ósea, etc, y como es lógico, la radiación que emite puede inducir la aparición de tumores. El ⁹⁰Sr se genera como un subproducto de los procesos de fisión nuclear y tiene una vida media de 30 años.

¿Y por qué le gusta a Closterium moniliferum acumular estroncio? En realidad lo que le gusta a C. moniliferum es captar bario. Y si uno se mira la tabla periódica verá que el orden de estos tres elementos de arriba a abajo es Calcio, Estroncio y Bario. Así que aunque el calcio sea muy abundante, los transportadores de C. moniliferum no lo transportan al interior, ya que es bastante diferente del bario. Pero no ocurre lo mismo con el estroncio que al estar en la posición intermedia también se parece al bario. El resultado es que C. moniliferum acumula cristales de bario muy enriquecidos con estroncio.

El alga Closterium moniliferum. La imagen (a) es un fotografía realizada con microscopio confocal; los clorosplastos están en color rojo y la membrana en color verde. La imagen (b) es una microfotografía en contraste de fases en la que se ve la vacuola terminal con cristales de sulfato de bario en su interior. En la microfotografía (c) se observan esos cristales usando microscopía electrónica de barrido después de haber incinerado a la célula (Fuente: Krejci et al.)

¿Por qué cristalizan estos elementos en el interior de C. moniliferum? Al parecer las vacuolas de dicho alga presentan altas concentraciones del anión sulfato. Y en esas condiciones, tanto el estroncio como el bario son muy insolubles, por lo que precipitan formando cristales. Es lo que en Microbiología conocemos como biomineralización. Lo que no se sabe es porqué C. moniliferum tiene tanto sulfato en el interior de dichas vacuolas. ¿Una fuente de reserva de azufre? ¿una forma de eliminar cationes divalentes nocivos?

Minna Krejci ha encontrado que variando las concentraciones de sulfato y bario en un determinado medio, puede estimular la captación de estroncio. Y el proceso es muy rápido. En una hora acumulan una gran cantidad de estroncio. Así que este alga podría ser utilizada como un bioacumulador del residuo radioactivo. Imaginemos que tenemos en un deposito 500 litros de agua contaminada con ⁹⁰Sr. Se añadiría el alga y la mayor parte del catión se acumularía en ella. Posteriormente separamos las células del agua. La contaminación ahora ocuparía mucho menos volumen y sería mucho más barata de almacenar y procesar. Sin embargo, aún no se ha realizado ningún experimento en el que se compruebe que estas algas puedan realizar esta bioacumulación en condiciones en las que hay altas dosis de radioactividad.

Lovett, R. (2011). Algae holds promise for nuclear clean-up Nature DOI: 10.1038/news.2011.195

Krejci, M., Finney , L., Vogt, S., & Joester, D. (2011). Selective Sequestration of Strontium in Desmid Green Algae by Biogenic Co-precipitation with Barite ChemSusChem DOI: 10.1002/cssc.201000448

Visiones del Cuarto Dominio

Árbol filogenético basado en el ss-rRNA mostrando las tres ramas principales (Fuente: Microbial Life)

Uno de los pilares de la actual teoría evolutiva es el que dice que todas las formas vivas actuales proviene de un ancestro común al que se le denomina LUCA, las siglas inglesas de Last Universal Common Ancestor. Las pruebas sobre los ancestros comunes en seres pluricelulares se basan en los estudios sobre fósiles y en la anatomía comparada. Pero hay un problema con los seres vivos unicelulares, sean estos eucariotas o procariotas. No se pueden estudiar muchos fósiles ni hacer mucha anatomía comparada con los microbios. En el año 1977, un joven microbiólogo llamado Carl Woese tuvo una idea para superar este problema.

Woese se puso a comparar los genes que codificaban para el RNA ribosomal de la subunidad pequeña del ribosoma (ss-rRNA). Razonó de la siguiente forma. Todos los seres vivos de este planeta tienen el mismo código genético. Todos llevan a cabo la traducción del mRNA a proteínas. Todos tienen ribosomas. Y los ribosomas están hechos de RNA ribosomal (rRNA) y proteínas. Así que Woese pensó que podría realizar "bioquímica comparada" utilizando las secuencias de rRNA. Cuanto mayor fueran las diferencia entre dos secuencias, mayor sería su divergencia filogenética.

Los cinco reinos(Fuente de la imagen)

Es probable que inicialmente Woese esperara que sus comparaciones con rRNA confirmarían la clasificación de los cinco reinos. Pero se encontró con un árbol de tres ramas que apuntaba que la mayor biodiversidad ecológica, evolutiva y bioquímica se encontraba entre los microorganismos y no entre los seres pluricelulares.

Woese concluyó que la filogenia basada en la comparación de secuencias del RNA ribosomal mostraba con mucha mayor fiabilidad el verdadero grado de parentesco entre las formas vivas así que propuso una nueva clasificación en tres dominios: Bacteria, Arquea y Eukarya. No dijo que debía abandonarse la denominación de los "reinos", pero el mensaje estaba implícito. Podría decirse que la Microbiología es "Republicana" y que acabó con la "monarquía" de los Cinco Reinos.

Bueno, pues puede que estemos en ciernes de otra "revolución". El reconocimiento de que hay un Cuarto Dominio de la vida.

El pasado diciembre un grupo francés liderado por D. Raoult propuso que los mimivirus deberían ser considerados como el cuarto dominio debido a su complejidad y a que filogenéticamente formaban un grupo distinto. Como es lógico el árbol filogenético no se realizó utilizando el rRNA, pues los virus carecen de esa molécula. En este caso se hizo mediante comparaciones metagenómicas. Es decir, utilizando la información de todas las secuencias, sobre todo de unas proteínas involucradas en el procesamiento del DNA.

Árbol filogenético en el que aparecen los mimivirus como un cuarto dominio (Fuente: Raoult et al.)

La propuesta se ve apoyada por los datos de un grupo de la Universidad de Davis liderado por Jonathan Eisen. Han analizado el DNA total de muestras marinas recogidas a lo largo del viaje que ha realizado Craig Venter con su yate. El grupo de Eisen se ha centrado en unos genes que están muy conservados en todos los dominios de la vida. Esos genes son el ss-rRNA, recA y rpoB.

El gen recA codifica a la proteína RecA, que está involucrada en los procesos de recombinación genética. El gen rpoB codifica para RpoB, más conocida como subunidad II de la RNA polimerasa. Esa proteína es esencial en el proceso de polimerización del RNA. ¿Qué ventaja tiene estudiar esos dos genes? Muy simple, están tan conservados y extendidos como el ss-rRNA y en teoría los árboles filogenéticos derivados a partir de ellos deberían ser semejantes entre sí. Además, hay virus que tienen genes que codifican para proteínas homólogas, por lo que se podría llegar a deducir cual es el origen de dichos parásitos.

Y ahí es donde ha saltado la sorpresa. En ambos árboles han aparecido unas cuantas ramas que no pueden verse en el árbol deducido por comparación de secuencias del ss-rRNA y que podrían indicar nuevos dominios biológicos. Alguna de esas ramas coincide con la rama de los mimivirus o de otros virus. Pero también han aparecido dos ramas completamente nuevas. Es decir, no se sabe que tipo de ser vivo posee dichos genes. Como indica Carl Zimmer en su blog: ¿Son virus? ¿Son células? ¿Fueron genes que pertenecieron a células y han acabado en los genomas víricos? ¿O es el cuarto dominio otra señal de que la vida tal y como la conocemos ahora se originó como un virus?

Árbol filogenético basado en la secuencia del gen rpoB. En rojo aparecen las secuencias provenientes de distintos virus. En azul clarito pueden verse dos ramas desconocidas "Unknown 1" y "Unknown 2"(Fuente: Wu et al.)

Lo que está claro es que dentro de poco los libros de Microbiología general van a tener que volver a dibujar el llamado árbol de la vida.

Woese, C. (1977). Phylogenetic Structure of the Prokaryotic Domain: The Primary Kingdoms Proceedings of the National Academy of Sciences, 74 (11), 5088-5090 DOI: 10.1073/pnas.74.11.5088

Wu, D., Wu, M., Halpern, A., Rusch, D., Yooseph, S., Frazier, M., Venter, J., & Eisen, J. (2011). Stalking the Fourth Domain in Metagenomic Data: Searching for, Discovering, and Interpreting Novel, Deep Branches in Marker Gene Phylogenetic Trees PLoS ONE, 6 (3) DOI: 10.1371/journal.pone.0018011

Boyer, M., Madoui, M., Gimenez, G., La Scola, B., & Raoult, D. (2010). Phylogenetic and Phyletic Studies of Informational Genes in Genomes Highlight Existence of a 4th Domain of Life Including Giant Viruses PLoS ONE, 5 (12) DOI: 10.1371/journal.pone.0015530

Cómo hacer un microscopio de Leeuwenhoek uno mismo

Cuando estudié la carrera nos explicaron que Leeuwenhoek era un manitas que pulía sus propias lentes esféricas y que su secreto de cómo las manufacturaba se lo llevó a la tumba. Su maestría era tal que nadie había sido capaz de replicar la calidad de sus lentes hasta la aparición de técnicas de pulido de precisión en el siglo XX. Era todo un misterio cómo una persona del siglo XVII había conseguido realizar dicha proeza técnica.

Su secreto quedó descubierto en 1957 por Clair L. Stong. De manera bastante lógica Stong pensó que por muy manitas que fuera un tratante de telas del siglo XVII no podría realizar una gesta tecnológica de ese calibre, sobre todo porque entre las pertenencias que dejó, no había herramientas especiales típicas de los fabricantes de lentes de la época. La solución que propuso Stong fue que Leeuwenhoek no utilizaba el pulido, sino que fabricó sus lentes mediante un procedimiento de fusión del vidrio.

En el blog "Small things considered" apareció hace un par de años un artículo de Patrick Keeling sobre sus experiencias en la fabricación de una réplica del microscopio de Leeuwenhoek y de como utilizar dicho procedimiento en la docencia práctica de Protistología. En su página web podemos encontrarnos una completa guía que explica paso a paso como hacer tu propio microscopio de Leeuwenhoek con lentes esféricas de unos 2 mm de diámetro mediante fusión. Básicamente consiste en coger una pipeta Pasteur. Realizar un capilar mediante estiramiento. Partir ese capilar y luego acercar a la llama para que se vaya fundiendo y haciéndose la bolita de vidrio. Una vez alcance el tamaño adecuado, separarla del capilar y ¡ya está!

Estiramiento de una pipeta Pasteur para producir el capilar a partir del cual se debe de manufacturar la lente esférica. (Fuente: Keeling Lab)

Fusión del capilar para que forma la lente esférica(Fuente: Keeling Lab)

Y aquí puede verse una demostración práctica en vídeo.

Como puede verse en las fotografías que se muestran abajo las lentes obtenidas tienen una magnificación bastante buena. A la izquierda se muestra una fotografía con un microscopio convencional a 400x y a la derecha una fotografía realizada con una de las lentes y una cámara Canon Elph. La magnificación de la lente esférica es de alrededor de 200x.

Esta entrada participa en el XVII carnaval de la Física que está alojado en Vega 0.0.