Lo mejor del 2010

Happy Darwin Day. Fuente: Gonzolabs

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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

Amor de madre

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Actualización septiembre 2011. El papel de las sirtuinas ha sido puesto en duda. Ver más detalles en Biounalm

Aunque mañana sea el día del Padre, la siguiente entrada está basada en el comentario "Mother's Love" escrito por Moselio Schaechter en su blog "Small Things Considered".


La fisión binaria es una invención impresionante. De un solo golpe, asegura que las células descendientes nazcan iguales y dotadas del mismo potencial para el crecimiento y la supervivencia. Tan simple como suena, deben de haberse requerido unas considerables contorsiones evolutivas para que funcione tan bien en todo el mundo viviente.

En la fisión binaria se replica el material genético (en rojo) y se duplica el contenido celular. Tras la división celular las dos células resultantes son idénticas

Sin embargo, hay células que han adoptado un mecanismo alternativo, en el cual la división celular es asimétrica, donde la célula naciente es originada a partir de una "célula madre" que posteriormente generará más "bebés". El ejemplo más conocido es, por supuesto, el proceso de gemación en las levaduras. Hay otras células que también se reproducen de esa manera, incluyendo algunas bacterias, las esporas sexuales de las setas, e incluso algunas células de plantas.

En la gemación se replica el material genético pero no se duplica el contenido celular. Se produce una yema o gema a partir de la célula madre. Tras la división celular hay dos células desiguales. En la célula madre se produce una cicatriz en su superficie y podrá repetir el proceso hasta unas 30 veces, después de los cuales muere. La célula hija, también denominada "célula virgen", debe de crecer antes de convertirse en una célula madre con capacidad reproductora

Por lo tanto, ¿hay alguna ventaja para abandonar la fisión binaria y realizar la gemación en su lugar? Podría ser así. Los últimos trabajos del laboratorio de Tom Nyström han demostrado que las proteínas que se dañan durante el crecimiento celular, fluyen hacia la célula madre y así dejan a la joven nueva célula libre de tales impedimentos. El daño a las proteínas es a menudo debido a la oxidación causada por especies reactivas de oxígeno. Las proteínas dañadas tienden a formar agregados. Evidentemente eso puede ser malo, así que deshacerse de ellos es bueno. ¿Cómo se acumulan esas proteínas agregadas en las células madre? Pues parece ser que los agregados de proteínas se engancha a los filamentos de actina que crecen desde el nuevo brote hacia la célula madre. Esos filamentos se ensamblan en la punta de la yema en una estructura que los autores llaman un "polarisoma", que se compone de un núcleo de proteínas junto con algunas otras (las forminas) implicadas en la polimerización de la actina. También se requiere una proteína denominada Sir2, también llamada sirtuina, que es una deacetilasa retardante del envejecimiento. Sir2 es conocida por su papel en el alargamiento de la vida media de un ser vivo, no sólo en las levaduras, también en gusanos, peces y mamíferos. Ahora se ha descubierto que Sir2 está involucrada en los procesos en los que interviene la actina, y por lo tanto en la formación de polarisoma. Es un poco más complicado de lo que aquí se describe así que para una visión más detallada, es aconsejable leer el artículo de Leonard Guarente.

El polarisoma en una yema de levadura que se está formando. Los filamentos de actina crecen desde el polarisoma y transportan los agregados proteicos hacia la célula madre (fuente).

Echemos un vistazo en un contexto algo más amplio. No se trata tan sólo de mandar la ropa sucia a la madre. Una consecuencia de la asimetría durante la gemación es que, yema tras yema, la célula madre retiene su integridad corporal, mientras que la misma se pierde si la célula se divide por fisión binaria. En las levaduras, una célula madre puede gemar entre 15 a 30 veces antes de dejar de funcionar. ¿Cómo lo sabemos? Contando pacientemente bajo el microscopio el número de veces que una célula da lugar a yemas, y usando un micromanipulador para retirar las células hijas cada vez que estas se separan de la célula madre. Así hasta que la célula madre ya no produce más yemas. ¡Imagínese separar durante 30 ocasiones a las nuevas células nacientes de la célula madre! (Esto parece ser que fue realizado por primera vez en 1950 por A.A. Barton, que a la sazón trabajaba para una compañía cervecera británica). A este fenómeno se le conoce por senescencia, y puede visualizarse por la aparición de arrugas y el aumento de tamaño de la Gran Dama. Las nuevas células inician el proceso de nuevo, y cada una de ellas será una célula madre por su cuenta. Sin embargo, se había observado que las nuevas células nacidas de "madres viejas" envejecían antes y eran cada vez menos competentes para gemar. No es de sorprender que las levaduras sean las favoritas para los estudios de polarización celular y su posible papel en la senescencia. Muchos artículos se han escrito sobre el tema.

Microfotografía de levaduras gemando. Los "botones" que pueden observarse en la levadura central son las cicatrices producidas por anteriores procesos de gemación. La expresión "Hi, bud!" significa "¡Hey colega!" y es una pequeña broma porque "bud" también significa "yema" (fuente).

Una de las conexiones entre la gemación de las levaduras y el envejecimiento se basa en una vieja teoría de hace más de 120 años propuesta por August Weismann. Él postuló que el envejecimiento evolucionó a partir de la necesidad de separar las células germinales de las células somáticas. Las células germinales deben de ser protegidas de cualquier daño; así que las células somáticas lo "cargan a sus espaldas". Una de las razones aducidas es que deben dedicarse recursos adicionales sobre las células germinales para garantizar su estabilidad genética. Las células somáticas, en cambio, no tienen esos mecanismos y por lo tanto acumulan los daños.

(A) Fotografía de un cultivo en crecimiento exponencial de levaduras en el que puede compararse el tamaño y la morfología de las células jovenes y las viejas. (B)Determinación de la edad celular. Usando técnicas de micromanipulación se cuenta el número de ciclos de gemación que cada grupo de 50 células "vírgenes" realiza hasta que se paran y no hacen más divisiones celulares. Nótese como la viabilidad va decreciendo progresivamente. (C) La célula M es una célula madre terminal después de 15 ciclos celulares. La célula D14 es una célula hija (daugther) pero no ha conseguido separarse totalmente de la madre. La célula D14-1 es una "nieta" pero ni siquiera ha comenzado su ciclo. La célula D15 también está detenida en su ciclo y no podrá separarse (fuente).

Esta es una manera de pensar en la división celular asimétrica. Formalmente, la celulas madre actúa como una célula somática que produce múltiples células germinales, las yemas. Cada una, cuando crezca, se conviertirá en una célula madre con total potencial reproductivo, capaz de producir un conjunto completo de yemas por su cuenta. Durante la gemación, la joven yema evita el daño celular que representan los agregados de proteínas, y burlando así, ese aspecto del envejecimiento celular.

Si la división celular asimétrica puede conseguir dicha protección de la línea germinal, ¿por qué no puede hacer eso cualquier célula? La cuestión no es muy relevante para las células somáticas de los organismos multicelulares, ya que no están involucrados en la propagación de la línea germinal (a menos que el investigador coja sus núcleos y los introduzca en un óvulo). Pero, ¿cómo es que los microbios unicelulares, no han adoptado la estrategia de la gemación? Esa es una pregunta para contestar en otro momento.

Dado que la levadura es el más conocido de todos los organismos eucariotas, lo que permite infinitas formas de manipulación genética, no es de extrañar que se haya convertido en un modelo para el estudio del envejecimiento. Y yo que pensaba que yo sería un buen tema para investigar lo que ocurre en la vejez!

Moselio Schaechter, autor de esta entrada

Addendum: Un comentarista llamado Qetzal dejó un comentario sobre un fenómeno similar se en bacterias. Cuando E. coli se divide, el polo "viejo" acumula chaperonas involucradas en la agregación de (presuntas) proteínas dañadas. Al cabo del tiempo, las células "viejas" pierden su capacidad reproductiva. Algo similar ocurre en Caulobacter crescentus. Así, las bacteria también puede utilizar la estrategia de la segregación de las proteínas dañadas en el interior de las células envejecidas, en beneficio de la población en su conjunto.


Entradas relacionadas:

• Las levaduras y la fuente de la eterna juventud


• Do bacteria age?
• Audio en "El podcast del microbio"

Laun P, Bruschi CV, Dickinson JR, Rinnerthaler M, Heeren G, Schwimbersky R, Rid R, & Breitenbach M (2007). Yeast mother cell-specific ageing, genetic (in)stability, and the somatic mutation theory of ageing. Nucleic acids research, 35 (22), 7514-26 PMID: 17986449
Guarente L (2010). Forever young. Cell, 140 (2), 176-8 PMID: 20141830
Liu, B., Larsson, L., Caballero, A., Hao, X., Öling, D., Grantham, J., & Nyström, T. (2010). The Polarisome Is Required for Segregation and Retrograde Transport of Protein Aggregates Cell, 140 (2), 257-267 DOI: 10.1016/j.cell.2009.12.031
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División se escribe sin Z

autores: Manuel Sánchez y Miguel Vicente

Desde la rueda hasta la turbina la humanidad se ha inventado un buen número de máquinas para realizar trabajos mecánicos muy diversos, por lo que parece natural que la misma función, como impulsar un coche, pueda hacerse con motores de diseños muy diferentes. También en las distintas células se puede hacer una misma función utilizando maquinarias de diferentes diseños. Así como la mayoría de los coches utilizan un motor de gasolina, la mayoría de los microbios y muchos orgánulos como los cloroplastos, para llevar a cabo la división en dos, utilizan un elemento común, la proteína FtsZ.

Distribución filogénetica simplificada de la proteína FtsZ.
Esta proteína es imprescindible para la división celular de un gran número de bacterias, arqueas y orgánulos.

Sin embargo hay vehículos que en vez de un motor de gasolina usan un motor eléctrico o incluso una caldera a vapor como las locomotoras. De hecho hay microbios que prescinden por completo de FtsZ y utilizan otro sistema para realizar su división. Ya se sabía que algunos parásitos intracelulares, como Chlamydia, carecen de dicha proteína. ahora se les une un importante grupo de arqueas, las Crenarchaeotas a las que pertenece Sulfolobus acidocaldarius, la especie en la que se ha hecho el descubrimiento.

Un hogar muy especial.

El jardín de las delicias de Sulfolobus acidocaldarius para nosotros sería mas bien un infierno, casi hirviendo a 80ºC y bastante ácido a pH 2. Su hogar, en las solfataras, se asemeja asombrosamente a las calderas de Pedro Botero ilustradas en el Hortus deliciarum, un manuscrito medieval compilado por Herrad def Landsberg entre 1167 y 1185.

¿Qué es y qué hace FtsZ?
FtsZ es una proteína con estructura y propiedades muy parecidas a la Tubulina, la proteína que en las células eucariotas como las humanas, forma los microtúbulos del citoesqueleto. Estos microtúbulos son los encargados de procesos tan importantes como el tráfico de vesículas por el citoplasma y del reparto de los cromososmas durante la mitosis. En la división de bacterias y de orgánulos de origen bacteriano, FtsZ se coloca en el centro de la célula y dirige el ensamblaje de todos los componentes que integran un anillo que ejecuta la constricción de la membrana celular. FtsZ es una proteína esencial, es decir que si una bacteria no la puede producir queda condenada a crecer sin poder dividirse, lo mismo que le ocurre a un cloroplasto privado de ella.

Estructura tridimensional de FtsZ y Tubulina.

Pese a que funcionan en procesos diferentes, las dos proteínas tienen una gran similitud estructural, que reside no tanto en los aminoácidos que componen sus secuencias, sino en el tipo de estructuras en hélice y lámina que adoptan.

¿Cómo lo hacen algunas arqueas?
Ahora mismo se reconoce que los microorganismos pertenecientes al Dominio Archaea están divididos en dos tipos distintos o phyla: Crenarchaeota y Euryarchaeota, aunque es probable que dentro de poco haya más tipos. Los euryarqueotas incluyen a los metanógenos y a las arqueas de ambientes hipersalinos mientras que los crenarqueotas son microorganismos termófilos e hipertermófilos. Pues bien, sólo los euryarqueotas parecían utilizar un mecanismo de división celular basado en el anillo contráctil de la proteína FtsZ. Es el caso de la arquea halófila Haloferax volcanii.


La división sin Z.
Por eso resultaba chocante no encontrar FtsZ, o algo muy similar, en las crenarqueas. Un grupo de investigadores de la Universidad de Uppsala, ha resuelto ahora este enigma: las crenarqueas sin FtsZ, han montado su maquinaria de división basándose en proteínas por completo diferentes a las de las bacterias y a las de sus primas las euryarqueas. Estas proteínas muestran homología con un tipo de proteínas eucariotas. La sorpresa es que no se parecen para nada a la Tubulina, y tampoco a la actina o la miosina, proteínas que participan en la división de eucariotas. Se parecen a las proteínas involucradas en la formación de vesículas endosomales a partir del retículo endoplasmático, o en la liberación de virus como el VIH.

Rolf Bernander y sus colaboradores han identificado tres proteínas de Sulfolobus acidocaldarius, denominadas CdvA, CdvB y CdvC, que se producen en el momento correcto en el que se predice comienza la división. Además, y como ocurre con varias de las proteínas que las bacterias utilizan para dividirse, los genes que las codifican están pegados en el mismo lugar del genoma.

Se les ha llamado operón cdv, un acrónimo de "celular-división". Dentro del trío, las proteínas CdvB y CdvC, son las que tienen homología con las proteínas eucariotas del complejo ESCRT-III. Dicho complejo forma vesículas en el lumen de las vesículas endosomales por un proceso conocido como “círculos concéntricos”. Si nos paramos un momento a pensar, crear una vesícula es algo parecido a una división celular por gemación. El tercer gen, cdvA, tiene la información para formar una proteína que se parece a otras proteínas del citoesqueleto eucariótico distintas a la Tubulina.

Parientes lejanos

En el esquema de la izquierda se representan las fases finales de la división de Sulfolobus acidocaldarius. Tras la replicación y segregación de los cromosomas se forma una constricción en el centro de la célula. Se ha observado que las proteínas Cdv se disponen en esa zona central y una hipótesis plausible es que intervienen activamente en dicha constricción. A la derecha se muestra el proceso de formación de vesículas endosomales en las rutas de procesamiento de los receptores de membrana de las células eucariotas. Dichos receptores son internalizados en la célula mediante una invaginación de la membrana plasmática formando una vesícula, la cual une a otras semejantes formando una vesícula más grande llamada endosoma. El endosoma sufre a su vez nuevas invaginaciones, liberándose pequeñas vesículas en su interior. Es en esa segunda invaginación donde están involucradas las proteínas pertenecientes al complejo ESCRT-III (etapas 1, 2 y 3). El resultado es que se forma una gran vesícula llena a su vez de vesiculitas conocida como cuerpo multivesicular, que acaba fusionándose con un lisosoma para la degradación de su contenido.

La expresión de los tres genes está regulada por un puesto de control, lo que en inglés se llama un "checkpoint", pues no se inducen hasta que no comienza la segregación de los cromosomas. Si algo va mal en la replicación del DNA, por ejemplo tras la irradiación con luz ultravioleta, se inhibe la producción de dichas proteínas y se frena la división. También cesan de producirse cuando Sulfolobus no precisa dividirse, ya sea porque deja de crecer, se le inhibe con antibióticos que bloquean la división, o se le impide la división por medio de mutaciones.

Ni C ni Z, para nosotros división se escribe con S.
Resumiendo, los crenoarqueotas no poseen la exclusividad sobre su mecanismo de división celular. Lo que hacen es usar de forma distinta un mecanismo que los eucariotas conservan, pero dedican a otra función. Evidentemente eso tiene una serie de implicaciones filogenéticas. Si nos centramos en la filogenia vista desde el mundo de las arqueas, la primera divergencia se cree que ocurrió entre el linaje arquea/eucariota y el linaje bacteriano. Luego debió ocurrir la divergencia entre arqueas y eucariotas y finalmente la divergencia entre euryarqueotas y crenarqueotas. Estos resultados parecen indicar que el mecanismo de división basado en FtsZ es más antiguo, pero que quizás coexisitese con el mecanismo basado en CdvB y CdvC. Cuando sucedió la divergencia entre los euryarqueotas y los crenoarqueotas, los primeros continuaron con FtsZ y los segundos adoptaron el otro sistema. Los eucariotas sin embargo desarrollaron otro sistema de división celular y dejaron el sistema homólogo a Cdv para utilizarlo en la formación de vesículas, y a la heredera de FtsZ, la Tubulina, la colocaron en su citoesqueleto para llevar cosas, entre ellas los cromosomas, de un lado a otro de la célula.

Resulta muy interesante comprobar que en los organismos procariotas ambos mecanismos de división parecen excluirse entre si. Por un lado tendríamos el mecanismo de las bacterias, y euryarqueas que utilizan FtsZ. Por otro el que utilizan las creanarqueas, basado en las proteínas Cdv. Es decir, unas tienen motores de explosión y otras motores eléctricos. Pero parece que también existen los microorganismos, un grupo de crenarqueas y Thermoplasma acidophilum, una especie de euryarquea, que como los coches híbridos pueden funcionar con motor de explosión o eléctrico pues contienen tanto proteínas Cdv como FtsZ. Pero lo más chocante es que hay un tercer grupo de crenarqueas que no tienen ni proteínas Cdv ni FtsZ. ¿Usarán una turbina?

¿Eliges FtsZ o Cdv?

La distribución filogenética de los genes de división en arqueas indica que no es frecuente el caso en el que existen a la vez las proteínas Cdv y FtsZ. Los recuadros negros indican presencia de los genes, los números se refieren a los grupos filogenéticos a los que pertenece cada especie representada. Tomado del trabajo comentado.

REFERENCIA:
A-C. Lindås, E.A. Karlsson, M.T. Lindgren, T.J.G. Ettema, and R. Bernander. 2008. A unique cell division machinery in the Archaea. Proc Natl Acad Sci USA.

NOTA DE LOS AUTORES
Este artículo se publica simultáneamente en los dos foros administrados por cada uno de los dos autores, esta iniciativa es de esperar que anime al público de cada uno a visitar el otro para obtener una visión más amplia de las "curiosidades de esos pequeños bichitos ".


Este artículo ha sido traducido al inglés y publicado en el blog "Small Things Considered"