Hace unos días la Editorial de la UMH me publicó en formato de libro electrónico el primer recopilatorio de algunas de las entradas del blog.
El libro se puede descargar de manera gratuita aquí.
Espero que lo disfrutéis.
lunes, 25 de julio de 2022
viernes, 11 de febrero de 2022
La historia de Margaret Hutchinson Rousseau
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| Margaret Hutchinson Rousseau (origen de la imagen: Wikipedia) |
Ya vimos en el blog que en 1941 la manera de producir penicilina a gran escala era utilizar unos recipientes inspirados en las cuñas urinarias. Los recipientes se rellenaban hasta la mitad de medio de cultivo para maximizar la superficie de contacto con el aire. Luego se inoculaba el hongo, que crecía sobre dicha superficie originando un micelio flotante. La penicilina secretada por el hongo se iba acumulando en el medio de cultivo. Pasados unos cuantos días, el contenido se filtraba para separar el micelio del medio de cultivo. Ese medio era procesado posteriormente para purificar la penicilina. La tarea era bastante lenta y laboriosa, con el riesgo de que se todo se echara a perder por las altas probabilidades de contaminación, ya que se mezclaban el contenido de diferentes recipientes. Además, el rendimiento no era muy elevado. Más o menos, de cada botella se extraía el contenido de una dosis (ver el vídeo).
Todo el mundo tenía muy claro que había que encontrar un procedimiento que aumentara significativamente la producción de penicilina, pero no parecía un problema sencillo. Al contrario que lo que ocurre con la fermentación alcohólica en la que las levaduras producen etanol en condiciones anaerobias, el hongo Penicillium chrysogenum solo produce penicilina si forma un micelio y si además tenía aire en abundancia, por lo que no se puede producir el antibiótico en grandes recipientes similares a los que se usan para producir cerveza.
Una de las personas que estuvo involucrada en la resolución del problema fue Margaret Hutchinson. Nacida en la ciudad de Houston en 1910 era hija de un ingeniero químico que trabajaba en la industria del petróleo. Se graduó en ciencias en el instituto Rice a los 22 años y consiguió su doctorado en el MIT en ingeniería química en el año 1937. La especialidad de Margaret eran los procesos de transferencia de masas entre fases gaseosas y líquidas. Sin ir más lejos, su tesis se titulaba “The effect of solute on the liquid film resistance in gas absorption” y en ella lo que estudió fue la resistencia a la absorción de ocho gases distintos -oxígeno, hidrógeno, dióxido de carbono, acetileno, nitrógeno. helio, dióxido de azufre y cloro - en agua con diferente grado de turbulencia. Fue la primera mujer en conseguir el doctorado en dicha disciplina en los Estados Unidos. La contrató la compañía E.B. Badger y dos años después se casó con un compañero de trabajo, el ingeniero William Caubu Rousseau, con el cual tuvo un hijo.
Todo el mundo tenía muy claro que había que encontrar un procedimiento que aumentara significativamente la producción de penicilina, pero no parecía un problema sencillo. Al contrario que lo que ocurre con la fermentación alcohólica en la que las levaduras producen etanol en condiciones anaerobias, el hongo Penicillium chrysogenum solo produce penicilina si forma un micelio y si además tenía aire en abundancia, por lo que no se puede producir el antibiótico en grandes recipientes similares a los que se usan para producir cerveza.
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| Cartel de propaganda para animar a los trabajadores a acondicionar lo más rápidamente posible la antigua fábrica de hielo donde albergarían los fermentadores para producir la penicilina (Fuente: The Chemicla Engineer) |
Una de las personas que estuvo involucrada en la resolución del problema fue Margaret Hutchinson. Nacida en la ciudad de Houston en 1910 era hija de un ingeniero químico que trabajaba en la industria del petróleo. Se graduó en ciencias en el instituto Rice a los 22 años y consiguió su doctorado en el MIT en ingeniería química en el año 1937. La especialidad de Margaret eran los procesos de transferencia de masas entre fases gaseosas y líquidas. Sin ir más lejos, su tesis se titulaba “The effect of solute on the liquid film resistance in gas absorption” y en ella lo que estudió fue la resistencia a la absorción de ocho gases distintos -oxígeno, hidrógeno, dióxido de carbono, acetileno, nitrógeno. helio, dióxido de azufre y cloro - en agua con diferente grado de turbulencia. Fue la primera mujer en conseguir el doctorado en dicha disciplina en los Estados Unidos. La contrató la compañía E.B. Badger y dos años después se casó con un compañero de trabajo, el ingeniero William Caubu Rousseau, con el cual tuvo un hijo.
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| Figura 2 de la tesis de Margaret Hutchinson en la que se muestra la relación entre la absorción de un gas (eje Y) y la velocidad de agitación del agua. Nótese que ambos ejes están en escala logarítmica (Fuente: MIT) |
A finales de los años 30 el ambiente era prebélico y todos los países avanzados estaban desarrollando numerosos proyectos con vistas a su aplicación militar. La compañía E.B. Badger no era una excepción y Margaret estuvo involucrada en dos proyectos estratégicos: la síntesis de caucho sintético para fabricar neumáticos y la producción de gasolina de alto octanaje para aviación. Pero mucho más importante que el material de guerra es el cuidado de los soldados que manejan las armas. Y la penicilina podría salvar a millares de ellos de la muerte por infección de sus heridas. No es de extrañar que fuera necesario involucrar a las 21 empresas farmacéuticas norteamericanas de la época, incluidas los cuatro gigantes Merck, Squibb, Pfizer y Lederle.
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| Jasper Kane y John McKeen. Origen de la imagen: The Chemical Engineer. |
La compañía Pfizer decidió apostar por la producción de penicilina en tanques con aireación ya que tenía experiencia en el crecimiento del hongo Aspergillus niger para la producción de ácido cítrico y de ácido glucónico. Jasper Kane era el director de investigación de Pfizer y encomendó al ingeniero John McKeen el diseño de una planta para producir penicilina. El problema era que debido a la guerra había escasez de materiales estratégicos y no era posible construir nuevos fermentadores y depósitos de acero. Así que a principios de 1943 se les ocurrió comprar una antigua fábrica de hielo situada en Brooklyn. McKeen se las vio y deseó para conseguir el equipamiento necesario para transformar la fábrica. Trabajando 7 días a la semana y 16 horas al día se consiguió que el 1 de marzo de 1943 se iniciara la primera fermentación de 28,400 litros de P. chrysogenum. Margaret Hutchinson fue contratada por Pfizer y trabajó en el establecimiento de los parámetros que permitían una correcta transferencia del oxígeno del aire al medio de cultivo que contenía al hongo. El proceso era tan eficiente que a finales de año la producción de penicilina de Pfizer superaba al resto de compañías farmacéuticas. El 6 de junio de 1944, día del desembarco de Normandía, el 90% de los dos millones trescientas mil dosis de penicilina suministradas a las tropas aliadas, provenían de la compañía Pfizer.
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| Folleto de la American Chemical Association dedicado a la planta de producción de penicilina en Brooklyn, que tiene status de monumento histórico (fuente: ACS) |
En 1945 Margaret Hutchinson fue la primera mujer en ser miembro del American Institute of Chemicals Engineers (AIChE) y posteriormente elegida como “fellow” de dicha sociedad. En el año 1983 fue galardonada con el premio Fundadores de la AIChE, su más alto honor. Falleció en el año 2000 a la edad de 89 años. En el año 2017 la AIChE estableció el premio Margaret Hutchinson para Ingenieras Químicas y Frances Arnold fue la primera en ganarlo. En el 2018 Frances Arnold ganó el premio Nobel de Química por sus trabajos en evolución in vitro de las enzimas.
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| Margaret Hutchinson en 1961 (Reuther Library. Fuente AIChE) |
Enlaces de interés:
martes, 9 de noviembre de 2021
Si se resiste, reestructurate
Ya hemos comentado en varias ocasiones el creciente problema
del aumento de las resistencias a los antibióticos y también de los diferentes abordajes
que se están llevando a cabo para afrontarlo.
Uno de esos abordajes es “mejorar” las moléculas de antibióticos
que ya se conocen, modificándolas de manera que sean mucho más eficientes y/o
que no se vean afectadas por los mecanismos de resistencia. El grupo dirigido
por Andrew G. Myers de la Universidad de Harvard ha seguido dicha estrategia
con las lincosamidas. Esta clase de antibióticos bacteriostáticos inhiben la
traducción de las proteínas al unirse a la subunidad 50S y bloquear la
actividad peptidil-transferasa, siendo la clindamicina el antibiótico más usado
de las lincosamidas. Este tipo de antibacterianos son muy efectivos frente a
las bacterias Gram-positivas, pero no funcionan frente a las Gram-negativas (se
desconoce el porqué de esa insensibilidad).
Lo que han hecho los investigadores es desarrollar una
plataforma para producir una gran cantidad de nuevos análogos sintéticos. La
molécula típica de lincosamida tiene dos módulos o “hemisferios”: un aminoácido y un
aminoazúcar. Cada uno de esos módulos puede ser modificado de diferentes
maneras, creando una gran diversidad de análogos. Además, contaban con los datos
de cristalografía de rayos X de la estructura de ribosomas a los que se le habían
unido diferentes lincosamidas.
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| Estructura de la clindamicina (a) y la iboxamicina (b). Nótese los dos "hemisferios": el aminoazucar en la parte superior y el aminoácido en la inferior. Origen de la imagen: Micheltree and Myers. |
Tras probar la actividad antimicrobiana de más de 500
análogos de lincosaminas lo que han encontrado es que si se introduce un anillo
de siete átomos en el módulo aminoacídico se incrementa muchísimo tanto la
potencia como el espectro antibiótico. El compuesto más prometedor que han encontrado
es la iboxamicina, que es incluso capaz de ser efectiva frente a bacterias Gram-negativas
como Escherichia coli o Acinetobacter baumannii. Por
cristalografía han encontrado que el mecanismo de acción de la iboxamicina es
unirse al centro activo del ribosoma bloqueando la colocación del aminoacil-tRNA
entrante. Por eso es mucho más potente que la clindamicina.
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| La iboxaminica (IBX) unida al centro activo del ribosoma de Thermus thermophilus (a). La subunidad 30S (amarillo claro), la 50S (gris), el mRNA (magenta), el t-RNA en el sitio A (verde), el t-RNA en el sitio P (azul oscuro) y el t-RNA en el sitio E (naranja). En la parte inferior (b) se muestra con más detalle las interacciones de la ibozamicina con el 23S-rRNA dentro del centro de la peptidil transferasa (PTC). Origen de la imagen: Micheltree et al. 2021. |
Pero además la iboxamicina es eficiente frente a cepas que
son resistentes a la clindamicina. El mecanismo de resistencia se basa en la
modificación de la diana del antibiótico. Las cepas resistentes expresan los
genes erm, que codifican para unas enzimas
que metilan un nucleótido del centro activo del ribosoma de forma que la
clindamicina no puede unirse. Pero esa modificación no afecta a la unión de la
iboxamicina que es capaz de desplazar al nucleótido modificado para poder entrar en el centro activo.
Los autores destacan que estos resultados no podían haberse
previsto a partir del conocimiento previo de la estructura molecular del ribosoma
y de los distintos compuestos sintetizados. Se han encontrado gracias a una
investigación sistemática de la actividad de dichos compuestos. En el futuro lo
que se plantea es investigar el porqué la iboxamicina es efectiva frente a las Gram-negativas
y la clindamicina no. Las bacterias Gram-negativas tienen membrana externa y en
base al peso molecular o la hidrofobicidad, la iboxamicina no debería poder
entrar si la clindamicina no lo hace. Pero parece que no es así. Y por supuesto,
todavía hay que desarrollar numerosos ensayos en modelos animales antes de
considerar usar a la iboxamicina en ensayos clínicos con humanos y que llegue a
desarrollarse como medicamente. Pero este es el primer paso.
Texto elaborado a partir del artículo: Bacterial drug resistance overcome by synthetic restructuring of
antibiotics
domingo, 17 de octubre de 2021
Drácula y las enfermedades (el making-off de "Tisis, sífilis y vampiros")
Recientemente he publicado el artículo "Tisis, sífilis y vampiros" en la revista digital The Conversation. Como el texto no puede pasar de las 1000 palabras hubo unas cuantas cosas sobre la relación entre vampiros y enfermedades que se me quedaron en el tintero y he pensado que el blog es un buen lugar para comentarlas. Y es que probablemente el mito de los vampiros no se deba a una sola enfermedad, sino a una mezcla de síntomas de diversas enfermedades.
Porfiria
Esta es una enfermedad genética pero es obligado hablar de ella si hablas de vampiros y enfermedades. Los que sufren dicha enfermedad no pueden sintetizar correctamente la hemoglobina de la sangre. En algunas manifestaciones extremas los enfermos presentan fotosensibilidad, palidez, alergia al ajo y las encias se le retraen, lo que le da un aspecto canino al rostro. Además también sufren de hipertricosis, el pelo les crece de manera abundante por el cuerpo, por lo que la profiria también se ha asociado a la leyenda del hombre-lobo. Una forma de tratamiento es la transfusión de sangre, aunque también la ingesta de sangre o de hidago crudo puede aliviar sus síntomas. Esa fue la trama argumental de un episodio de la conocida serie CSI-Las Vegas.
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| Niño con porfiria. Muestra hiperpeigmentación, hipertricosis e hiperqueratosis en las zonas expuestas al sol. Origen de la imagen: Sharma et al. 2013. |
Rabia
Esta enfermedad vírica zoonótica podría servir para explicar tanto el origen de los vampiros como de los hombres-lobo. La transmisión del virus es por mordisco de una persona infectada. Algunas manifestaciones de la rabia son el insomnio, la fotofobia y espasmos de los músculos faciales que retraen los labios y hacen que los dientes sean más visibles. También se producen heridas en la boca y eso provoca que expulsen saliva y sangre. Los afectados son muy sensibles a estímulos sonoros y visuales, y en algunos casos está descrito que no podían ni mirarse a un espejo. Además, los murciélagos son vectores de la rabia. Recientemente se ha descrito el caso de una persona que ha muerto de rabia tras haber sido mordido en el cuello por un murciélago que portaba el virus.
Charlotte Blake, la madre de Bram Stoker, había vivido de niña el brote de cólera que afectó a la ciudad irlandesa de Sligo en 1830. escribió unas memorias tituladas "Experiences of the Cholera in Ireland". Al parecer dichas memorias inspiraron a Stoker a escribir su relato “El gigante invisible” sobre una epidemia que azota a una ciudad. En la novela "Drácula", el barco Demeter transporta al vampiro desde Europa del Este a Londres y sus tripulantes van desapareciendo de uno en uno. En el siglo XIX los brotes de cólera no eran tan raros en las ciudades europeas y la enfermedad se expandía gracias al comercio marítimo. La peste es otra enfermedad que se extendía gracias a los navíos, pero en este caso los vectores eran las ratas y sus pulgas. En la película "Nosferatu" del director F.W. Murnau las ratas tienen un papel protagonista en la trama.
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| Fotogramas de la película Nosferatu de Murnau en la que vemos a las ratas saliendo del ataúd del conde Orlok y abandonando el barco una vez ha llegado a su destino |
Y hasta aquí las enfermedades reales asociadas al mito de los vampiros. En otra ocasión podemos hablar de las enfermedades imaginarias como la bacteria Bacillus vampiris de la novela "Soy Leyenda", o de los virus vampirizantes que aparecen en las películas "Blade" y "Daybreakers".
viernes, 15 de octubre de 2021
Tisis, sífilis y vampiros
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| Póster de la película realizada por Francis Ford Coppola (origen de la imagen) |
17 agosto: No comprendo cómo Lucy se está apagando como lo hace. Come bien y duerme bien, y goza del aire fresco; pero todo el tiempo las rosas en sus mejillas están marchitándose y día a día se vuelve más débil y más lánguida; por las noches la escucho boqueando como si le faltara el aire.
25 de agosto: Mi rostro está sumamente pálido, y me duele la garganta. Algo debe andar mal en mis pulmones, pues me parece que nunca aspiro suficiente aire.
Drácula, Bram Stoker
En el siglo XIX, la tuberculosis, tisis o consunción era vista como una enfermedad elegante, ya que quien la padecía moría de manera beatífica, casi sin síntomas y joven. Durante su convalecencia, la propia Charlotte Brontë escribió: “Soy consciente de que la consunción es una enfermedad halagadora”. Alejandro Dumas, con su Margarita Gautier de La Dama de las camelias, y Giussepe Verdi, con su Violetta Valéry de La Traviata, establecieron el canon de la dulce enferma de tisis que se va consumiendo de manera lenta y lánguida. Y por los párrafos presentados al inicio podemos comprobar que el personaje de Lucy Westenra, con su pálida tez, su dificultad respiratoria y un hilillo de sangre en los labios, sería uno más de la larga lista de tuberculosos de la ficción… si no fuera porque la causa de su mal era la mordedura de un vampiro.
Para seguir leyendo encontrarás el artículo completo en The Conversation.
jueves, 22 de julio de 2021
Volando libres. El fabuloso viaje aéreo de los microbios.
Este fue el título de la charla que impartí recientemente en compañía del profesor José Antonio García Orza, del Área de Física Aplicada de la UMH dentro de las actividades de divulgación del IDiBE. La charla está disponible en YouTube.
Aquí tenéis una reseña de dicho evento.
jueves, 6 de mayo de 2021
Mis dudas sobre la bioética del ensayo clínico CombiVacS
Reconozco que no soy un especialista en bioética. La poca que sé es porque me he leído algún que otro artículo para poder preparar mi clase sobre los ensayos clínicos que imparto a mis alumnos de Microbiología Industrial en 2º curso de Biotecnología. Siempre les insisto que en los ensayos clínicos se hacen experimentos con seres humanos y que por lo tanto es un proceso muy regulado. Incluso les pongo una diapositiva en la que les muestro la imagen que encabeza esta entrada y que resume los aspectos fundamentales del Real Decreto 1090/2015.
Entrada publicada originalmente en el blog Microbichitos. Para seguir leyendo clickea aquí.
lunes, 3 de mayo de 2021
Garrapatas, cerdos y trasplantes
¿Ha tenido alguna vez una avería en su coche en la que le hayan tenido que cambiar una pieza del motor? Aparte del gasto monetario, la otra preocupación que uno puede tener es que no le hayan puesto un recambio de segunda mano. Normalmente los talleres ponen piezas originales y el coche vuelve a funcionar una vez más. A veces se comparan los trasplantes de órganos con llevarnos al taller para que nos recambien la pieza defectuosa. Sin embargo, a diferencia del ejemplo mecánico, en los seres humanos sí que se utilizan «piezas de segunda mano», ya que se requiere un donante de órganos para el trasplante.
Entrada publicada en la revista Ars Creatio. Para continuar leyendo haz click aquí.
miércoles, 24 de marzo de 2021
Los debates científicos y su reflejo en los medios de comunicación
Recreación del famoso debate de Oxford entre el obispo Wilberforce y Thomas Huxley sobre la teoría de la evolución de Charles Darwin
El debate es inherente a la actividad científica, aunque la mayor parte de las veces los debates sobre cuestiones científicas no trascienden al gran público. Cuando eso sucede es porque afecta de alguna manera significativa a las posturas de algún debate social importante. En este trabajo se exponen tres ejemplos de debates científicos que percolaron en la sociedad. El primero es el debate sobre evolución biológica que inicialmente fue visto como una polémica académica más y pasado el tiempo se convirtió en un episodio de los más significativos del debate entre ciencia y religión. El segundo, sobre la seguridad de las vacunas, surgió a raíz de un estudio científico fraudulento que inicialmente fue muy aireado por la prensa sensacionalista. Finalmente, en el tercer ejemplo sobre el uso de las mascarillas como prevención durante la actual pandemia del COVID-19, veremos el papel de las redes sociales y de la divulgación científica en concienciar a la población en las buenas prácticas de salud pública e higiene.
domingo, 14 de marzo de 2021
Epidemias al estilo Hollywood. Un pequeño catálogo
Las epidemias causadas por microorganismos infecciosos han sido una constante fuente de inspiración para el cine comercial. Muchas películas sobre dicho tópico son bastante famosas y conocidas por el gran público, por lo que pueden ser unas buenas herramientas para explicar diversos conceptos epidemiológicos, inmunológicos y microbiológicos a los estudiantes de carreras biosanitarias. En este trabajo se han recopilado varias de ellas y se han comentado las secuencias más adecuadas para los fines docentes. Aunque una gran parte de las películas de temática epidemiológica suelen recrear situaciones poco plausibles y con escaso rigor científico, no por ello dejan de tener utilidad en su uso como herramientas docentes.
Publicado en la Revista de Medicina y Cine. Para seguir leyendo clickea aquí.
sábado, 24 de octubre de 2020
¿Cuándo nació la biotecnología moderna?
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| Biotecnología clásica (arriba) y Biotecnología moderna (abajo). Imagen elaborada a partir de imágenes de la Wikipedia (agricultura en el Antiguo Egipto y elaboración de la cerveza) y de EducaMadrid (los diferentes tipos de biotecnología) |
La biotecnología podría definirse como el uso y mejora de los seres vivos por su interés económico y/o industrial. Atendiendo a esa definición, los seres humanos comenzamos a practicar la biotecnología desde el primer momento en que comenzamos a domesticar a un animal o a una planta para nuestro beneficio, hace ya unos cuantos milenios. Sin embargo, a cualquier persona de la calle, el término «biotecnología» probablemente le sonará más a manipulación genética de los seres vivos con el objetivo de producir nuevos medicamentos, alimentos o materiales. Por eso, en los libros y artículos especializados se suele hacer la distinción entre «biotecnología clásica», en la cual se manipula a los seres vivos mediante el cruce y la selección, y la «biotecnología moderna», en la cual la manipulación es por ingeniería genética.
Publicado en la resvista Ars Creatio. Para seguir leyendo cliquea aquí.
Publicado en la resvista Ars Creatio. Para seguir leyendo cliquea aquí.
viernes, 17 de abril de 2020
Coronavirus, un pirata de la célula
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El coronavirus SARS-Cov2, causante de la enfermedad COVID-19
(origen de la imagen: NIAID Integrated Research Facility (IRF) in Fort Detrick, Maryland. Wikipedia)
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Reconozco que me ha costado mucho escribir este artículo. Las razones son varias. Mientras escribo esto, el ministro de Sanidad acaba de dar las últimas cifras oficiales de fallecidos por la COVID-19: 18.056 muertos. Es una cantidad escalofriante, pero mucho más escalofriante es pensar que quizás sea el doble si consideramos que sólo se contabilizan aquéllos que han fallecido con un diagnóstico claro de infección por coronavirus. Al menos, eso es lo que se desprende de la lectura de los informes MoMo del Instituto de Salud Carlos III. Cuando pase todo esto, habrá que examinar con detalle qué es lo que ha pasado, quiénes son los responsables de este desastre y cómo se puede evitar que pase otra vez. Pero ahora no es el momento.
Si quieres leer más, el resto del artículo está aquí.
Si quieres leer más, el resto del artículo está aquí.
lunes, 6 de enero de 2020
Combatir el fuego con el fuego
Si conoce a alguien que no se crea la teoría de la Evolución por Selección Natural de Darwin lo mejor que puede hacer es enseñarle el vídeo de arriba. Muestra como una bacteria como Escherichia coli es capaz de volverse resistente a un antibiótico en tan solo 11 días. En todas las poblaciones siempre hay mutantes. Y si hay una presión de selección en el medio ambiente, los que van a sobrevivir son aquellos que puedan aguantar esa presión. Y si sobrevives te reproduces, así que al final toda la población se vuelve resistente. Si se incrementa la concentración de antibiótico, el proceso puede volver a repetirse y volvemos a acabar con una población resistente.
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| Proceso que explica la aparición de resistentes que se ve en el vídeo del principio |
No es la única forma de evolucionar que tienen las bacterias. En palabras de Ignacio Lopez-Goñi, las bacterias no tienen sexo, pero son muy promiscuas. Los fenómenos de transferencia horizontal (la transformación, la transducción y la conjugación) permiten que las bacterias puedan integrar información genética de otras bacterias. Si esa información genética codifica para un mecanismo de resistencia a los antibióticos, entonces se vuelven resistentes en un solo paso.
Bueno, pues esto es un problema para nosotros, porque estamos compitiendo contra la Selección Natural cuando queremos desarrollar nuevos antibióticos frente a las bacterias patógenas. Es una auténtica carrera de armamentos evolutiva: los humanos desarrollan un antibiótico frente al cual se desarrolla una resistencia, frente a la cual desarrollamos un nuevo antibiótico, frente al cual... etc. Y en este tipo de carrera parece que por ahora vamos perdiendo. ¿Se puede hacer algo para evitar quedarnos sin antibióticos?
Por ahora se han intentado diversos abordajes para intentar paliar dicha situación. Por ejemplo, buscar antibióticos para los cuales sea difícil que aparezca una resistencia. Predecir nuevos blancos moleculares y utilizar el llamado diseño racional de antibióticos. Sin embargo, los éxitos no han sido tantos como se esperaban. Así que todavía nos seguimos estrujando la cabeza para encontrar una solución al problema.
Kristofer Wollein Waldetoft, James Gurney, Joseph Lachance, Paul A. Hoskisson y Sam P. Brown proponen un nuevo abordaje: utilizar el propio proceso de la evolución bacteriana para generar nuevos antibióticos frente a las resistencias a los antibióticos. Para realizarlo proponen un nuevo procedimiento expetimental: el productor del antibiótico debe de competir por los recursos contra la bacteria objetivo en un medio estructurado. En la figura de abajo, el productor es de color y la bacteria objetivo es siempre de color negro. Teóricamente, si se consigue un mutante productor de un compuesto que mate a la bacteria negra, tendrá una ventaja selectiva. Si aparecen mutantes que sean mejores "asesinos" lo que debe pasar es que la densidad de la bacteria negra debe de disminuir en el tiempo. El sistema se debe de poder ajustar para tener mayores niveles de resistencia y así encontrar mejores productores de antibióticos.
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| Propuesta de diseño experimental para hacer evolucionar a productores de nuevos antibióticos. Más detalles en el texto. Origen de la imagen: Waldetoft et al. |
Los autores proponen un procedimiento y a su vez realizan una previsión de futuros problemas. En primer lugar se necesita usar un microoganisms cultivable y con un genoma que pueda dar lugar a una variación genotípica y fenotípica relevante. Proponen usar sobre todo a miembros de las Actinobacterias, ya que hay precedentes de evolución de producción antibiótica en ese grupo y porque su genoma está lleno de clusters genómicos que codifican para posibles sustancias antimicrobianas. En segundo lugar, el microorganismo objetivo debe de tener un mecanismo de resistencia relevante y debe de interactuar antagónicamente con el productor. Las observaciones podrían verse favorecidas si ese microorganismo pudiese ser marcado con fluorescencia y si tuviese una temperatura máxima de crecimiento inferior a la del microorganismo productor. En tercer lugar se debe de utilizar un medio que permita las interacciones antagónicas entre el productor y el objetivo y que además no permita una fácil difusión de las células. Esto último podría permitir la evolución de la producción de "antibióticos por el bien común" entre diferentes agrupamientos celulares. Además, el soporte material del medio debería licuarse a una temperatura inferior a la temperatura máxima del microorganismo productor y solidificar por debajo de la temperatura del organismo objetivo.
¿Cómo funcionaría el sistema? En cuatro etapas.
1.- Se permitiría que el microorganismo productor se adaptara al medio y las condiciones de crecimiento sin la presencia del microorganismo objetivo
2.- Cocultivar al productor y al microorganismo objetivo. Medir la fluorescencia para determinar el nivel de inhibición en el crecimiento de este último
3.- Calentar o licuar el medio para matar a la bacteria objetivo pero no al productor. Agitar para romper los agrupamientos celulares y así mezclar la población de productores. Una alícuota conteniendo suficientes células del productor se debe de transferir para cocultivar con nueva bacteria objetivo. Se inicia así una nueva ronda de selección y se vuelve a medir de nuevo la fluorescencia.
4.- Si la disminución de fluorescencia es mayor que en la anterior etapa, analizar la población productora para encontrar qué es lo que ha producido esa mayor mortalidad (ejemplo: hiperproducción de una sustancia, nueva sustancia producida, etc.)
Sobre el papel pinta bien, pero pueden encontrarse con diversos problemas. Por ejemplo, que el microorganismo productor no se adapte bien al medio. O que aunque se produzca un antibiótico, se haga en condiciones subóptimas y no pueda ser detectado. O que los diferentes "mutantes" del productor compitan entre sí, antes de que compitan con el microorganismo objetivo. En total hacen referencia a una docena de posibles problemas. Pero algo me dice que más de un grupo de investigación se ha puesto a trabajar y pensar en como llevar a cabo ese diseño experimental o uno parecido. Ya veremos.
domingo, 8 de diciembre de 2019
Una simple decisión
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| Comportamiento de Stentor roeseli cuando se le incordia. Más detalles en el texto. Origen de la imagen: Phys.org |
Cuando estudiaba la carrera de Biología decíamos que había dos tipos de biólogos: los de bata y los de bota. Ahora hay un tercer tipo: los de data. Y la historia que traigo trata sobre cómo un biólogo de data se tuvo que poner la bata para resolver un problema de un biólogo de bota.
En el año 1906 el zoólogo norteamericano Herbert Spencer Jennings realizó un experimento con el protozoo Stentor roeseli para ver cómo reaccionaba frente a un estímulo molesto. S. roeseli es un protozoo sésil, con forma de trompeta. En la parte estrecha tiene un pedúnculo de fijación, mientras que la parte ancha es la citoboca rodeada de cilios. Dichos cilios crean una corriente y así va atrapando bacterias u otros protozoos de los que se alimenta. El experimento de Jennings consistió en "incordiar" al pobre protozoo añadiendo partículas de carmín al agua con una micropipeta y observar lo que ocurría. Las partículas de carmín eran indigeribles, así que lo que hacía el protozoo era simplemente doblarse para alejarse de ellas. Si se continuaba añadiendo partículas lo que hacía S. roeseli era cambiar el sentido de rotación de los cilios de la citoboca para "escupir" las partículas y evitar ingerirlas. Pero si el estímulo molesto continuaba, entonces a S. roeseli se le "acababa la paciencia": primero se contraía y posteriormente se despegaba del sustrato al que estaba fijado y se iba nadando a otro sitio (ver la imagen superior).
El experimento de Jennigns mostraba que un organismo unicelular era capaz de realizar una escalada o jerarquía de comportamientos. Algo totalmente inesperado ya que se pensaba que eso solo podía ser realizado por organismos pluricelulares. Evidentemente, se trató de reproducir sus observaciones, pero no con mucho éxito. En 1967, se publicó un artículo que concluyó que todo debía de haber sido un artefacto, ya que lo que se observaba era que el protozoo se iba nadando en cuanto se añadía el estímulo molesto. No había una jerarquía de comportamientos.
La observación de Jennings habría quedado como una curiosidad para los historiadores de la Biología si no llega a ser por Jeremy Gunawardena, un biólogo de sistemas de la Harvard Medical School. Gunawardena oyó hablar de los experimentos de Jennings en un seminario del biólogo inglés Dennis Bray sobre el comportamiento de los protozoos. Se mostró sorprendido y fascinado por el hecho de que un ser unicelular tuviera ese nivel de autonomía. Así que se puso a revisar los trabajos de Jennings y de todos aquellos que habían intentado reproducirlo. Y se encontró con una sorpresa. El estudio de 1967 que refutaba a Jennings había sido realizado con el protozoo Stentor coeruleus. ¡Una especie distinta! No solo eso, S. coeruleus es una especie que prefiere nadar a permanecer fija en un sustrato, justo lo contrario a S. roeseli
Gunawardena se dispuso a intentar reproducir los experimentos de Jennings pero usando la especie correcta. Y aquí tuvo una pequeña dificultad. Su formación era matemática y su trabajo era sobre el procesamiento de datos moleculares dentro de un laboratorio de la facultad de Medicina. Así que cuando expuso su idea en los seminarios de grupo nadie se interesó en asuntos sobre "historia antigua y biología descriptiva". Afortunadamente, Sudhakaran Prabakaran, un postdoc colega suyo y el estudiante Joseph Dexter se interesaron con la idea y cuando terminaban su trabajo en los ordenadores, se ponían las batas para ver protozoos al microscopio. Diez años después han publicado sus resultados y han encontrado cosas muy interesantes.
Todos los comportamientos observados por Jennings para S. roeseli eran reproducibles, pero había gran variabilidad. Algunas células realizaban las cuatro fases: doblarse, "escupir", contraerse y soltarse. Pero otras simplemente se contraían y se soltaban. Y aquí es donde los tres volvieron a ser biólogos de datos. Al analizar los resultados de 57 experimentos encontraron que la mayor parte de las veces S. roeseli se doblaba o "escupía". Después se contraía y entonces debía decidir si permanecía fija o se soltaba y nadaba. Una vez se contraía, había un 50% de probabilidades de que S. roeseli permaneciera fija o se fuera nadando. El protozoo estaba "lanzando una moneda al aire". Según Gunawardena esta impredicibilidad es una ventaja que permite a estos protozoos distinguir entre lo que hay que evitar o lo que hay que comer.
Este sería uno de los sistemas biológicos más simples con capacidad de "tomar una decisión" (No es el sistema más simple porque creo que ese honor le corresponde al fago lambda y su decisión entre lisis y lisogenia) Según los autores este resultado puede tener diversas consecuencias en otros campos de la biología celular ya que muestra que las células no solo cumplen un "programa" genético, sino que también tienen una cierta autonomía y pueden tomar decisiones después de procesar la información de su entorno. Y además también muestra que a veces se pueden hacer grandes avances haciendo observaciones al viejo estilo, pero analizándolas con las técnicas modernas.
En el año 1906 el zoólogo norteamericano Herbert Spencer Jennings realizó un experimento con el protozoo Stentor roeseli para ver cómo reaccionaba frente a un estímulo molesto. S. roeseli es un protozoo sésil, con forma de trompeta. En la parte estrecha tiene un pedúnculo de fijación, mientras que la parte ancha es la citoboca rodeada de cilios. Dichos cilios crean una corriente y así va atrapando bacterias u otros protozoos de los que se alimenta. El experimento de Jennings consistió en "incordiar" al pobre protozoo añadiendo partículas de carmín al agua con una micropipeta y observar lo que ocurría. Las partículas de carmín eran indigeribles, así que lo que hacía el protozoo era simplemente doblarse para alejarse de ellas. Si se continuaba añadiendo partículas lo que hacía S. roeseli era cambiar el sentido de rotación de los cilios de la citoboca para "escupir" las partículas y evitar ingerirlas. Pero si el estímulo molesto continuaba, entonces a S. roeseli se le "acababa la paciencia": primero se contraía y posteriormente se despegaba del sustrato al que estaba fijado y se iba nadando a otro sitio (ver la imagen superior).
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| Stentor roeseli. Fuente de la imagen: Wikipedia |
El experimento de Jennigns mostraba que un organismo unicelular era capaz de realizar una escalada o jerarquía de comportamientos. Algo totalmente inesperado ya que se pensaba que eso solo podía ser realizado por organismos pluricelulares. Evidentemente, se trató de reproducir sus observaciones, pero no con mucho éxito. En 1967, se publicó un artículo que concluyó que todo debía de haber sido un artefacto, ya que lo que se observaba era que el protozoo se iba nadando en cuanto se añadía el estímulo molesto. No había una jerarquía de comportamientos.
La observación de Jennings habría quedado como una curiosidad para los historiadores de la Biología si no llega a ser por Jeremy Gunawardena, un biólogo de sistemas de la Harvard Medical School. Gunawardena oyó hablar de los experimentos de Jennings en un seminario del biólogo inglés Dennis Bray sobre el comportamiento de los protozoos. Se mostró sorprendido y fascinado por el hecho de que un ser unicelular tuviera ese nivel de autonomía. Así que se puso a revisar los trabajos de Jennings y de todos aquellos que habían intentado reproducirlo. Y se encontró con una sorpresa. El estudio de 1967 que refutaba a Jennings había sido realizado con el protozoo Stentor coeruleus. ¡Una especie distinta! No solo eso, S. coeruleus es una especie que prefiere nadar a permanecer fija en un sustrato, justo lo contrario a S. roeseli
Gunawardena se dispuso a intentar reproducir los experimentos de Jennings pero usando la especie correcta. Y aquí tuvo una pequeña dificultad. Su formación era matemática y su trabajo era sobre el procesamiento de datos moleculares dentro de un laboratorio de la facultad de Medicina. Así que cuando expuso su idea en los seminarios de grupo nadie se interesó en asuntos sobre "historia antigua y biología descriptiva". Afortunadamente, Sudhakaran Prabakaran, un postdoc colega suyo y el estudiante Joseph Dexter se interesaron con la idea y cuando terminaban su trabajo en los ordenadores, se ponían las batas para ver protozoos al microscopio. Diez años después han publicado sus resultados y han encontrado cosas muy interesantes.
Todos los comportamientos observados por Jennings para S. roeseli eran reproducibles, pero había gran variabilidad. Algunas células realizaban las cuatro fases: doblarse, "escupir", contraerse y soltarse. Pero otras simplemente se contraían y se soltaban. Y aquí es donde los tres volvieron a ser biólogos de datos. Al analizar los resultados de 57 experimentos encontraron que la mayor parte de las veces S. roeseli se doblaba o "escupía". Después se contraía y entonces debía decidir si permanecía fija o se soltaba y nadaba. Una vez se contraía, había un 50% de probabilidades de que S. roeseli permaneciera fija o se fuera nadando. El protozoo estaba "lanzando una moneda al aire". Según Gunawardena esta impredicibilidad es una ventaja que permite a estos protozoos distinguir entre lo que hay que evitar o lo que hay que comer.
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| Jerarquía de comportamientos de S. roeseli. A la izquierda se presenta en estado de reposo. Puede observarse a la derecha de cada fotografía la boca de la pipeta por donde se añade el agente irritante. El estado de "doblar y escupir" no se observa en todas las ocasiones. En el estado de "contracción" la célula debe de tomar la decisión de si continua en el sitio o se despega y nada. La flecha negra indica que esa decisión es irreversible. Figura realizada a partir del vídeo suplementario del artículo de J.P. Dexter, S. Prabakaran y J. Gunawardena. |
Este sería uno de los sistemas biológicos más simples con capacidad de "tomar una decisión" (No es el sistema más simple porque creo que ese honor le corresponde al fago lambda y su decisión entre lisis y lisogenia) Según los autores este resultado puede tener diversas consecuencias en otros campos de la biología celular ya que muestra que las células no solo cumplen un "programa" genético, sino que también tienen una cierta autonomía y pueden tomar decisiones después de procesar la información de su entorno. Y además también muestra que a veces se pueden hacer grandes avances haciendo observaciones al viejo estilo, pero analizándolas con las técnicas modernas.
domingo, 17 de noviembre de 2019
¿Comeremos metano en el futuro?
Si es un fan de la Ciencia-Ficción seguro que conoce la película "Soylent Green" (aquí se tituló "Cuando el destino nos alcance"). Si no lo es, le recomiendo que la vea si tiene ocasión. En el año 2022 el mundo estará superpoblado y nos alimentaremos a base de unas galletitas nutritivas que producirá la compañía "Soylent". Esas galletitas están hechas a base de microorganismos y sazonadas con un ingrediente especial.
La película está inspirada en una novela escrita en 1966 en la que se describe ese mundo superpoblado. Cuando la MGM compró los derechos le dio carta blanca al guionista Stanley R. Greenberg para crear una distopía completamente distinta y mucho más desasosegante. En los años 70 del pasado siglo una de los temas recurrentes era la respuesta a la pregunta ¿Cómo vamos a alimentar a tanta gente? Y una de las respuestas era la producción de proteína unicelular o SCP (por Single Cell Protein). O en otras palabras: comer microbios. La idea no es tan extraña como puede parecer a primera vista. De hecho, ya comemos microbios cuando nos tomamos un yogur. La pequeña diferencia reside en que en lugar de usar leche para crecer microbios, lo que se pensaba usar era petróleo o alguno de sus productos derivados.
La británica ICI (Imperial Chemical Industries) fue la primera compañía en poner en práctica dicha idea. El microorganismos utilizado fue la bacteria Methylophilus methylotropha, y la fuente de carbono sería el metanol producido como subproducto en las refinerías de pteróleo. Se diseñó el fermentador más grande del mundo para la producción a gran escala. Era un fermentador de vaina hundida con un volumen de trabajo de 1.000 m3 (1.000.000 de litros). El producto fue bautizado como Pruteen y tenía una composición nutricional muy buena (más de un 70% del peso seco era proteína). Sin embargo, cuando se consiguió establecer la producción en el año 1980, no pudo competir económicamente con la soja. La tonelada de Pruteen costaba 600 dólares, mientras que la soja costaba como máximo 190 dólares. Así que la fábrica quebró y fue demolida en 1988.
Pero la idea de la SCP no ha muerto, solo se ha transformado. Hay un par de compañías que han puesto a punto plantas piloto para producir SCP a partir de metano, otro subproducto de la producción del petróleo. Cada año se queman 140.000 millones de metros cúbicos de metano en esas instalaciones (un 30% del consumo de gas natural de la Unión Europea). Así que la idea es utilizar ese metano para dar de comer a la bacteria metanotrofa Methylococcus capsulatus. Luego lo que hay que hacer es procesar a la bacteria y convertirla en pienso para el ganado o para peces. Como he apuntado antes hay dos compañías que están desarrollando la idea. Una es la norteamericana Calysta, y la otra la compañía danesa Unibio. Esta última parece que ha conseguido financiación para pasar de planta piloto a planta industrial. La primera factoría parece que se va a establecer en Rusia, pero tienen planes de poner otra en los Estados Unidos.
La compañía Unibio utiliza un fermentador en bucle impulsado por inyección de gas conocido en inglés como U-loop Fermenter (parece que Calysta también usa un biorreactor parecido, pero en su web no dan detalles de ello). El U-loop Fermentor tiene un diseño ingenieril peculiar (ver la figura de abajo). El fermentador está enterrado, pues de esa forma las paredes pueden aguantar la presión interna debida a la inyección de gas natural y de oxígeno. En el fermentador además hay que inyectar sales minerales y una fuente de nitrógeno (puede ser amonio gaseoso) (5). Es un cultivo en crecimiento continuo que debe mantenerse a 45ºC de temperatura gracias a un intercambiador de calor (7). En un cultivo continuo está entrando un flujo constante de nutrientes (5) y por otro lado se está retirando el mismo volumen de cultivo con biomasa bacteriana (2). La parte superior del fermentador es un depósito de gran volumen que está parcialmente lleno para actuar como cámara de desgasificación (1) que permite que el CO2 producido pueda ser liberado (3). En esa cámara está también la salida del medio conteniendo microorganismos (2). La impulsión del fluido no solo es por la inyección del gas, también tiene incorporado una bomba que impulsa el fluido hacia la cámara de desgasificación (el punto 4 es el motor y el punto 6 es la turbina de impulsión). Adicionalmente, tiene una serie de deflectores internos en espiral que permiten la correcta mezcla de las fases gaseosas, los nutrientes adicionales y las bacterias (8). El tamaño del fermentador de la planta piloto es de 50 m3 y puede llegar a producir 4 kilogramos de biomasa por metro cúbico y por hora.
El cultivo con la biomasa bacteriana se centrifuga para concentrar las células y posteriormente se las somete a un proceso de ruptura. El extracto pasa a una unidad de secado por espray de aire caliente. De esa forma se consiguen gránulos de proteína unicelular con un contenido de un 72,9% de proteína. La compañía ha bautizado a este producto con el nombre de UniProtein.
Como he indicado antes, el Uniprotein es para piensos, pero quién sabe. Quizás en un futuro vendan galletitas con el nombre de Unisoylent.
La película está inspirada en una novela escrita en 1966 en la que se describe ese mundo superpoblado. Cuando la MGM compró los derechos le dio carta blanca al guionista Stanley R. Greenberg para crear una distopía completamente distinta y mucho más desasosegante. En los años 70 del pasado siglo una de los temas recurrentes era la respuesta a la pregunta ¿Cómo vamos a alimentar a tanta gente? Y una de las respuestas era la producción de proteína unicelular o SCP (por Single Cell Protein). O en otras palabras: comer microbios. La idea no es tan extraña como puede parecer a primera vista. De hecho, ya comemos microbios cuando nos tomamos un yogur. La pequeña diferencia reside en que en lugar de usar leche para crecer microbios, lo que se pensaba usar era petróleo o alguno de sus productos derivados.
La británica ICI (Imperial Chemical Industries) fue la primera compañía en poner en práctica dicha idea. El microorganismos utilizado fue la bacteria Methylophilus methylotropha, y la fuente de carbono sería el metanol producido como subproducto en las refinerías de pteróleo. Se diseñó el fermentador más grande del mundo para la producción a gran escala. Era un fermentador de vaina hundida con un volumen de trabajo de 1.000 m3 (1.000.000 de litros). El producto fue bautizado como Pruteen y tenía una composición nutricional muy buena (más de un 70% del peso seco era proteína). Sin embargo, cuando se consiguió establecer la producción en el año 1980, no pudo competir económicamente con la soja. La tonelada de Pruteen costaba 600 dólares, mientras que la soja costaba como máximo 190 dólares. Así que la fábrica quebró y fue demolida en 1988.
Pero la idea de la SCP no ha muerto, solo se ha transformado. Hay un par de compañías que han puesto a punto plantas piloto para producir SCP a partir de metano, otro subproducto de la producción del petróleo. Cada año se queman 140.000 millones de metros cúbicos de metano en esas instalaciones (un 30% del consumo de gas natural de la Unión Europea). Así que la idea es utilizar ese metano para dar de comer a la bacteria metanotrofa Methylococcus capsulatus. Luego lo que hay que hacer es procesar a la bacteria y convertirla en pienso para el ganado o para peces. Como he apuntado antes hay dos compañías que están desarrollando la idea. Una es la norteamericana Calysta, y la otra la compañía danesa Unibio. Esta última parece que ha conseguido financiación para pasar de planta piloto a planta industrial. La primera factoría parece que se va a establecer en Rusia, pero tienen planes de poner otra en los Estados Unidos.
La compañía Unibio utiliza un fermentador en bucle impulsado por inyección de gas conocido en inglés como U-loop Fermenter (parece que Calysta también usa un biorreactor parecido, pero en su web no dan detalles de ello). El U-loop Fermentor tiene un diseño ingenieril peculiar (ver la figura de abajo). El fermentador está enterrado, pues de esa forma las paredes pueden aguantar la presión interna debida a la inyección de gas natural y de oxígeno. En el fermentador además hay que inyectar sales minerales y una fuente de nitrógeno (puede ser amonio gaseoso) (5). Es un cultivo en crecimiento continuo que debe mantenerse a 45ºC de temperatura gracias a un intercambiador de calor (7). En un cultivo continuo está entrando un flujo constante de nutrientes (5) y por otro lado se está retirando el mismo volumen de cultivo con biomasa bacteriana (2). La parte superior del fermentador es un depósito de gran volumen que está parcialmente lleno para actuar como cámara de desgasificación (1) que permite que el CO2 producido pueda ser liberado (3). En esa cámara está también la salida del medio conteniendo microorganismos (2). La impulsión del fluido no solo es por la inyección del gas, también tiene incorporado una bomba que impulsa el fluido hacia la cámara de desgasificación (el punto 4 es el motor y el punto 6 es la turbina de impulsión). Adicionalmente, tiene una serie de deflectores internos en espiral que permiten la correcta mezcla de las fases gaseosas, los nutrientes adicionales y las bacterias (8). El tamaño del fermentador de la planta piloto es de 50 m3 y puede llegar a producir 4 kilogramos de biomasa por metro cúbico y por hora.
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| Esquema del U-loop Fermenter de la compañía Unibio. La explicación del funcionamiento está en el texto |
El cultivo con la biomasa bacteriana se centrifuga para concentrar las células y posteriormente se las somete a un proceso de ruptura. El extracto pasa a una unidad de secado por espray de aire caliente. De esa forma se consiguen gránulos de proteína unicelular con un contenido de un 72,9% de proteína. La compañía ha bautizado a este producto con el nombre de UniProtein.
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| El aspecto final del producto UniProtein. Fuente de la imagen: Unibio |
Como he indicado antes, el Uniprotein es para piensos, pero quién sabe. Quizás en un futuro vendan galletitas con el nombre de Unisoylent.
domingo, 3 de noviembre de 2019
Domesticando microbios
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| Las consecuencias de la domesticación. Origen de la imagen: Finofilipino. |
Hace unos 15.000 años los humanos comenzamos a domesticar a una especie de lobo gris (Canis lupus) y la transformamos en perro (Canis familiaris). Es muy probable que hace 23.000 años comenzáramos la proto-domesticación de algunas plantas. La transformación de una especie silvestre en una especie domesticada es algo relativamente sencillo. Lo único que tienes que hacer es controlar la reproducción y escoger las características que más te interesa que se perpetúen en la especie que vayas a domesticar. Si esas características son heredables poco a poco se irán fijando en la población domesticada. Al mismo tiempo, la población silvestre irá disminuyendo. La fijación de las características heredables parece que es mucho más rápida cuando se trata de domesticar animales que en las plantas. Es probable que sea porque el "aislamiento genético" necesario para la especiación es más fácil de conseguir con un animal que con una planta. En 1958 el biólogo ruso Dmitri Beliáyev realizó el llamado "experimento de domesticación del zorro". Lo que hizo fue tomar una población de zorros (Vulpes vulpes) y seleccionó para su cría a aquellos zorros que mostraban más miedo hacia los humanos. Luego volvía repetir la selección con los descendientes. Solo dejaba reproducirse a un 10% de cada generación creando lo que se conoce como "cuello de botella" genético. En la cuarta generación los zorros ya meneaban la cola al ver a un humano. En la sexta generación ya había cachorros que gemían de alegría al ver a un humano y se acercaban a lamer las manos a la manera de un perro doméstico. A lo largo del experimento, que aún continua, 10.500 zorros han sido usados como progenitores y 50.000 cachorros han sido examinados por su carácter domesticable. Los cambios genéticos observados afectan sobre todo a la reducción de los niveles de hormonas como la adrenalina y el cortisol (Actualización. Recientemente este experimento ha sido puesto en entredicho. Más información en este enlace).
Pues bien, los humanos hicimos algo parecido con los microbios, aunque no fuéramos conscientes de ello. Hace unos 15.000 años, en una zona de Oriente Medio (ver mapa) apareció la cultura preneolítica conocida como Natufiense. Hay evidencias que muestran que dicha cultura ya elaboraba pan hace 14.400 años. Ese pan era elaborado a partir de un triturado de diversas gramíneas junto con otros vegetales. Luego ese harina se mezclaba con agua y se elaboraba una masa con la que hacían una especie de tortas que calentaban en un fuego. Desconocemos si en la elaboración de ese pan se dejaba fermentar la masa antes de ser cocida pero, 1000 años después, alguien de la misma cultura que habitaba la cueva israelí de Raqefet, ya había aprendido a germinar los granos de cereal para después tostarlos, molerlos, mezclarlos con agua y dejarlos fermentar. Es decir, alguien había comenzado a elaborar cerveza siendo la primera prueba arqueológica de la domesticación de los microbios.
Nuestros antepasados eran antiguos pero no tontos. Si elaboraban cerveza eso implica que conocían que el proceso de fermentación era reproducible. Así que no es difícil imaginar que si les salía una partida de cerveza con un sabor mejor que el de otra partida de cerveza, seguramente utilizarían la primera como inóculo de las siguientes fermentaciones. Pero aquí hay una diferencia con respecto a las plantas o los animales. No podían aislar a un solo microorganismo, lo que aislaban era a un conjunto de ellos. Sin embargo, consiguieron crear un "cuello de botella" ya que lo que seleccionaron eran comunidades microbianas que crecían de manera óptima en el caldo de cultivo consistente en el cereal malteado y cocido en agua. En esas condiciones los microbios que más prosperan son las levaduras, ya que son capaces de crecer en medios con altas concentraciones de azúcar, con poco oxígeno y con presencia de alcohol. Seguramente, los antiguos debieron notar que algunas cervezas les ponían más "contentos" que otras, porque la resistencia al alcohol parece que es uno de los caracteres que fue seleccionado durante este proceso de domesticación.
En el año 2016 el grupo de Kevin J. Verstrepen realizó el primer análisis filogenético de cepas domesticadas de Saccharomyces cerevisiae. Su análisis se vio complementado en el año 2018 por el grupo de Feng Yan Bai, que analizó 106 cepas silvestres y 166 cepas industriales. En ese análisis concluyó que el ancestro común de todas las cepas de S. cerevisiae proviene del Lejano Oriente. En una reciente revisión aparece publicado un árbol filogenético con todas las cepas analizadas hasta el momento. Lo que muestra es que hay dos ramas con levaduras domesticadas: la rama asiática con levaduras especializadas en fermentaciones sobre sustrato sólido, y la rama europea, con levaduras especializadas en las fermentaciones líquidas. Aún no se sabe si las levaduras fueron primero domesticadas en Asia y desde allí se extendieron al resto del mundo, o si por el contrario la domesticación fue realizada de manera independiente en Europa y Asia. ¿Por qué no se sabe? Pues porque precisamente faltan por analizar muestras de cepas de levaduras industriales originarias de zonas del Oriente Medio (no sé si algún grupo lo está llevando a cabo o si esa falta se debe a que no existen. Recordemos que en el Islam las bebidas fermentadas están prohibidas).
En esa misma revisión se habla de los diversos procesos biológicos implicados en la domesticación de los microorganismos usados en la industria. Hay cambios genéticos como la pérdida de genes o la decadencia del tamaño del genoma. También se han encontrado hibridaciones interespecíficas (recordemos aquí el origen de la levadura S.pastorianus), transferencias genéticas horizontales, aneuploidía, recombinaciones cromosómicas. Por ejemplo, las levadura vínicas tienen una alta resistencia al cobre, algo lógico si tenemos en cuenta que el sulfatado de las cepas era una práctica habitual en la viticultura. En el caso de las levadura cerveceras se ha encontrado que tienen aumentada su capacidad de metabolizar la maltotriosa y que tienen duplicados los genes MAL, una adaptación para aprovechar eficazmente los azúcares provenientes del almidón de los cereales. En los lactobacilos se ha encontrado que han perdido capacidades para biosintetizar aminoácidos pero a cambio tienen genes para lactasas y proteasas adquiridos por transferencia horizontal. Lo mismo ha ocurrido con los genes para amilasas codificados por el hongo Aspergillus oryzae, utilizado en el procesamiento del arroz para así producir sake. Confío en que gracias a las nuevas técnicas analíticas, tanto en el campo de la arqueología como en el campo de la filogenia molecular, vamos a ir rellenando más y más huecos sobre la relación histórica entre los humanos y los microbios.
Recientemente, la revista "Trends in Genetics" ha escogido a Saccharomyces cerevisiae como genoma del mes.
Mi agradecimiento a Dani Torregrosa (@DaniEPAP) por sus ánimos para que retomase el blog. Espero ser más constante esta vez.
Pues bien, los humanos hicimos algo parecido con los microbios, aunque no fuéramos conscientes de ello. Hace unos 15.000 años, en una zona de Oriente Medio (ver mapa) apareció la cultura preneolítica conocida como Natufiense. Hay evidencias que muestran que dicha cultura ya elaboraba pan hace 14.400 años. Ese pan era elaborado a partir de un triturado de diversas gramíneas junto con otros vegetales. Luego ese harina se mezclaba con agua y se elaboraba una masa con la que hacían una especie de tortas que calentaban en un fuego. Desconocemos si en la elaboración de ese pan se dejaba fermentar la masa antes de ser cocida pero, 1000 años después, alguien de la misma cultura que habitaba la cueva israelí de Raqefet, ya había aprendido a germinar los granos de cereal para después tostarlos, molerlos, mezclarlos con agua y dejarlos fermentar. Es decir, alguien había comenzado a elaborar cerveza siendo la primera prueba arqueológica de la domesticación de los microbios.
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| La cultura Natufiense, el pan y la cerveza. El mapa de la izquierda muestra los principales asentamientos de dicha cultura (origen de la imagen, Wikipedia). En el centro se muestra el hogar donde se han encontrado restos de cocción del pan (excavación de Shubayqa, cerca de Wadi Uwainid. Origen de la imagen, Arranz-Otaegui et al.). A la derecha los morteros hechos con rocas utilizados para almacenar grano y los morteros en roca utilizados para machacar dichos granos y elaborar cerveza (excavación de la cueva de Raqefet, cerca de El Wad. Origen de la imagen, Liu et al.). |
Nuestros antepasados eran antiguos pero no tontos. Si elaboraban cerveza eso implica que conocían que el proceso de fermentación era reproducible. Así que no es difícil imaginar que si les salía una partida de cerveza con un sabor mejor que el de otra partida de cerveza, seguramente utilizarían la primera como inóculo de las siguientes fermentaciones. Pero aquí hay una diferencia con respecto a las plantas o los animales. No podían aislar a un solo microorganismo, lo que aislaban era a un conjunto de ellos. Sin embargo, consiguieron crear un "cuello de botella" ya que lo que seleccionaron eran comunidades microbianas que crecían de manera óptima en el caldo de cultivo consistente en el cereal malteado y cocido en agua. En esas condiciones los microbios que más prosperan son las levaduras, ya que son capaces de crecer en medios con altas concentraciones de azúcar, con poco oxígeno y con presencia de alcohol. Seguramente, los antiguos debieron notar que algunas cervezas les ponían más "contentos" que otras, porque la resistencia al alcohol parece que es uno de los caracteres que fue seleccionado durante este proceso de domesticación.
En el año 2016 el grupo de Kevin J. Verstrepen realizó el primer análisis filogenético de cepas domesticadas de Saccharomyces cerevisiae. Su análisis se vio complementado en el año 2018 por el grupo de Feng Yan Bai, que analizó 106 cepas silvestres y 166 cepas industriales. En ese análisis concluyó que el ancestro común de todas las cepas de S. cerevisiae proviene del Lejano Oriente. En una reciente revisión aparece publicado un árbol filogenético con todas las cepas analizadas hasta el momento. Lo que muestra es que hay dos ramas con levaduras domesticadas: la rama asiática con levaduras especializadas en fermentaciones sobre sustrato sólido, y la rama europea, con levaduras especializadas en las fermentaciones líquidas. Aún no se sabe si las levaduras fueron primero domesticadas en Asia y desde allí se extendieron al resto del mundo, o si por el contrario la domesticación fue realizada de manera independiente en Europa y Asia. ¿Por qué no se sabe? Pues porque precisamente faltan por analizar muestras de cepas de levaduras industriales originarias de zonas del Oriente Medio (no sé si algún grupo lo está llevando a cabo o si esa falta se debe a que no existen. Recordemos que en el Islam las bebidas fermentadas están prohibidas).
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| Árbol filogenético de la levadura Saccharomyces cerevisiae. La rama verde de la derecha son las cepas silvestres. La rama naranja son las cepas industriales asiáticas, que son usadas sobre todo para hacer pan. La rama roja son los aislados industriales europeos, que se utilizan principalmente en la elaboración de bebidas alcohólicas. Dentro de esa rama hay dos anomalías. El primero son las de cepas silvestres aisladas de la encina (mediterranean oak) que está relacionado con las levaduras del vino. Se piensa que su origen está en un "asilvestramiento" de las levaduras vínicas. El segundo es más extraño. Es el cluster de levaduras usadas en las fermentaciones lácticas en la zona de Mongolia. ¿Las habrá llevado de vuelta un conquistador mongol desde Europa hasta las estepas asiáticas? Confiemos en que futuros análisis despejarán ambos enigmas. Origen de la imagen: Steensels et al. 2019 |
En esa misma revisión se habla de los diversos procesos biológicos implicados en la domesticación de los microorganismos usados en la industria. Hay cambios genéticos como la pérdida de genes o la decadencia del tamaño del genoma. También se han encontrado hibridaciones interespecíficas (recordemos aquí el origen de la levadura S.pastorianus), transferencias genéticas horizontales, aneuploidía, recombinaciones cromosómicas. Por ejemplo, las levadura vínicas tienen una alta resistencia al cobre, algo lógico si tenemos en cuenta que el sulfatado de las cepas era una práctica habitual en la viticultura. En el caso de las levadura cerveceras se ha encontrado que tienen aumentada su capacidad de metabolizar la maltotriosa y que tienen duplicados los genes MAL, una adaptación para aprovechar eficazmente los azúcares provenientes del almidón de los cereales. En los lactobacilos se ha encontrado que han perdido capacidades para biosintetizar aminoácidos pero a cambio tienen genes para lactasas y proteasas adquiridos por transferencia horizontal. Lo mismo ha ocurrido con los genes para amilasas codificados por el hongo Aspergillus oryzae, utilizado en el procesamiento del arroz para así producir sake. Confío en que gracias a las nuevas técnicas analíticas, tanto en el campo de la arqueología como en el campo de la filogenia molecular, vamos a ir rellenando más y más huecos sobre la relación histórica entre los humanos y los microbios.
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| Consecuencias de la domesticación de la levadura Meme generado usando imágenes sin copyright de la Wikipedia |
Recientemente, la revista "Trends in Genetics" ha escogido a Saccharomyces cerevisiae como genoma del mes.
Mi agradecimiento a Dani Torregrosa (@DaniEPAP) por sus ánimos para que retomase el blog. Espero ser más constante esta vez.
viernes, 17 de mayo de 2019
Hijos de Loki
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| El superfilo arqueano de Asgard |
En la mitología escandinava Loki es el señor del caos. Es astuto y siempre intenta engañar o hacer daño a los otros dioses, aunque sus fechorías generalmente tienen arreglo - por ejemplo, le cortó las trenzas a Sif, la esposa de Thor, pero éste obligó a Loki a que las sustituyera por cabellos de oro trenzados por nibelungos. Pues bien, parece que el dios escandinavo está haciendo de las suyas en el terreno de la taxonomía bacteriana, y podría decirse que incluso ha hecho acto de presencia.
Ya hemos comentado en el blog que el llamado árbol de la vida está en constante revisión gracias a los numerosos estudios metagenómicos que se están realizando sobre las diversas comunidades microbianas del planeta. En el año 2015 el grupo liderado por Thijs Ettema analizó unos sedimentos provenientes de la chimenea hidrotermal conocida como "Castillo de Loki" en las profundidades del Océano Ártico. Allí encontraron unas secuencias que pertenecían a un nuevo filo de arqueas que fueron bautizadas convenientemente como Lokiarchaeota. Poco a poco se fueron encontrando otros filos relacionados y que fueron bautizados como Thorarchaeota, Odinarchaeota y Heimdallarchaeota. Como era de esperar al superfilo se le conoce como Asgard.
¿Y cuál es la importancia de este superfilo? Pues porque sus datos parecen apoyar la hipótesis del árbol con dos dominios de la vida (Bacteria y Archaea) parece que poco a poco se va imponiendo sobre la visión del árbol de los tres dominios (Bacteria, Archaea y Eukarya). Y si esos datos se confirman entonces todos los ecuariotas - desde los protozoos hasta nosotros, incluyendo plantas y hongos - se habrían originado a partir de los Lokiarchaeotas. A nivel de la Biología esto es como si te dijeran que John Snow no es el sobrino de la Khalessi, sino su tío. La interpretación de los datos metagenómicos que hacen en el grupo de Thijs Ettema les lleva a proponer un modelo de "flujo reverso" para explicar el origen de la endosimbiosis que dio lugar a los eucariotas. Veamos qué significa esto. Hasta ahora la hipótesis más aceptada para la endosimbiosis es la de que una antigua archaea con metabolismo anaerobio "integró" una bacteria capaz de metabolizar el oxígeno. Esta nueva quimera tendría una ventaja energética que le permitiría desarrollar una fisiología celular mucho más compleja. Pero el modelo de "flujo reverso" propone que el hospedador organotrófico arqueano se alimentaba de compuestos orgánicos y que sus desechos proporcionaban un flujo de electrones o de hidrógeno a su simbionte bacteriano que para aprovecharlos totalmente usaba el oxígeno como aceptor final de sus rutas metabólicas. Este tipo de asociaciones metabólicas entre dos microorganismos, en el que el desecho de uno es la comida del otro, no son raras en la naturaleza (se conoce como sintrofía), y ésta debió derivar hasta una interacción tan íntima que se fusionaron ambas células.
Como suele pasar con todas las hipótesis científicas hay gente que se la cree y otros que no están convencidos en absoluto. El laboratorio de Patrick Forterre pertenece precisamente a ese grupo y han publicado un artículo refutando este modelo endosimbióntico afirmando que las muestras analizadas por el grupo de Ettema están contaminadas con genes eucariotas y que por ello sus árboles filogenéticos son producto de un artefacto. Para Forterre el árbol de la vida sigue teniendo tres ramas. Y en su apoyo ha acudido el microbiólogo Norman Pace, uno de los popes de la taxonomía bacteriana, que ha llegado a afirmar que algunos de los métodos estadísticos usados por Ettema son una "asunción estúpida". Lo dicho, Loki está haciendo de las suyas.
Pero afortunadamente en Ciencia lo del principio de autoridad no suele ser muy válido y por lo que se ve son más los científicos que creen que las evidencias que se van acumulando parecen favorecer el modelo de Ettema a los otros modelos. Esas evidencias no están basadas solo en el análisis metagenómico de secuencias. Ya comentamos en el blog que se miran otras cosas como por ejemplo la presencia de los llamados core-genes para la producción de proteínas, los genes que codifican para proteínas del citoesqueleto, o la organización y composición de las membranas biológicas. Este último aspecto que es conocido como la "división lipídica" es el que más apoya el árbol de tres ramas, ya que las membranas de bacterias y eucariotas son más parecidas entre si, que las membranas de arqueas y eucariotas. Pero resulta que la biología sintética ha venido a cerrar esa división lipídica. El año pasado el grupo holandés liderado por Arnold J. M. Driessen y John van der Oostc consiguieron "convertir" a la bacteria Escherichia coli en una arqueobacteria en lo que a su composición de membranas se refiere. Además, recientemente se han encontrado bacterias que son capaces de sintetizar lípidos arqueanos de manera natural.
¿Qué va a hacer falta para determinar quién tiene razón? Pues probablemente que alguien consiga crecer a una arquea asgardiana en el laboratario, preferentemente una Heimdallarqueota, pues parece que es el filo más cercano a los eucariotas según los últimos datos. Una vez aislada y crecida se podrá analizar y experimentar con ella. Por ahora lo que hay son imágenes de fluorescencia realizadas sobre muestras ambientales. Y lo que ha llamado la atención es que las células asgardianas tienen su ADN condensado en el centro de la célula, como si fuera un ¿núcleo? Estoy convencido que la saga asgardiana nos va a dar más de una sorpresa en los próximos años.
Bibliografía:
Ya hemos comentado en el blog que el llamado árbol de la vida está en constante revisión gracias a los numerosos estudios metagenómicos que se están realizando sobre las diversas comunidades microbianas del planeta. En el año 2015 el grupo liderado por Thijs Ettema analizó unos sedimentos provenientes de la chimenea hidrotermal conocida como "Castillo de Loki" en las profundidades del Océano Ártico. Allí encontraron unas secuencias que pertenecían a un nuevo filo de arqueas que fueron bautizadas convenientemente como Lokiarchaeota. Poco a poco se fueron encontrando otros filos relacionados y que fueron bautizados como Thorarchaeota, Odinarchaeota y Heimdallarchaeota. Como era de esperar al superfilo se le conoce como Asgard.
¿Y cuál es la importancia de este superfilo? Pues porque sus datos parecen apoyar la hipótesis del árbol con dos dominios de la vida (Bacteria y Archaea) parece que poco a poco se va imponiendo sobre la visión del árbol de los tres dominios (Bacteria, Archaea y Eukarya). Y si esos datos se confirman entonces todos los ecuariotas - desde los protozoos hasta nosotros, incluyendo plantas y hongos - se habrían originado a partir de los Lokiarchaeotas. A nivel de la Biología esto es como si te dijeran que John Snow no es el sobrino de la Khalessi, sino su tío. La interpretación de los datos metagenómicos que hacen en el grupo de Thijs Ettema les lleva a proponer un modelo de "flujo reverso" para explicar el origen de la endosimbiosis que dio lugar a los eucariotas. Veamos qué significa esto. Hasta ahora la hipótesis más aceptada para la endosimbiosis es la de que una antigua archaea con metabolismo anaerobio "integró" una bacteria capaz de metabolizar el oxígeno. Esta nueva quimera tendría una ventaja energética que le permitiría desarrollar una fisiología celular mucho más compleja. Pero el modelo de "flujo reverso" propone que el hospedador organotrófico arqueano se alimentaba de compuestos orgánicos y que sus desechos proporcionaban un flujo de electrones o de hidrógeno a su simbionte bacteriano que para aprovecharlos totalmente usaba el oxígeno como aceptor final de sus rutas metabólicas. Este tipo de asociaciones metabólicas entre dos microorganismos, en el que el desecho de uno es la comida del otro, no son raras en la naturaleza (se conoce como sintrofía), y ésta debió derivar hasta una interacción tan íntima que se fusionaron ambas células.
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| Árbol filogenético basado en el análisis de 52 genes presentes en 144 taxas. Los Eucariotas aparecen más cercanos a las Heimdallarqueotas que a cualquier otro grupo. Fuente de la imagen: Spang et al 2019. |
Como suele pasar con todas las hipótesis científicas hay gente que se la cree y otros que no están convencidos en absoluto. El laboratorio de Patrick Forterre pertenece precisamente a ese grupo y han publicado un artículo refutando este modelo endosimbióntico afirmando que las muestras analizadas por el grupo de Ettema están contaminadas con genes eucariotas y que por ello sus árboles filogenéticos son producto de un artefacto. Para Forterre el árbol de la vida sigue teniendo tres ramas. Y en su apoyo ha acudido el microbiólogo Norman Pace, uno de los popes de la taxonomía bacteriana, que ha llegado a afirmar que algunos de los métodos estadísticos usados por Ettema son una "asunción estúpida". Lo dicho, Loki está haciendo de las suyas.
Pero afortunadamente en Ciencia lo del principio de autoridad no suele ser muy válido y por lo que se ve son más los científicos que creen que las evidencias que se van acumulando parecen favorecer el modelo de Ettema a los otros modelos. Esas evidencias no están basadas solo en el análisis metagenómico de secuencias. Ya comentamos en el blog que se miran otras cosas como por ejemplo la presencia de los llamados core-genes para la producción de proteínas, los genes que codifican para proteínas del citoesqueleto, o la organización y composición de las membranas biológicas. Este último aspecto que es conocido como la "división lipídica" es el que más apoya el árbol de tres ramas, ya que las membranas de bacterias y eucariotas son más parecidas entre si, que las membranas de arqueas y eucariotas. Pero resulta que la biología sintética ha venido a cerrar esa división lipídica. El año pasado el grupo holandés liderado por Arnold J. M. Driessen y John van der Oostc consiguieron "convertir" a la bacteria Escherichia coli en una arqueobacteria en lo que a su composición de membranas se refiere. Además, recientemente se han encontrado bacterias que son capaces de sintetizar lípidos arqueanos de manera natural.
¿Qué va a hacer falta para determinar quién tiene razón? Pues probablemente que alguien consiga crecer a una arquea asgardiana en el laboratario, preferentemente una Heimdallarqueota, pues parece que es el filo más cercano a los eucariotas según los últimos datos. Una vez aislada y crecida se podrá analizar y experimentar con ella. Por ahora lo que hay son imágenes de fluorescencia realizadas sobre muestras ambientales. Y lo que ha llamado la atención es que las células asgardianas tienen su ADN condensado en el centro de la célula, como si fuera un ¿núcleo? Estoy convencido que la saga asgardiana nos va a dar más de una sorpresa en los próximos años.
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| Heimdalarqueotas del Mar Negro marcadas con fluorescencia. En a se muestra la superposición de las imágenes b y c. La imagen b es la tinción con DAPI que tiñe el DNA. La imagen c es un CARD-FISH que tiñe las proteínas. Fuente de la imagen: Salcher et al. 2019. |
Bibliografía:
- Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity Nature volume 541, pages 353–358 (19 January 2017)
- Lokiarchaea are close relatives of Euryarchaeota, not bridging the gap between prokaryotes and eukaryotes. PLoS Genet. 13, e1006810 (2017).
- Proposal of the reverse flow model for the origin of the eukaryotic cell based on comparative analyses of Asgard archaeal metabolism Nature Microbiology (2019)
- The trickster microbes that are shaking up the tree of life. Nature 2019.
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