Están vivos

Si alguien ha visto esta (floja) película de John Carpenter, recordará que el protagonista era capaz de ver a unos invasores extraterrestres cuando se ponía unas gafas de sol especiales. Bueno, pues algo parecido ocurre con el trabajo realizado por Arshan Nasir, Kyung Mo Kim y Gustavo Caetano-Anolles. Se han puesto unas gafas que les ha permitido ver a los virus de una manera distinta a como los veíamos hasta ahora.

El debate sobre si un virus es un ser vivo o no viene de lejos, y la mayor parte de los que los estudian prefieren considerarlos como "no-vivos". Sin embargo, hace más de un año comentamos en este blog que en un par de análisis metagenómicos se habían encontrado con que al famoso "árbol de la vida" le habían crecido unas ramas víricas. Sobre todo una perteneciente a los conocidos como mimivirus.

Estructura de un mimivirus, también conocido como virus gigante o megavirus. Es tan grande que originalmente se pensó que era una bacteria que parasitaba amebas. Cuando se descubrió que era un virus se le añadio el prefijo "mimi" porque mimetizaba o imitaba a una bacteria. De hecho su genoma es mucho más grande que el de algunas bacterias, como los micoplasmas, e incluso posee genes que codifican para funciones "celulares" como sintetasas de tRNA o enzimas metabólicas. Fuente: Wikipedia

Ahora, este último trabajo parece confirmar que realmente los mimivirus fueron seres vivos en su origen, que deberían ser considerados como tales, y que lo que les ha pasado es un caso extremo de reducción genómica por su adaptación al parasitismo. En lugar de comparar secuencias genéticas, que son inestables y cambian muy rápidamente en el tiempo, lo que han comparado son proteomas y dominios estructurales de proteínas (FSFs por Fold Super Families). Es decir, han hecho un estudio comparativo del binomio estructura-función. Asumieron que aquellos FSFs que aparecían más a menudo y en el mayor número de grupos de organismos, se correspondían con las estructuras más antiguas. Si aparecían poco significaba que esos FSFs eran modernos y habían aparecido recientemente en la evolución. Caetano-Anolles y sus colaboradores analizaron y compararon FSFs que estaban presentes en eucariotas, arqueas, bacterias y mimivirus. Y según sus resultados, el ancestro de los virus debió de coexistir o incluso depredar a LUCA, el Último Ancestro Común Universal.

Evolución de los dominios estructurales de las aminoacil-tRNA sintetasa. Este tipo de enzima está presente en eucariotas, bacterias, arqueas y mimivirus. El dominio catalítico es el más antiguo (rojo), seguido del dominio de edición (naranja) y del dominio que reconoce al anticodon (amarillo). El ancestro de los virus debía de tener una dotación completa de tRNA-sintetasas, pero los fue perdiendo durante el proceso evolutivo. Fuente de la imagen: Nasir et al.

Una de las cosas más llamativas del estudio de Caetano-Anolles y sus colaboradores es que han encontrado que hay FSFs que están mucho más distribuidos por los cuatro dominios de la vida de lo que creían inicialmente. De hecho, en el caso de los eucariotas han encontrado que el 98% de los proteomas presentan FSFs virales. Esto parece confirmar el papel de los virus en la transferencia genética horizontal y en el incremento de la biodiversidad del planeta.

Árbol generado a partir de los 1739 superfamilias de dominios estructurales (FSFs) encontrados en 200 proteomas analizados provenientes de arqueas (azul), bacterias (verde), eucariotas (negro) y virus (rojo). Fuente de la imagen: Nasir et al.

Definitivamente, me parece que en un par de años los libros de microbiología van a incluir unos cuantos cambios

Esta entrada participa en el XVI carnaval de la Biología alojado en El Blog Falsable y en el XVII carnaval de la Química alojado en Un geólogo en apuros



Nasir A, Kim KM, & Caetano-Anolles G (2012). Giant viruses coexisted with the cellular ancestors and represent a distinct supergroup along with superkingdoms Archaea, Bacteria and Eukarya. BMC evolutionary biology, 12 (1) PMID: 22920653

Mi resumen personal de la 1ª Reunión sobre Docencia y Difusión de la Microbiología.

La semana pasada se celebró la 1ª Reunión del grupo D+DM de la SEM en la Facultad de Veterinaria de Universidad Complutense de Madrid. Durante dos días nos juntamos unas 150 personas a hablar sobre cómo enseñamos Microbiología a nuestros alumnos, y mucho más importante, a aprender cómo otros colegas enseñan a sus alumnos.

En la página web oficial podéis encontrar el libro de resúmenes de las ponencias orales y de los pósters. Espero que estos últimos sean publicados más adelante como se hizo con los del congreso de la SEM. Adicionalmente, en el Facebook de la SEM hemos establecido un debate sobre los contenidos, debate al que estáis invitados a participar aunque no hayáis asistido.

La anécdota de la reunión fue la sempiterna presencia de una Musca testicularis que estuvo haciendo honor a su nombre a lo largo de los dos días de la reunión. No dejo de incordiar ni a los ponentes ni al respetable público.

El momento mas "candente" de la reunión lo fue en el sentido literal. La zona de los pósters estaba en la segunda altura, pegada al techo, de un edificio que debía de tener el aire acondicionado estropeado, con lo que se creaba una bonita zona de calentamiento local. El caso es que si te ibas a ver los pósters a los cinco minutos estabas sudando la gota gorda. Aún así compensaba pasear entre ellos y contemplar el trabajo y el esfuerzo de los colegas.

Y el momento "¡Ay madre que me lo han roto!" fue cuando Domingo Marquinez fue a dar su charla y los organizadores comprobaron con espanto que los vídeos los reconocía el ordenador pero no los reconocía el cañón de proyección. Así que tuvieron que dar paso al siguiente orador mientras que Jesús Pla y otros miembros de la organización buscaban otro cañón de proyección que sí reconociera los vídeos. Afortunadamente lo encontraron, y como en las buenas pelis, lo mejor quedó para el final (ver más abajo)

Al final de dicha reunión se concedieron los siguientes premios.

Mejor Póster para Lucía Arregui, Covadonga Vázquez, Belén Patiño, Maribel de Silóniz, Mercedes Martín-Cereceda, Pilar Calvo, Blanca Pérez-Uz y Susana Serrano de la Universidad Complutense de Madrid por ELABORACIÓN DE UN BANCO DE IMÁGENES Y DE PROBLEMAS PARA EL APRENDIZAJE ACTIVO DE MICROBIOLOGÍA.

El resumen de dicho póster los podéis encontrar en la página 75 del libro de la reunión. Este grupo de la UCM se ha encargado de las imágenes de microbiología que aparecen en la siguiente web: Bio-Imágenes.com.

Mejor Comunicación Oral fue para Victoria Béjar, Ana del Moral, Carmen María González-Domenech, Inmaculada Llamas, Fernando Martínez-Checa, Emilia Quesada de la Universidad de Granada por ACTUALIZACIÓN Y LIBERACIÓN DE LA WEB “Historia de la Microbiología”.

El resumen lo podéis encontrar en la página 28, pero lo mejor es pasarse por dicha web y explorarla. Está llena de recursos y de información. Es una web increíble.

Premio "Miguel Sánchez" a la Innovación Docente para Alejandro Alonso Conde, Ignacio Belda Aguilar, Luís Gamella Pozuelo, Ana María Caballero Gómez, Begoña Torralba Redondo, Angel Luís Villar Moreno, Serafín Carballo Cuervo, Antonio Santos de la Sen. Domingo Marquina Díaz por ADAPTACION DE LA ASIGNATURA BIOTECNOLOGIA MICROBIANA A LA LENGUA DE SIGNOS ESPAÑOLA.

Realmente esta ponencia nos impresionó a todos y nos hizo caer en la cuenta de un problema desde un punto de vista distinto. Resulta que muchos términos científicos no están "traducidos" a la lengua de signos que utilizan las personas sordas. Así que imaginaros el esfuerzo que puede suponer aprobar una asignatura en la que no entiendes las palabras que están diciendo tus profesores. Pues bien, el grupo de Domingo Marquina ha utilizado el vídeo para realizar dichas "traducciones". Desgraciadamente no dispongo de imágenes o vídeos de esta charla, por lo que tenéis que conformaros con el resumen de la misma que se encuentra en la página 28.

Hubo muchas más cosas interesantes, pero creo que con este pequeño resumen os podéis hacer una idea de lo que cundió la reunión. Aprovecho para felicitar a Victor y a toda la gente de la UCM que consiguieron que la reunión fuera un auténtico exitazo. Habéis dejado el listón muy alto para cuando la celebremos en Alicante en el 2014.

El "brillo del angel" y la bacteria "Hulk"

En el año 1862 tuvo lugar una de los enfrentamientos más sangrientos de la Guerra Civil Americana: la batalla de Shiloh. Durante dos días los ejércitos del Norte y del Sur lucharon entre los bosques del Condado de Hardin en Tenesse. Al terminar, el general Grant había ganado pero sobre el terreno quedaron unos 16.000 heridos de ambos bandos. Ningún servicio médico de la época y del lugar estaba preparado para atender a tantas personas, así que muchos de ellos simplemente se les realizó un simple cura y se les dejó en las cercanías de los hospitales de campaña esperando ser atendidos.

Durante la noche llovió sobre el campo de batalla, añadiendo más miseria a los heridos yacentes. Pero en la oscuridad notaron algo muy curioso, en algunos de ellos las heridas mostraban un pálido brillo azul. Al día siguiente, aquellos cuyas heridas habían brillado durante la noche mostraron una mejor tasa de supervivencia y una curación más rápida de sus heridas que aquellos en los cuales las heridas no habían brillado. A dicha luz protectora se la denominó "brillo del ángel". (Angel's glow)

"Angel's glow" Origen de la imagen: Coach D's American History.

La historia podría haber quedado muy bien para un programa sobre leyendas de lo paranormal y otras zarandajas. Pero en el año 2001 un estudiante de 17 años llamado Bill Martin visitó el campo de batalla de Shiloh con su familia y propuso una explicación. Cuando escuchó la historia del "brillo del ángel" se volvió y le preguntó a su madre, Phyllis Martin, una microbióloga del Departamento de Agricultura: "Oye mamá, no podría ser debido a una bacteria bioluminiscente como las que tú estudias".

Una larva de insecto reventada por la acción del gusano Heterorhabditis bacteriophora. Las formas blancas filiformes son los nematodos liberados del interior. Origen de la imagen: Not rocket science.

En realidad Phyllis Martin estudiaba dos seres vivos que se utilizan en el control de plagas. Uno era el nematodo Heterorhabditis bacteriophora. Este gusano tiene un ciclo biológico con seis etapas, a saber: huevo, cuatro estados juveniles y adulto. Pues bien, el tercer estadio juvenil es capaz de infectar insectos, sean estos larvas o imagos. Una vez dentro, el gusano llega al estado adulto, se reproduce sexualmente, pone los huevos, eclosionan, se desarrollan en el interior del insecto y cuando llegan al tercer estadio juvenil, salen del hospedador a buscar nuevas victimas.

Ciclo biológico del gusano Heterorhabditis bacteriophora. Ver el texto para más detalles. Origen de la imagen: Hallem et al..

H. bacteriophora parece otro parásito interno más ¿no? Pero no es así. Fijémonos en su apellido, significa "el portador de bacterias". Y se llama así porque cuando este gusano invade al insecto lo primero que hace es vomitar a la bacteria Photorhabdus luminescens, el segundo ser vivo objeto de estudio por parte de Phyllis Martin. ¿Para qué vomita el gusano a una bacteria?.

P. luminiscens es una gamma-proteobacteria que vive como simbionte en el intestino del gusano. No se encuentra en grandes números y si se la aísla y se inocula en un medio de cultivo apropiado la bacteria crece muy despacio formando pequeñas colonias. Pero cuando la bacteria es liberada en el interior del insecto sufre una auténtica transformación. Es como si Bruce Banner se transformara en Hulk. La bacteria comienza a crecer a gran velocidad y produce un par de toxinas, denominadas Tc y Mcf, que en poco tiempo acaba con el insecto. Después, genera enzimas que degradan las células del insecto liberando nutrientes y formando unos cuerpos de inclusión (llamados Cips) llenos de aminoácidos que pueden ser aprovechados por los nemátodos para su desarrollo. Por si fuera poco, también genera antibióticos que acaban con otras bacterias que puedan estar presentes evitando así la competencia por los recursos. Finalmente, la bacteria se deja comer por las "madres" de la siguiente generación del gusano H. bacteriophora y así es transmitido a la descendencia volviendo a establecerse como un tranquilo simbionte intestinal.

Origen de la imagen: marvel.

Comparación entre las formas P y M de la bacteria P. luminiscens. En A se muestra el diferente tamaño de las colonias. Nótese que en la colonia de forma M ha aparecido un sector con formas P (ver más adelante la explicación). En las microfotografías B y C puede verse la diferencia de tamaño de las formas P comparado con las formas M. En el interior de las formas P pueden verse la acumulación de Cips. En D se muestra la notable diferencia de volumen entre las formas P y M. Origen de la imagen: Somvanshi et al.

P. luminiscens y H. bacteriophora se necesitan el uno al otro. Es una simbiosis mutualista obligada. La bacteria sólo puede sobrevivir en el intestino del gusano o en los tejidos de los insectos infectados. Si la bacteria es ingerida por un insecto no es capaz de hacer nada. En el otro lado, H. bacteriophora sólo puede alimentarse, desarrollarse y reproducirse a partir de los nutrientes contenidos en los Cips y formados por la acción de la bacteria sobre los tejidos del insecto.

Pero aquí no acaba la historia. Seguramente el lector se habrá fijado en el apellido de la bacteria. Sí, efectivamente, P. luminiscens emite luz, y es que así el cadáver del insecto brilla en la oscuridad, y eso atrae a nuevos insectos que pueden convertirse en nuevas victimas de H. bacteriophora. No solo eso, también genera una pigmentación roja muy aparente. ¿Y para qué lo hace? En la Naturaleza, la presencia de pigmentación brillante en los insectos puede tener dos significados. Uno es el aviso: "¡Ojo! ¡Soy venenoso! ¡No me comas!" - el otro es el camuflaje: "A lo mejor soy venenoso, mejor no me comas". En el caso de los insectos infestados con P. luminiscens y H. bacteriophora es un camuflaje, ya que si el insecto que parasitan fuera ingerido por un pájaro u otro animal, ni la bacteria ni los gusanos sobrevivirían al transito intestinal.

En A pueden verse los cadáveres luminiscentes de larvas del insecto Galleria mellonella atacadas por P. luminiscens cuando crece como forma P. En B se muestra a la forma M de P. luminiscens interaccionando con el tubo digestivo del nematodo H. bacteriophora. El brillo verde es debido a que la bacteria ha sido modificada genéticamente para expresar la proteína GFP. Origen de la imagen: Microbewiki.

Está claro que la bacteria P. luminiscens tiene una historia interesante que contar. Cuando P. luminiscens está en el interior del tubo digestivo del gusano H. bacteriophora su morfología y fisiología es muy peculiar, por lo que se le denomina forma M por "Mutualista". En ese estado la bacteria genera unas fimbrias que le permiten interaccionar con las células del epitelio intestinal del gusano. Sin embargo, en cuanto la bacteria entra en el hemocele del insecto, sufre la transformación y se le denomina forma P, por "Patógena". Es en dicha forma cuando la bacteria puede crecer rápidamente y generar antibióticos, toxinas, Cips, etc. ¿Cuál es el mecanismo por el que la pacífica forma M se convierte en un super aniquilador de insectos? Eso es lo que se ha descrito recientemente en un artículo publicado en la revista Science. Todo depende de una simple inversión de un promotor denominado madswitch (traducción: switch significa "interruptor" y mad son las siglas de maternal adhesion pero curiosamente otra traducción podría ser: "interruptor de la locura").

Modelo sobre la transformación de P. luminiscens de la forma P capaz de aniquilar a un insecto(izquierda) a la forma M como simbionte de Heterorhabditis bacteriophora (derecha). Origen de la imagen: Somvanshi et al.

Cuando el promotor apunta en una dirección se pueden expresar los genes que codifican para la producción de las fimbrias que permitirán establecer la simbiosis con las células del epitelio intestinal del gusano. Es decir, la bacteria se encontrará en la forma M. Pero si se cambia la dirección de dicho promotor, entonces se apaga la expresión de esos genes para generar fimbrias y la bacteria se transforma en la forma P. Lo que se ha encontrado es que dicha inversión sucede al azar, lo que permite que siempre haya formas M y formas P simultáneamente. Son las condiciones ambientales las que seleccionan a unas o a otras. Una forma P en el intestino de un nematodo simplemente no puede adherirse y al final acaba siendo expulsada. Una forma M en el interior de un insecto no puede crecer y es eliminada.

Mapa físico del locus mad, en el que se encuentran los genes para la expresión de fimbrias para la adhesión al intestino del nematodo (en azul). El gen madR (en rojo) codifica para una recombinasa específica de sitio que invierte la secuencia promotora, apagando el sistema y promoviendo la transformación a forma P. Origen de la imagen: Somvanshi et al.

¿Fue P. luminiscens o alguna bacteria relacionada la responsable del "brillo del angel"? Los antibióticos producidos por la bacteria podrían explicar el porqué de la mejora de los soldados heridos. Y ese fue el proyecto de ciencias que Bill Martin y su compañero John Curtis desarrollaron y que les hizo ganar un premio. Encontraron que tanto el gusano como la bacteria eran muy frecuentes en los suelos del campo de batalla de Shiloh. También encontraron que ninguno de los dos podía crecer a la temperatura del cuerpo humano, pero recordemos que la noche de después de la batalla fue una noche lluviosa y fría, así que quizás los soldados sufrieron hipotermia y así se dieron las condiciones para que P. luminiscens creciera durante un lapso de tiempo durante el cual generó suficientes antibióticos que permitieran eliminar a otros microorganismos patógenos presentes en las heridas y así evitar la infección.

Hallem EA, Dillman AR, Hong AV, Zhang Y, Yano JM, DeMarco SF, & Sternberg PW (2011). A sensory code for host seeking in parasitic nematodes. Current biology : CB, 21 (5), 377-83 PMID: 21353558

Somvanshi VS, Sloup RE, Crawford JM, Martin AR, Heidt AJ, Kim KS, Clardy J, & Ciche TA (2012). A single promoter inversion switches Photorhabdus between pathogenic and mutualistic states. Science (New York, N.Y.), 337 (6090), 88-93 PMID: 22767929

Seppuku bacteriano

Pintura del general Akashi Gidayu preparándose para realizar su Seppuku. Tras haber perdido una batalla en el año 1582, la escena nos muestra al desdichado general escribiendo su poema de despedida, que puede verse en la parte superior derecha. El cuadro fue realizado por Tsukioka Yoshitoshi en 1890. Fuente: Wikipedia

Cuando uno estudia el ciclo celular de nuestra vieja amiga Escherichia coli, se aprende que en condiciones óptimas esa bacteria es capaz de duplicarse en sólo 20 minutos. Tras la división celular no es fácil distinguir entre célula madre y célula hija (pero puede hacerse). Si dejamos pasar 20 minutos más, tendremos cuatro células, y al cabo de otros 20 minutos, ocho. Teóricamente, si hay espacio y comida, una célula va a seguir multiplicándose sin cesar, y ya que no podemos disitnguir a las madres de las hijas, podríamos decir que en cierto sentido es primera célula era inmortal. Y esa suposición podría valer para cualquier organismo unicelular. Para ellos la norma a seguir es "¡creced y multiplicaros!"

Pero en los organismos multicelulares se observa que el crecimiento celular está limitado. De hecho, en el caso de las células humanas (o de cualquier organismo eucariota pluricelular) la programación que poseen no es "crece y multiplícate", sino más bien: "obedece y vivirás, no obedezcas y te suicidarás". Es esencial que cada célula haga lo que tiene que hacer y ninguna otra cosa más. Metaboliza lo que tiene que metabolizar, se diferencia en la célula que tiene que ser (un hepatocito, un fibroblasto, una neurona, etc.) y sólo se reproduce en contadas ocasiones y cuando es requerida a hacerlo. Esto último es muy importante. Si una célula se reproduce sin control lo que tenemos es un tumor. Así que, para evitarlo, hay una serie de "sistemas de seguridad" internos que hacen que si una célula se comienza a descontrolar, se disparen en ella una serie de procesos que conducen a su suicidio. Es lo que se conoce como apoptosis.

Fuente: Velica

Y es que lo importante para una célula perteneciente a un organismo pluricelular es el cuerpo formado por todas ellas, y no la célula individual. Pero si eres un organismo unicelular, tú eres el individuo, así que lógicamente no tienes porque tener esos "sistemas de seguridad" que conducen al suicidio.

Sin embargo, resulta que E. coli, y otras bacterias sí tienen esas rutas para el suicidio codificadas en su genoma. En el caso de E. coli hay dos rutas. Una es la que se encuentra en el operón maz compuesto por los genes llamados mazE y mazF. La proteína MazF es una toxina, mientras que MazE es una antitoxina. MazF es una endorribonucleasa que destruye los mRNA celulares a menos que MazE se una a ella y la inactive. Si por un casual el DNA que codifica para mazE se daña, entonces MazF no tiene quien la inactive y destruye a la célula. La segunda ruta tiene que ver con la respuesta SOS.

Esquema explicativo del sistema MazF/MazE y el factor EDF. Las proteínas MazE y MazF son sintetizadas en el mismo operón. MazE (óvalo verde) se une a MazF (comecocos púrpura) inhibiéndola. Al mismo tiempo, la célula genera el factor EDF, un pentapétido de secuencia NNWNN (molécula que se ve fuera de la célula). Dicho factor se une a MazF impidiendo la unión de MazE. Además los niveles de ambas proteínas se pueden ver afectados por diversas señales de estrés. MazF actúa como una endorribonucleasa que destruye mRNAs, lo que provoca la muerte celular. Fuente: Julia Williams y Paul Hergenrother 2012

La respuesta SOS es un mecanismo para la reparación del DNA. Uno de los componentes principales es una proteína llamada RecA. Cuando hay un daño en el DNA, se dispara la producción de RecA. Si el daño es muy grande, la célula muere. Lo curioso es que se observó que las células morían por una despolarización de la membrana, no porque dejaran de reproducirse. Con el DNA dañado la célula no puede reproducirse, pero eso no significa que se "muera". La célula dañada podría seguir consumiendo y metabolizando la fuente de carbono que tuviera a su disposición. Lo que se ha observado es que cuando hay un gran daño en el DNA, se acumula una gran cantidad de RNA mensajero que codifica para RecA, y esto provoca una despolarización de la membrana que acaba destruyendo la integridad celular y provocando la muerte de la célula. Como la despolarización de membrana también ocurre con las células eucariotas a esta ruta se la denomina ALD por Apoptotic-Like Death

RecA y el sistema MazF/MazE están relacionados. Si se elimina el operon maz y se causa un daño en el DNA de la célula, la acumulación de mRNA de RecA es mucho más rápida y grande, lo que acaba provocando la muerte celular más rápidamente. Si se eliminan tanto el gen recA como el operón mazEF, las células siguen "vivas" durante mucho más tiempo a pesar de que el daño en el DNA no las permita reproducirse, y no sucede ninguna despolarización de la membrana. Podría decirse que esas células son unas "zombies" que lo único que hacen es consumir recursos que podrían aprovechar otras bacterias que sí han podido reparar el daño y por lo tanto podrían reproducirse y dejar descendencia.

Bacteria Zombie. Fuente: Tecnoculto

¿Qué beneficios tiene el suicido para una bacteria? El operon mazEF no sólo inhibe a RecA, también tiene que ver con una pequeño pentapéptido llamado EDF (por Extracellular Death Factor) y que es un intermediario de un proceso de quorum sensing. El EDF es producido por todas las E. coli que están alrededor. Su forma de actuar es unirse a MazF y volverla insensible a la acción de MazE. Si hay suficiente MazE para superar a EDF, no pasa nada. Si no lo hay, MazF actúa como una toxina y la bacteria se suicida. Es decir, si eres una bacteria, tus propias compañeras te están mandando señales que dicen "muérete", y el nivel de tu proteína MazE es el que evita que te suicides. Evidentemente, tú también estás mandando la misma señal a tus compañeras. Esto permite que se desarrolle un comportamiento colonial muy sofisticado y que evita que aparezcan "zombies" que podrían consumir recursos y perjudicar al grupo. Un buen ejemplo de comportamiento "altruista".

Esquema simplificado de la relación entre las dos rutas de muerte celular en la bacteria E. coli. Fuente: Lab Rat

Competencia entre EDF y MazE por la unión con MazF. La figura muestra las similaridades estructurales de la interacción EDF-MazF comparada con la interacción MazE-MazF. La superficie blanca corresponde a MazF, el pentapéptido EDF está en color azul, y la proción de la proteína MazE es de color morado. Las flechas indican los puentes de hidrógeno en MazF. El triptófano de EDF solapa perfectamente con el triptófano-73 de la proteína MazE. Fuente: Belitsky et al. 2011

Además, este tipo de comportamiento viene definido por la densidad de población. Si hay pocas células alrededor, hay poco EDF, tan poco que no puede neutralizar el sistema MazE/F. Si una bacteria sufre un daño en su DNA, se activará la expresión de RecA y por tanto la cantidad de su mRNA, pero su sistema MazE/F podrá seguramente controlar que dichos niveles no disparen el suicidio, así que la bacteria con su DNA dañado tiene una oportunidad de repararlo y sobrevivir. Pero si la densidad de población es alta, habrá mucho EDF alrededor, tanto que MazE puede verse neutralizada en tal nivel que cualquier daño en el DNA supondrá que se aumentará la cantidad de mRNA de RecA y por lo tanto la activación de la ruta de suicidio. De esa forma, los que sobreviven son los que tienen su DNA en perfecto estado.

Las dos rutas de muerte celular en la bacteria E. coli con más detalle. La vía ALD se activa si hay daño al DNA, mientras que la vía mazEF se activa ante otros daños incluido el daño al DNA. Fuente: Erenthal et al. 2012

Enlaces relacionados:
The bacteria that commit honourable suicide. Lab Rat
Coping with Hard Times: Death as an Option. Small Things Considered



Belitsky M, Avshalom H, Erental A, Yelin I, Kumar S, London N, Sperber M, Schueler-Furman O, & Engelberg-Kulka H (2011). The Escherichia coli extracellular death factor EDF induces the endoribonucleolytic activities of the toxins MazF and ChpBK. Molecular cell, 41 (6), 625-35 PMID: 21419338

Williams JJ, & Hergenrother PJ (2012). Artificial activation of toxin-antitoxin systems as an antibacterial strategy. Trends in microbiology, 20 (6), 291-8 PMID: 22445361

Robinson, R. (2012). In E. coli, Interrupting One Death Pathway Leads You Down Another PLoS Biology, 10 (3) DOI: 10.1371/journal.pbio.1001278

Erental A, Sharon I, & Engelberg-Kulka H (2012). Two programmed cell death systems in Escherichia coli: an apoptotic-like death is inhibited by the mazEF-mediated death pathway. PLoS biology, 10 (3) PMID: 22412352


Esta entrada participa en la XVI edición del Carnaval de la Química que aloja el blog ¡Jindetrés, sal! y en el XIV Carnaval de la Biología que aloja el blog Bio Tay.

Monascus purpureus, lovastatina y arroz rojo

Granos de arroz rojo chino, un producto de la fermentación por Monascus purpureus. Fuente: Wikipedia

Se acaba de publicar la lista de declaraciones autorizadas de propiedades saludables de los alimentos distintas de las relativas a la reducción del riesgo de enfermedad y al desarrollo y la salud de los niños. Y en ella sólo aparecen nombrados tres microorganismos. Dos de ellos son las bácterias lácticas Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus y Streptococcus thermophilus que aparecen bajo el epígrafe "Cultivos vivos de yogur" y de los cuales se reconoce que me­joran la digestión de la lac­tosa del producto en las per­sonas con problemas para digerir la lactosa siempre que el yogur o la leche fermentada tengan una concentración de 10⁸ Unidades Formadoras de Colonia por gramo.

Microfotografías de Monascus spp. al microscopio óptico y al de microscopía electrónica de barrido. Fuente: Wang y Ling 2007

El tercero es Monascus purpureus, la levadura del arroz rojo chino. Aunque en realidad no es una levadura, es un moho pariente de los Aspergillus. Este microorganismo es responsable de la coloración rojo púrpura característica del arroz rojo, cereal que se utiliza para colorear diversos platos chinos y orientales. Desde hacía tiemoo se le atribuían propiedades saludables, y ahora la EFSA parece haberlo reconocido. En la lista podemos leer que La monacolina K del arroz de levadura roja contribuye a mantener niveles normales de colesterol sanguíneo siempre que se tomen 10 mg diarios de dicho compuesto producido por la levadura.

Colonias de Monascus purpureus. Fuente: PharmachemicaLea

¿Qué hace la monacolina K, también conocida como lovastatina? Pues es un inhibidor de la HMG-CoA reductasa, una enzima de la ruta metabólica de producción del colesterol. De hecho, la lovastatina purificada es un medicamento para el tratamiento de la hipercolesterolemia. La lovastatina se puede obtener mediante fermentación del arroz por este hongo, o por alguno de sus parientes, como M. ruber, aunque actualmente, la mayor parte de la lovastatina se produce gracias a otros hongos como Aspergillus terreus que pueden ser cultivados en biorreactores de agitación.

Estructura química de la lovastatina. Fuente: Wikipedia

Esta entrada participa en el XV carnaval de la Química que se hospeda en El Cuaderno de Calpurnia y en el XIII carnaval de la Biología que se aloja en Caja de Ciencia.



Wang TH, & Lin TF (2007). Monascus rice products. Advances in food and nutrition research, 53, 123-59 PMID: 17900498

Comer yogur es cosa de hombres

Origen de la imagen: Velica

Cuando me tocó hacer la mili, una de las cosas que nos gritaba nuestro sargento durante la instrucción era "¡Corred más rápido, pandilla de comeyogures!". Bueno, pues resulta que no nos estaba insultando, sino agasajando, al menos si se confirman los resultados que según la web de Scientific American han obtenido los investigadores del MIT liderados por Susan Erdman y Eric Alm.

Ya hemos hablado en este blog sobre la relación entre microbiota y obesidad. Pues bien, el grupo del MIT se dispuso a estudiar si el yogur afectaba al desarrollo de la obesidad y a sus complicaciones como el desarrollo de cáncer. Así que los investigadores tomaron grupos de 40 ratones macho y 40 hembras. A unos los alimentaron a base de una dieta con alto contenido en grasas, poca fibra y pocos nutrientes que simulaba la comida basura. A otros en cambio los alimentaron con la dieta ratonil estándar. Luego, a la mitad de cada grupo la suplementaron con yogur y a la otra mitad no (¿se ha perdido? Son cuatro grupos. Dos de "comida basura" con y sin yogur, y otros dos de comida "ratonil" con y sin yogur). Por cierto, el yogur era con sabor a vainilla.

Lo primero que notaron los investigadores era que los ratones comeyogures tenían el pelo más brillante y sedoso. Al realizar el estudio histológico se encontraron que los comeyogures tenían 10 veces más folículos activos que los otros ratones. Lo segundo que notaron era que los machos comeyogures proyectaban sus testículos hacia fuera y se "pavoneaban" ante las hembras mucho más frecuentemente. Al medir los testículos encontraron diferencias significativas entre los grupos. Los comeyogures tenían testículos un 5% más pesados que los del grupo que comía la dieta "ratonil" normal, y hasta un 15% más pesados al compararlos con los ratones alimentados a base de comida basura. Y como era de esperar eran más "machos". En los experimentos de apareamiento los comeyogures inseminaban a las hembras mucho más rápidamente y tenían más descendencia que los ratones control.

Paquete de yogures

¿Y las hembras? También se han encontrado con una serie de efectos saludables. Las hembras comeyogures parían camadas más numerosas y alimentaban a sus crías con mayor éxito. Ahora bien ¿se pueden extrapolar estos resultados a los humanos? Quizás. Un grupo de la Universidad de Harvard liderado por el epidemiólogo Jorge Chavarro está estudiando la relación entre la ingesta de yogur y la calidad del semen de los humanos. Y según sus propias palabras, lo que han encontrado por ahora es consistente con lo encontrado en ratones.

Mira por donde, al final va a resultar que lo de los "cuerpos danone" no iba tan desencaminado (a ver si cae alguna subvención por la publicidad que les he hecho en esta entrada ;)

Esta entrada participa en el XIII carnaval de la Biología que se aloja en Caja de Ciencia.

Un brindis del pasado

Hay ocasiones en las que la Microbiología Industrial y la Arqueología van de la mano. Uno de los casos más recientes fue en el año 2010, con el descubrimiento de los restos de un naufragio en las islas finlandesas de Åaland. El pecio era un barco de mediados del siglo XIX, que aún no ha sido identificado. Entre otros tesoros los buceadores encontraron 162 botellas de champán. Lo sorprendente fue comprobar que 79 de dichas botellas todavía eran bebibles. Según los entendidos, el sabor del champán era espléndido, con toques dulces y aromas de tabaco y roble.

Las botellas pudieron conservarse por una serie de factores. Por un lado las aguas donde reposaba el pecio están a 50 metros, con lo que la presión no ha sido tan grande que permitiera entrar al agua de mar al interior de la botella. Otro factor es que dichas aguas son muy oscuras y su temperatura es de 4 grados. Una nevera muy eficiente podríamos decir. Además, las botellas contenían el sedimento de levadura responsable de la segunda fermentación (el proceso de degüelle no fue inventado por Madamme Veuve Clicquot hasta mediados del XIX). Finalmente, el champán iba destinado a la Rusia Imperial, y allí les gustaba el champán muy dulce. Generalmente se añadía unos 200 gramos de azúcar por litro. Para los estándares actuales, ese sería un champán con una concentración cuatro veces superior a lo que se denomina champán dulce. De hecho ya no se comercializan champañas con tantísima azúcar.

El año pasado se subastaron dos botellas de dicho naufragio. Una era de una bodega que desapareció en 1829, denominada Juglar. La botella alcanzó el precio de 24.000 euros. La otra botella era un Viuda Clicquot de 1841 y alcanzó los 30.000 euros. Ha sido el precio más caro jamás pagado por una botella antigua. Este año se subastarán otras 11 botellas y se estima que pueden alcanzar los 10.000 euros por botella.

Pero el champán no ha sido lo único que fue encontrado en el naufragio. También se encontraron numerosas botellas de cerveza. Sin embargo en esta ocasión el contenido no ha soportado el paso del tiempo y la cerveza es imbebible. El análisis químico mostró que había una gran proporción de sodio lo que indica que el agua marina consiguió entrar. Asimismo se encontró que el contenido alcohólico era menor de un 2'5%. También han encontrado que el pH es de 3,2, significativamente inferior al pH normal para la cerveza que es de 4,2. Sin embargo, los científicos creen que esas botellas contienen otros tesoros de gran valor.

En las botellas se han encontrado restos de levaduras, ya que ninguna ha sobrevivido. Se espera obtener DNA e identificarlas mediante biología molecular. Se sospecha que además de Sacharomyces cerevisiae, podría encontrarse especies del género Dekkera, una levadura característica de la cerveza lambic, y de la levadura Cyberlindnera jadinii, aunque en este último caso se cree que era una levadura contaminante. También se han identificado otros compuestos que podrían dar pistas muy valiosas sobre cómo se elaboraba la cerveza a principios del siglo XIX. Por ejemplo, se ha deducido que debía de quemarse madera durante los procesos de cocción, ya que se ha encontrado cantidades muy significativas de furfural, uno de los compuestos característicos del "aroma a almendra tostada" que se produce en la combustión de la madera.

Lo que sí han encontrado han sido bacterias del ácido láctico vivas, un tipo de microbios de gran interés en las fermentaciones alimentarias, sobre todo en aquellas relacionadas con las conservas de vegetales. De hecho, ellas han sido las responsables del bajo pH, ya que se han encontrado altos valores de acético, propiónico y butírico.

Fotografía de microscopía electrónica de células de diferentes especies bacterianas encontradas en la cerveza de Aaland. Las formas redondeadas probablemente son Pediococcus damnosus, mientras que la forma bacilar es un Lactobacillus. Fuente de la imagen VTT Finland.

En concreto han hallado cuatro especies: Pediococcus damnosus, Lactobacillus malefermentans, Lb. backii y Lb kisonensis. Esta última ha sido una sorpresa ya que la primera vez que aisló fue en el año 2009, como uno de los participantes en la fermentación de pepinillos al estilo japonés. Los investigadores han encontrado en la cerveza cantidades apreciables de beta-glucano, un polisacárido viscoso producido por las lactobacterias. Se piensa que ha actuado como un protector que les ha permitido sobrevivir durante tanto tiempo. Uno de los proyectos será crecerlas, caracterizarlas y utilizarlas como cultivos iniciadores en la elaboración de diversos productos alimentarios intentando rescatar los aromas del pasado.

Fuentes bibliográficas y de las imágenes:
The drinks bussines
Red Orbit
VTT Research Center


Esta entrada participa en el XV carnaval de la Química que se hospeda en El Cuaderno de Calpurnia y en el XIII carnaval de la Biología que se aloja en Caja de Ciencia.

Actualización 2015: Se ha completado el análisis de un par de botellas de cerveza, y efectivamente son imbebibles. Analysis of Beers from an 1840s’ Shipwreck

La hipótesis de la Reina Negra

Una de las primeras cosas que aprendes cuando estudias la evolución de los parásitos es que estos pierden genes. No importa que los parásitos sean grandes o pequeños, eucariotas o procariotas. Es lo que se conoce como decaimiento genómico (genome decay). Si el hospedador parasitado realiza una función ¿para qué quiere el parásito los genes que codifican para esa función? El decaimiento genómico no es exclusivo de los parásitos. También se da cuando hay simbiosis mutualistas. El típico ejemplo de decaimiento genómico llevado al extremo es el cromosoma de la mitocondria. Hace miles de millones de años el ancestro de la mitocondria era algo parecido a una alfa-proteobacteria, y tendría un gran genoma de unas 4 Mb que debía de codificar miles de proteínas necesarias para hacer la pared celular, un gran número de rutas metabólicas, una membrana externa, etc. Ahora, su genoma es algo menor de 20kb y sólo codifica para unas cuantas decenas de genes.

La perdida de genes es un buen mecanismo evolutivo siempre y cuando alguien haga por ti, lo que tú ya no puedes hacer. La energía y recursos dedicados a esas funciones perdidas se pueden dedicar a otras cosas. Por ejemplo, nosotros no tenemos genes para sintetizar aminoácidos como el triptófano o la fenilalanina. Los tomamos de los otros seres vivos que consumimos en nuestra dieta. Si lo que hemos comido es un filete, la ternera a su vez los habrán tomado de otro ser vivo ¿Quién hace en último término esos aminoácidos esenciales? Pues generalmente las plantas y las bacterias. Y puede decirse de ellas que hay relativamente bastante abundancia.

¿Y si la comida es escasa? En el océano hay mucha agua y luz, pero no hay casi materia orgánica disuelta. Uno esperaría que aquellos microorganismos que viven en esos ambientes oligotróficos posean una dotación genética tan completa que codifique para numerosas funciones que les permita sobrevivir en esos hábitats sintetizando todo aquello que requieren a partir de los pocos recursos disponibles. Serían el equivalente biológico a una navaja suiza. Pero paradójicamente no es así. Los dos géneros microbianos más abundantes de los océanos son las bacterias Pelagibacter y Prochlorococcus. El primero es un heterótrofo y el segundo un fotoautótrofo. Sin embargo, al estudiar su genoma se ha encontrado que también han sufrido la perdida de genes.

Célula de Pelagibacter ubique al microscopio electrónico. Fuente de la imagen.

Inicialmente se pensó que esa perdida de genes había sido debida a la deriva genética. Pero las funciones perdidas hacían que ambos tipos de microorganismos sean metabólicamente dependientes de otros. Así que ahora se piensa que esa pérdida no ha sido un producto del azar, sino de la Selección Natural. Pero ¿qué ventaja tiene perder genes que te hagan dependiente de otros en esas condiciones tan duras?

Jeffrey Morris, Richard Lenski y Erik Zinser creen tener la respuesta. Es la "hipótesis de la Reina Negra". El nombre está inspirado en el juego de naipes denominado "Hearts" (*). En cada mano de dicho juego debes de evitar quedarte con los naipes del palo de corazones, o con la reina de picas. Si te quedas con esas cartas, puntúas un punto por cada corazón y trece puntos por la reina de picas. Pierde el primero que llega a cien puntos. Está claro que a ninguno de los cuatro jugadores le gusta tener a la reina de picas entre sus cartas e intentará descartarla, pero alguien tiene que tenerla porque de lo contrario no se podría jugar.

Captura de pantalla de una partida juego "Corazones" que va incluido en el sistema operativo Windows. El jugador "Oeste" se ha descartado de la reina de picas y se la va a llevar el jugador "Este" ya que ha echado el as de picas

Pues algo parecido pasa con los microorganismos en los ambientes oligotróficos. Algunas especies pierden la habilidad de llevar a cabo ciertas funciones si pueden beneficiarse a costa de otra especie de microorganismos que la realice por ellos. Es decir, la cooperación entre dos especies microbianas surge por un rasgo totalmente egoísta. Una especie a la que le ha tocado la reina de picas es aquella que realiza una función necesaria para ella pero que "tiene una fuga" que permite que el producto de dicha función sea aprovechado por otros miembros de la vecindad, sin que necesariamente la especie "desafortunada" obtenga algo a cambio. Aunque de alguna forma esos "jugadores desafortunados" deben de obtener algo, porque si desaparecen también lo harían el resto de especies que dependen de ellos. Es lo que se llama un "mutualismo de subproducto"

La hipótesis de la reina negra explica el porqué las comunidades microbianas están íntimamente relacionadas por medio de una intrincada red de interacciones. Esta hipótesis predice que a nivel individual se favorece el que se pierdan genes cuyas funciones las realizan otros, y que evolucionará hasta que la producción de los bienes comunes es justo la suficiente para aguantar el equilibrio de toda la comunidad. En ese punto, el beneficio de cualquier perdida adicional se verá desfavorecido por el coste evolutivo. Las etapas evolutivas del establecimiento de estos "mutualismos de subproducto" serían: 1-utilización egoísta del producto sintetizado por otra especie; 2- perdida de los genes que se dedicaban a sintetizar ese producto que ahora se toma de otros; 3- evolución de complejos caracteres cooperativos para maximizar el aprovechamiento de las funciones realizadas por otros. En un determinado ecosistema, una especie puede llevar la reina de picas para una determinada función, pero a su vez se ve favorecida porque otra especie distinta lleva una reina de picas para otra función esencial. Es decir, el sistema no admite tramposos.

Células de Prochlorococcus al microscopio de barrido. Fuente: Chisholm laboratory.

En el caso concreto de Pelagibacter y de Prochlorococcus, lo que se ha estudiado es la pérdida del gen katG que codifica para la catalasa-peroxidasa. Esta enzima intracelular es la encargada de neutralizar el peróxido de hidrógeno (H₂O₂), un compuesto muy oxidante que se produce como consecuencia de reacciones de fotooxidación de la materia orgánica disuelta en el agua de mar. Si se disponen células de Prochlorococcus en agua de mar estéril y se ilumina con luz solar, al cabo de pocas horas se ha acumulado tanto peróxido de hidrógeno que todas las microalgas mueren. Las especies más cercanas a los ancestros evolutivos de Prochlorococcus sí que tienen el gen katG, sin embargo ni de lejos son tan abundantes en los océanos como ella. Algo similar ocurre con Pelagibacter. ¿Cómo sobreviven ambas especies a la acción del peróxido de hidrógeno? Pues por la enzima catalasa-peroxidasa que producen otros microorganismos que hay en la vecindad. El peróxido de hidrógeno permea a través de las membranas biológicas como una molécula de agua, y la catalasa-peroxidasa de los microorganismos es tan eficiente que aunque sea intracelular inactiva tanto peróxido de hidrógeno que la concentración extracelular de dicho compuesto nunca alcanza los niveles tóxicos para Pelagibacter y Prochlorococcus.

Dendrogramas que muestran las relaciones filogenéticas entre diversas especies de cianobacterias. A la izquierda está el basado en el 16S rRNA, a la derecha el basado en la presencia del gen katG. El ancestro común a Synechococcus y a Prochlorococcus debía de poseer dicho gen. Los puntos rojos indican el evento de perdida de katG. Fuente: Morris et al..

¿Qué es lo que se gana al perder el gen katG? Pues lo que se gana es hierro. Este bioelemento es un recurso muy escaso en los océanos. Si no necesitas el hierro para hacer catalasa-peroxidasa, lo puedes dedicar a reproducirte y crecer. Los autores han formalizado matemáticamente la hipótesis con la siguiente expresión:

Donde B es el beneficio adaptativo relativo (relative fitness benefit)y está determinado por el ahorro en energía y otros recursos que se consigue al perder un gen. Para ello se comparan las cuotas celulares de dichos recursos para una especie ancestral que posea el gen (Q_A) y una especie mutante que ha perdido dicho gen (Q_M). En el caso de Prochlorococcus, requiere un 0,2% menos hierro que el ancestro que poseía el gen katG. Eso quiere decir que Prochlorococcus era capaz de crecer un 0,2% más rápidamente que su ancestro. Asumiendo que el tiempo de generación del ancestro es de una vez al día, una sola célula de Prochlorococcus habría desplazado a su ancestro de todos los océanos en tan solo 129 años.

Los autores proponen otros escenarios y hábitats donde puede estar dándose este caso. Por ejemplo, el caso de la fijación del nitrógeno en los océanos, o las fuentes de compuestos de azufre reducido para la síntesis de macromoléculas. La hipótesis de la reina negra también podría explicar el establecimiento de los biofilms en determinados hábitats, y las complejas interrelaciones de los componentes de dichos biofilms. La hipótesis de la reina negra parece una "buena hipótesis" porque no solo explica una serie de observaciones y hechos como por ejemplo el porqué es tan difícil obtener cultivos puros de algunos microorganismos tan abundantes, sino que además plantea otra buena serie de nuevas preguntas, entre ellas la siguiente: ¿Existirán "organismos clave" en los ecosistemas cuya extinción conduzca a la inestabilidad y a una catástrofe en dicha comunidad? Esta última pregunta viene dada por la siguiente situación teórica. En el juego "Hearts" hay una estrategia ganadora muy arriesgada. Es el "disparo a la luna" (shooting the moon) y consiste en recoger todos los corazones y la reina de picas. En la Naturaleza eso equivaldría a un ser vivo que cumple todas las funciones beneficiosas y necesarias para la comunidad. No tendría porque ser el más abundante, pero sin él, toda la comunidad colapsaría.

El "disparo a la luna". El jugador que recoja todas esas cartas gana la partida. Fuente: Wikipedia.

Esta entrada participa en el carnaval de las Matemáticas, en el XV carnaval de la Química que se hospeda en El Cuaderno de Calpurnia y en el XIII carnaval de la Biología que se aloja en Caja de Ciencia.

Y por si el lector no lo ha notado, hoy es dia 13, es la edición 13 del carnaval de la biología, y la reina de picas vale 13 puntos.



Morris, J., Lenski, R., & Zinser, E. (2012). The Black Queen Hypothesis: Evolution of Dependencies through Adaptive Gene Loss mBio, 3 (2) DOI: 10.1128/mBio.00036-12

ElectroBiocombustibles

origen de la imagen

Si la energía se transforma, ¿por qué no podemos transformar la electricidad en combustible para coches con motor de explosión? Se puede hacer, aunque económicamente es inviable. Pero a lo mejor las cosas cambian gracias a una bacteria.

En líneas generales la electricidad es un tipo de energía sencilla de obtener. Una forma es darle vueltas a un imán cercano a una bobina y voilà. El truco consiste en responder a la pregunta: ¿cómo damos vueltas al imán? Podemos poner una turbina que se mueva gracias a la fuerza del agua, como en las centrales hidroeléctricas, o a la fuerza del vapor como en las centrales nucleares. Se genera una gran cantidad de energía eléctrica, pero lo malo es que esas instalaciones son grandes y costosas. Hay otra forma de conseguir la energía eléctrica que es transformando la luz del sol. Gracias a los paneles fotovoltaicos, los fotones son absorbidos por los átomos de un material semiconductor y eso hace que se liberen electrones, creándose así una corriente eléctrica. Pero estos dispositivos tienen dos desventajas: son caros y encima no generan una gran cantidad de energía.

Bueno, podríamos pensar que aunque se genere poca energía eléctrica, se podría almacenar en algún dispositivo y así usarla cuando quisiéramos. Sin ir más lejos, los combustibles fósiles son una forma de almacenar energía en un compuesto químico. Cuando necesitamos dicha energía lo único que tenemos que hacer es combinarlos con oxígeno y prenderles fuego ¡de manera controlada por supuesto!

¿Se puede almacenar la energía eléctrica? Sí, pero es caro. Lo mejor es consumir la electricidad al mismo tiempo que se produce. La forma más común de almacenar energía eléctica son las baterías o pilas, aunque realmente no se almacena energía eléctrica, sino energía química que puede ser transformada en electricidad. Otro problema es que la densidad de energía en estos sistemas no es mucha. Un kilo de gasolina produce 50 veces más energía que un "kilo de electricidad" contenido en una batería. Basta comparar la autonomía de un coche eléctrico y un coche a motor de explosión.

Volvamos a la pregunta del principio. ¿Y si gracias a una bacteria pudiéramos transformar la electricidad en gasolina de forma mucho más eficiente? Esa es la idea que hay detrás del diseño de un nuevo tipo de biorreactor denominado como biorreactor electro-microbiano integrado por sus autores, un grupo de la Universidad de California en Los Angeles liderado por el ingeniero químico James Liao. Para ello han usado una cepa modificada genéticamente de la bacteria Ralstonia eutropha, un quimilitoautótrofo que puede aprovechar la electricidad producida por una placa solar para fijar CO₂ y producir alcoholes del tipo de los butanoles, uno de los principales componentes de las gasolinas. Los resultados han sido publicados en la revista Science.

La bacteria Ralstonia eutropha. Fuente MicrobeWiki

Este biorreactor híbrido (ver esquema inferior) consigue la electricidad de un panel fotovoltaico. La corriente fluye hacia el electrodo en el interior del biorreactor, que contiene agua, CO₂ y la bacteria R. eutropha. Mediante una reacción electroquímica que sucede en el cátodo, el CO₂ reacciona con el agua dando lugar a formato (HCOO^-). El formato es un anión soluble que puede ser utilizado como fuente de energía por la bacteria. Una cepa silvestre de R. eutropha utilizaría dicha molécula para hacer poli-hidroxialcanoatos. Pero la cepa bacteriana usada fue manipulada genéticamente. Por un lado tiene interrumpida dicha ruta y por otro le introdujeron otros genes para sintetizar isobutanol y 3-metil-1-butanol (3MB), alcoholes de alto peso molecular que si pueden ser usados como biocombustibles en un motor de explosión. En condiciones ideales esta cepa puede llegar a producir 1,4 gramos de biocombustibles por litro de cultivo (846 mg/l de isobutanol y 570 mg/l de 3MB).

Esquema del proceso electromicrobiano integrado para convertir CO₂ en alcoholes de alto peso molecular que pueden ser usados como biocombustibles. En el medio se burbujea aire con CO₂ al 15%. El cátodo está formado por indio y el ánodo por platino. Si se acumulara el formato se podría destruir el ánodo, pero como es utilizado por la bacteria eso no ocurre. Por otro lado, la electricidad genera especies químicas reactivas que inhiben el crecimiento bacteriano, por eso está separado el ánodo del cultivo por una "copa" de cerámica. Fuente Li et al.

La capacidad de generar esos alcoholes no fue la única modificación que tiene la cepa de R. eutropha. Otra característica deseable es que pudiera crecer en unas condiciones en las que hay una corriente eléctrica presente. La electricidad genera especies reactivas de oxígeno y de nitrógeno, lo que podría causar una inhibición del crecimiento bacteriano. Para demostrar que eso era lo que pasaba los investigadores realizaron una serie de construcciones genéticas. Pusieron al gen lacZ bajo el control de tres tipos de promotores: katG, sodC, o norA. Estos son los promotores de los genes que se inducen cuando en el medio aparece peróxido de hidrógeno (H₂O₂), radicales libres superóxido (O₂^-) y óxido nítrico (NO), respectivamente. Esas construcciones las clonaron en un plásmido que luego introdujeron en R. eutropha. Obtuvieron así tres cepas, y cada una fue sometida a una electrolisis. Si aparecía alguna de las especies químicas reactivas, se activaría la expresión del gen lacZ, como puede verse en la figura inferior. Para evitar el efecto inhibitorio lo que han hecho es recubrir el ánodo con un material cerámico que hace que el camino de dichos compuestos sea tortuoso y que reaccionen antes de que puedan alcanzar a los microorganismos que crecen en el biorreactor.

En la gráfica B se muestra el resultado de las tres cepas de R. eutropha que portan un gen chivato (el gen lacZ) bajo el control de distintos promotores: katG, sodC, o norA. El incremento de expresión con los dos últimos indica que las especies reactivas que inhiben el crecimiento son el superóxido (O₂^-) y el óxido nítrico (NO). En la gráfica C se muestra el crecimiento de la cepa modificada R. eutropha LH74D (línea azul), capaz de producir hasta 140 mg/l de biocombustible (línea verde) en algo más de 100 horas creciendo en el biorreactor híbrido. Fuente Li et al.

Pero ¿no se puede hacer esto directamente con un microorganismo fotosintético? En este blog hemos hablado del posible uso de algas unicelulares para producir biocombustibles. El organismo fotosintético captura la luz y la transforma en energía química, y esa energía ya puede ser aprovechada para las rutas anabólicas que producen lípidos que pueden ser usados para producir biodiesel. La placa fotovoltaica no hace falta en este caso. Sin embargo hay un problema. La fotosíntesis biológica no es tan eficiente, al menos desde el punto de vista utilitario y antropocéntrico. Ese proceso está diseñado por la evolución para mantener a un ser vivo, no para hacer biocombustibles que nosotros podamos usar. Es decir, captura energía que debe de ser utilizada en todos los procesos metabólicos celulares: síntesis de proteínas, replicación DNA, mantenimiento de las membranas, etc. Sólo una pequeña porción de dicha energía se utiliza en la producción de moléculas susceptibles de ser utilizadas como biocombustibles. Por ejemplo, si utilizamos bioetanol producido a partir de la fermentación del almidón del maíz, tan solo estaremos utilizando un 0,2 por ciento de la energía solar capturada por la planta. En el caso de utilizar microalgas, se puede llegar a aprovechar un 3 por ciento de la energía lumínica. Un rendimiento 15 veces mayor, pero todavía no suficiente como para que sea económicamente atractivo.

Un panel fotovoltaico puede convertir el 15 por ciento de los fotones en electricidad. Acoplado al biorreactor integrado, se puede conseguir que hasta un 9 por ciento de la energía luminosa total sea transformada en biocombustible, tres veces más que con las microalgas y 45 veces más si lo comparamos con una planta verde. En palabras de Liao, al combinar un dispositivo humano, que tiene un gran potencial de mejora, junto a la fijación biológica de CO₂, conseguimos lo mejor de ambos mundos.

¿Y dónde está el "pero"? Pues está en que todavía es un sistema experimental desarrollado a nivel de laboratorio como puede verse en la imagen inferior. Falta el escalado, primero a planta piloto, y si funciona y sigue mostrando toda esa eficiencia, entonces escalarlo hasta planta industrial. Esperemos que lo hagan y tengan éxito.

El biorreactor electro-microbiano integrado desarrollado por los de la UCLA. Origen de la imagen Scientific American

Esta entrada participa en el XXX Carnaval de la Física que aloja "La enciclopedia galáctica", en el XIV Carnaval de la Química que aloja "Educación Química", en el IX Carnaval de la Tecnología que aloja "El Tao de la Física" y en el XII Carnaval de la Biología que aloja "Blog de laboratorio".



Li, H., Opgenorth, P., Wernick, D., Rogers, S., Wu, T., Higashide, W., Malati, P., Huo, Y., Cho, K., & Liao, J. (2012). Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols Science, 335 (6076), 1596-1596 DOI: 10.1126/science.1217643