¿Podrías acabar con un alien utilizando CRISPR?

Sin duda, Alien es el endoparásito más famoso. Una vez que el facehugger ha cumplido su trabajo no hay manera de sacar al embrión del hospedador. Éste se desarrollará y finalmente encontrará su camino hacia fuera.

Hay ciertas bacterias patógenas que se comportan como auténticos "aliens" ya que son parásitos intracelulares. Se introducen en las células y una vez allí se multiplican hasta que acaban con ellas. Los patógenos intracelulares suponen un problema cuando hay que tratar las infecciones que provocan, ya que es difícil para los antibióticos alcanzar el interior de nuestras células. Este problema se hace mucho mayor si esas bacterias parásitas son además resistentes a los antibióticos. ¿Cómo podemos deshacernos de ellas?

En un reciente artículo del Trends in Biotechnology, Adrienne C. Greene propone que se pueda utilizar la tecnología CRISPR para desarrollar un nuevo tipo de sustancias antimicrobianas que se podrían adaptar al patógeno que deben eliminar, aunque éste haya desarrollado una resistencia antimicrobiana, y que además fueran totalmente específicos evitando así dañar a la microbiota comensal. Todo muy bonito pero hay un pequeño problema. ¿Cómo hacer llegar un complejo macromolecular de RNA y proteína con un tamaño de unos 160 kD hasta el interior de una bacteria objetivo? Un abordaje que se ha intentado con éxito es el siguiente. En primer lugar diseñar un complejo CRISPR/RNA capaz de eliminar un gen esencia de un patógeno. Después codificar ese complejo CRISPR/RNA en un fásmido. De esa forma el complejo queda encapsulado en una cápsida de fago que luego es usado para infectar a la bacteria objetivo. Una vez dentro, el complejo CRISPR/RNA se encarga de destruir genes esenciales y acabar con el patógeno.

Ahora esta idea se quiere llevar un paso más allá combiando los fásmidos CRISPR y la nanotecnología para eliminar patógenos intracelulares. El problema a solventar es cómo dirigir a esos fásmidos hasta las células objetivo y hacerlos entrar para que acaben con la bacteria. En la figura de abajo se muestra la idea. En A tenemos el fásmido que codifica para el complejo CRISPR/RNA y que es específico de la bacteria patógena. En B, los fásmidos son encapsulados en partículas de sílice. Dichas partículas serían funcionalizadas con una membrana (C) en la que se dispondrían péptidos y proteínas diseñadas para unirse a las células infectadas (D). Una vez dentro de la célula los fagos serían liberados y se unirían a las bacterias patógenas (E) introduciéndoles el complejo CRISPR y matándolas (F) sin afectar a la célula hospedadora.

La idea tiene muchas ventajas. Los fagos son muy específicos por lo que no afectarían a la microbiota normal. Además, se podrían diseñar las partículas para que solo reconocieran a las células infectadas y no a otras. Pero también es verdad que hay un poco de "cuento de la lechera". La nanotecnología necesaria para elaborar esas partículas funcionalizadas donde irán encapsulados los fagos todavía no existe. El problema es que los fagos son muy variables en morfología y un diseño de cápsula que permita la utilización para un fago no tiene porque valer para otro. Otro problema es encontrar el fago que sea capaz de unirse al patógeno que queremos eliminar. Para ello se necesitan avances en las tecnologías de cribado (screening) de fagos que permitan encontrar una aguja en un pajar de forma rápida, sencilla y barata.

Como dice el autor del artículo, la pregunta que queda al final es cómo adaptar una idea que funciona en el laboratorio al tratamiento de las futuras amenazas infecciosas. Y quien sabe, quizás diseñar en el futuro un fásmido anti-alien.

Pequeña micropila de energía

La fotografía superior muestra el aspecto de cuatro ejemplares de la pila de combustible (fuel cell) generadora de bioelectricidad más pequeña que se ha construido hasta la fecha.

El volumen total es de 0,3 microlitros, ha sido construida utilizando tecnología de microfluidos y funciona gracias a que una bacteria coloniza el ánodo, crece formando un biofilm (ver imagen de abajo). El ánodo está sumergido en un líquido que lleva nutrientes que serán metabolizados por la bacteria y de esa forma se producen electrones que fluyen hacia el cátodo, creando un circuito. Tanto el ánodo como el cátodo tienen el grosor de un cabello, y aunque muy pequeña, el circuito genera una corriente constante. Esa corriente depende del tipo de biofilm que crece, la concentración del donante de electrones y el régimen de flujo. Se han usado dos especies bacterianas: Geobacter sulfurreducens que produce 92   A  m⁻³, y Shewanella oneidensis que llega a producir 127 A  m⁻³ (unas 7000 veces menos que una pila AA).




Uno de los grandes problemas de las micropilas de combustible es que el cátodo y el ánodo están sumergidos en líquidos distintos que hay que mantener separados, pero la separación debe de permitir el paso de protones. Eso se resolvía mediante el uso de membranas semi-permeables. Pero no era fácil "miniaturizar" las membranas para encajarlas en esos pequeños volúmenes. Los investigadores de la Universidad Carnegy Mellon han utilizado otro abordaje. Han eliminado la membrana y han utilizado canales para microfluidos para mantener a los dos fluidos separados. Es como si dos ríos fluyeran uno al lado del otro pero no se mezclan debido a que su velocidad de flujo es diferente. Esta estrategia es mucho más ventajosa que la otra en una aspecto mucho más importante: el económico. La tecnología de microfluidos es mucho más barata y simple que la tecnología que puede empaquetar una membrana en un pequeño volumen.

Fuente de las imágenes y texto: The Scientist a partir de material de la Carnegie Mellon University.


Esta entrada participa en el XX Carnaval de la Física cuyo anfitrión es Resistencia Numantina, en el V carnaval de la Biología que se celebra en FeelSynapsis y en el V carnaval de la Química que se celebra en Scientia.

Li Z, Zhang Y, Leduc PR, & Gregory KB (2011). Microbial electricity generation via microfluidic flow control. Biotechnology and bioengineering PMID: 21495007

Virología Física

Ese es el título del artículo aparecido en la revista Nature Physics y que daría nombre a la nueva disciplina que se está desarrollando. El objeto de estudio son los virus, pero vistos desde la perspectiva de la Física. En ese sentido, los virus son nanopartículas naturales con llamativas propiedades mecánicas y termodinámicas.

Los profesores W. Roos y G.J.L Wuite de la Fundación para la Investigación Básica de la Materia de la Universidad de Amsterdam, y R. Bruinsma del Departamento de Física de la UCLA, resumen en el artículo las posibles aplicaciones de esta nueva disciplina sobre todo en el campo de la medicina.

Los virus pueden formar espontáneamente una esfera de proteína que envuelve su propio material genético en un entorno completamente abarrotado de otras macromoléculas similares como es el citoplasma de la célula hospedadora. Este proceso ocurre sin una fuente de energía externa, es decir, sigue las leyes de la termodinámica de los procesos reversibles. Pero con una diferencia fundamental: una vez ensamblada la cápside esta no se vuelve a desensamblar. Por ello los virus son un buen modelo para estudiar la formación de nanoestructuras con un gasto de energía mínimo.

Para estudiarlos en el aspecto físico se usa el microscopio de fuerza atómica (MFA). Este tipo de microscopio actúa como si fuera una aguja de un antiguo tocadiscos. Esta técnica no sólo permite "ver" al virus, sino también estudiar las propiedades mecánicas de la partícula. Para ello, la aguja actúa como un martillo que golpea al virus produciendo nanomuescas. Así se ha encontrado que la cápside viral sufre "fatiga de material" al igual que las estructuras macroscópicas. Se han medido las curvas de deformación de diversas cápsides y se ha encontrado que se comportan como módulos elásticos cuya resistencia va desde el polietileno al plexiglas. Algunas cápsides pueden aguantar presiones osmóticas internas superiores a las 10 atmósferas.

Realización de nanomuescas con un Microscopio de Fuerza Atómica. En (a) podemos ver que la punta del MFA no toca el virus y la fuerza ejercida es 0 (b). En el esquema (c) la punta ejerce una fuerza sobre el virus que se registra en la gráfica (d). En la primera parte, la deformación es reversible, pero al traspasar un determinado umbral, la cápside colapsa. (Fuente: Roos et al. 2010).

Uno de los resultados más curiosos ha sido encontrar que hay virus que se "ablandan" durante su proceso de maduración, mientras que otros se "endurecen" y se vuelven más resistentes a la tensión. En el primer caso tenemos a los retrovirus como HIV. En el segundo, a los virus bacteriófagos. Con respecto al HIV, se ha visto que hay una asociación entre la propiedad mecánica de ser más "blandos" y la infectividad. Las partículas virales inmaduras de HIV son más "duras" pero muchísimo menos infectivas.

Imágenes de una partícula vírica antes (a) y después (b) de realizarse una nanomuesca. Los capsómeros (unidades estructurales de la cápside) son perfectamente visibles. En la gráfica (c) se muestra el perfil a lo largo de las flechas blancas. En la imagen (d) y (e) se muestran los capsómeros enumerados. Puede verse que en la muesca se han eliminado los capsómeros marcados en rojo.(Fuente: Roos et al. 2010).

El hecho de que el proceso de ensamblaje y la estabilidad de los viriones puedan ser descrito en base a la mecánica de los cuerpos elásticos macroscópicos permite realizar una serie de predicciones para su posible uso biotecnológico. Una de las principales ideas es el de utilizar los virus como nanocontenedores para el transporte de sustancias específicas a las células. Los virus pueden ser muy específicos en su unión a las células, por lo que de esa forma se podrían dirigir específicamente medicamentos a unas determinadas zonas del cuerpo y no a otras

Esta entrada participa en el XII Carnaval de la Física que esta vez se aloja en Francis_the_mule_news

Además, ha sido traducida y publicada en el blog "Small Things Considered" escrito por Moselio Schaechter y Merry Joule.

Roos, W., Bruinsma, R., & Wuite, G. (2010). Physical virology Nature Physics, 6 (10), 733-743 DOI: 10.1038/nphys1797

Campeonato de micro-Forzudos

Muchas bacterias se mueven. Unas lo hacen mediante flagelos, otras mediante deslizamiento y otras utilizando la propulsión a chorro. Pero hay otra forma de moverse y es "trepando" por las superficies a base de fuerza bruta.

Seguramente todo el mundo habrá visto alguna secuencia en la que un escalador trepa por una pared de roca utilizando tan sólo la fuerza de sus brazos (y si no, arriba he insertado una). El escalador alarga su brazo, hace presa con su mano y asciende al contraer su brazo. Bueno, pues hay bacterias que también tienen una especie de brazo contráctil. Se le conoce como pili de tipo IV (o T4P).

El T4P es un filamento flexible compuesto de miles de subunidades ensambladas entre si de una proteína denominada pilina (también llamada PilA). Además, puede haber unas cuantas decenas o centenas de estas estructuras distribuidas por la superficie celular. Estas estructuras le sirven a la bacteria para muchas cosas además de para trepar. Están involucradas en la comunicación intercelular por la formación los "nanocables" de los que hablamos en una entrada anterior, en el establecimiento de biofilms, y en la interacción con el hospedador en el caso de bacterias simbiontes, sean estas mutualistas o parásitas.

Modelo estructural de los procesos de ensamblaje y retracción en el pili de Tipo IV. La proteína PilA (óvalos púrpuras) es sintetizada en el citoplasma. PilA queda insertada en la membrana citoplasmática después de que la proteasa PilD procese el péptido líder. Posteriormente, un sistema formado por varias proteínas (PilC, PilB, etc.) permite el ensamblaje de PilA en el espacio periplásmico. El pili así formado se extrude por el poro formado por la proteína PilQ. En el extremo distal está la adehsina C1/Y1, un tipo de proteína que actúa como un gancho. La proteína PilT (ovalo grande rojo) está localizada en la membrana plasmática y es la responsable del desensamblaje de PilA y por lo tanto de la fuerza de retracción.

Los filamentos T4P son estructuras largas y delgadas pero que tienen una gran resistencia a la tensión. Por eso pueden ser usadas para trepar. El extremo distal del pili se engancha a la superficie gracias a un tipo de proteína llamada adhesina. Entonces, las subunidades de pilina son desensambladas en el otro extremo que está en el interior de la célula. La remoción de la pilina se produce gracias a PilT, una proteína con actividad ATPasa. El efecto de la despolimerización es una retracción del pili, lo que permite que la célula trepe por la superficie. A este movimiento contráctil se le conoce en inglés por el término "twitching motility" que podría traducirse por movimiento espasmódico.

Una población de Pseudomonas aeuroginosa en pleno movimiento contractil

¿Cuánta fuerza puede desarrollar la contracción de un pili? Es una buena pregunta y para eso necesitamos algún sistema para medirlo. En el caso del brazo de un escalador usaríamos un dinamómetro. Así que para medir la fuerza de T4P hay que usar un dinamómetro pero a escala nanotecnológica. Es lo que se conoce como pinzas ópticas, de las también hemos hablado anteriormente en el blog.

El sistema experimental desarrollado por el grupo de la doctora Berenike Maier para medir dichas fuerzas ha consistido en inmovilizar a las bacterias en un portaobjetos para microscopio recubierto de una fina capa de poliestireno. Luego permitieron la adhesión de unas bolas de látex al extremo distal del pili. Las bolas de látex pueden ser localizadas gracias a las pinzas ópticas., así que si se mueve la bolita es porque el pili que la tiene sujeta se contrae. Ahora sólo falta calcular la fuerza aplicada gracias a la medición del tiempo del desplazamiento y la distancia recorrida por la bolita.

Diseño experimental para medir la fuerza generada durante la retracción del filamento de T4P. La célula se inmoviliza en un portaobjetos cubierto con poliestireno. La pinza óptica atrapa a la bola de látex. Cuando el filamento T4P está unido a la bola y se retrae, se produce un desplazamiento (d) de la bola desde el centro de la trampa óptica. Si movemos el portaobjetos una distancia x se contrarresta la fuerza ejercida por T4P, con lo que d permanece constante y así podemos medir la fuerza del pili. La gráfica inferior muestra los resultados de un experimento tipo sobre la fuerza (F) de retracción del pili en el tiempo. Las unidades son d: nanómetros, t: segundos, F: picoNewtons. (Fuente: Clausen et al. ).

Los investigadores realizaron una especie de campeonato de micro-forzudos. En una esquina tenían al campeón Neisseria gonorrhoeae (el patógeno de la gonorrea), con una fuerza registrada de 110 picoNewtons (pN). Y en la otra esquina al aspirante, Myxococcus xanthus, una bacteria del suelo. En la competición el aspirante superó al poseedor del título con una marca de 150 pN.

¿Eso es mucho o poco? Nada mejor que una buena comparación. En nuestras células también tenemos proteínas contráctiles, siendo las más famosas la actina y la miosina de los músculos. Pues bien, los valores de fuerza desarrollada para los filamentos de ambas proteínas es de 7'7 y 2'5 pN respectivamente. Aparte de quedar claro quiénes son los alfeñiques, también se demuestra que el pili de Tipo IV es el motor linear más potente conocido por el hombre.

Esta entrada está basada en parte del material descrito en "Measuring the Strength and Speed of the Microbial Grappling Hook" escrito por Amber Pollack-Berti en el blog "Small things considered".


Esta entrada participa en el VII carnaval de la Física







Clausen, M., Jakovljevic, V., Sogaard-Andersen, L., & Maier, B. (2009). High-Force Generation Is a Conserved Property of Type IV Pilus Systems Journal of Bacteriology, 191 (14), 4633-4638 DOI: 10.1128/JB.00396-09

Extrayendo electrones "verdes" con nanotecnología

Estructura celular del alga eucariota Chlamydomonas reinhardii. La mayor parte de su ciclo de vida es en fase haploide. Contiene un gran cloroplasto y posee dos flagelos. Es uno de los microorganismos más usados en biotecnología por el hecho de que es posible manipular genéticamente tanto sus cromosomas nucleares como los cromosomas del cloroplasto y de las mitocondrias. (Fuente: Metamicrobe )

Durante la fotosíntesis, la energía de la luz absorbida por los centros de reacción fotosintéticos es aprovechada para romper la molécula de agua (H2O) y generar así oxígeno (O2), protones (H⁺), un gradiente de pH a través de la membrana fotosintética, y electrones de alta energía (e^-). La energía acumulada en el gradiente de pH y en los electrones es aprovechada por la célula para reducir el carbono inorgánico (CO2) y así producir azúcares y polisacáridos como el almidón. Esos polisacáridos pueden ser recolectados y ser la fuente de numerosas fuentes de bioenergía como por ejemplo: lípidos, alcoholes, hidrógeno. Sin embargo sólo una pequeña fracción de la energía solar que es absorbida durante la fotosíntesis (un 27 %) puede ser convertida en polisacáridos. La transformación posterior de estos en productos que puedan ser explotados comercialmente hace que la cantidad de energía realmente aprovechada sea tan sólo un 6 %.

Diseño experimental. En la figura de la izquierda se representa una célula de Chlamydomonas reinhardii con el nanoelectrodo insertado en su cloroplasto. A la derecha se muestran los dos posibles escenarios donde el nanoelectrodo captura a los electrones de alta energía producidos por la fotosíntesis. (Fuente: Ryu et al. )

Científicos de la Universidad de Stanford han conseguido manipular el proceso de fotosíntesis en algas unicelulares del género Chlamydomonas reinhardii, con el objetivo de generar bioelectricidad mediante la extracción de los electrones directamente del transporte de electrones fotosintético (en inglés PET) antes de que estos sean usados para fijar el CO2 convirtiéndolo en azúcares y polisacáridos. De esa forma esperan aprovechar sustancialmente la energía del proceso fotosintético. Sus resultados han sido publicados en la revista Nano Letters.

En primer lugar han utilizando un sistema de canal de microfluidos donde las células del alga son inmovilizadas en una micro-trampa mediante un flujo capilar. Una vez inmovilizadas se les inserta un nanoelectrodo de oro conectado a un sistema de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM). La inserción del nanoelectrodo en el cloroplasto permite la extracción directa de los electrones de la fotosíntesis mientras el alga esté viva.

Inmovilización de Chlamydomonas reinhardii en una microtrampa. Arriba se representa el sistema experimental con los tres componentes principales: el nanoelectrodo acoplado a un Microscopio de fuerza atómica (Nano-EC/AFM electrode), el capilar y la microtrampa donde es atrapada la célula y un microscopio confocal que permite la visualización de la célula y la punta del nanoelectrodo (fotografía pequeña). La microfotografía inferior izquierda muestran varias células redondas atrapadas en las microtrampas (estructura triangular) de diversos capilares listas para ser usadas. En la microfotografía inferior derecha se muestra a una célula con el nanoelectrodo insertado (Fuente: Modificado a partir de Ryu et al. )

Cada célula puede llegar a producir un picoamperio (10^-12 A) cuando se alcanzan intensidades de luz de 100 mmol fotones s^-2 m^-1. Es una cantidad de electricidad tan pequeña que hacen falta un billón de células (10¹²) fotosintetizando durante una hora para generar una cantidad de energía semejante a la almacenada en una pila pequeña de 1’5 V. Este procedimiento consigue captar un 20% de la energía que se consigue captar mediante la fotosíntesis y dentro del campo de los biocombustibles, puede ser el primer paso hacia la generación de bioelectricidad en un proceso con una alta eficiencia y sin que se produzca CO2. Los autores reconocen que el desarrollo de esta tecnología necesitará el desarrollo e investigación en diversos campos, como por ejemplo el desarrollo de especímenes biológicos más resistentes al procedimiento (el alga sólo sobrevive una hora), diseñar nuevos electrodos que permitan una mejor captura de los electrones y sobre todo, escalarlo para que pueda ser económicamente rentable. Está claro que aún queda mucho por hacer.

La gráfica de la izquierda muestra la corriente electrica producida tras iluminar a una célula de Chlamydomonas. La figura de la derecha muestra la relación lineal entre la intensidad de la corriente eléctrica y la intensidad de la luz en el rango de 4−108 μmol foton m⁻² s⁻¹. (Fuente: Modificado a partir de Ryu et al. )

Esta entrada participa en el 6º Carnaval de la Física

Ryu, W., Bai, S., Park, J., Huang, Z., Moseley, J., Fabian, T., Fasching, R., Grossman, A., & Prinz, F. (2010). Direct Extraction of Photosynthetic Electrons from Single Algal Cells by Nanoprobing System Nano Letters, 10 (4), 1137-1143 DOI: 10.1021/nl903141j

Así se construyeron las Pirámides

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Al menos a escala nanotecnológica. El grupo de Nanotecnología Robótica de la Escuela Politécnica de Montreal, liderado por el profesor Sylvain Martel ha conseguido micromanipular un enjambre de bacterias magnetotácticas para que construyan una diminuta pirámide.

En el vídeo podemos ver a un enjambre de unas 5.000 bacterias trabajando cooperativamente para transportar bloques de resina epoxy y así elaborar una estructura piramidal en tan sólo 15 minutos.

Las bacterias magnetotácticas, como la especie Magnetospirillum, presentan en su interior un magnetosoma, formado por acúmulos de magnetita que actúan como una brújula. La función de esos pequeños imanes es orientar a la bacteria en el espacio. Pongámonos por un momento en el lugar de Magnetospirillum. Eres una bacteria acuática microaerófila y estás flotando entre dos aguas. Tienes un flagelo que te permite nadar pero ¿a dónde? Si vas hacia la superficie habrá demasiado oxígeno y puedes morir, si vas hacia el fondo quizás no haya suficiente oxígeno, pero es allí donde hay más comida. Lo malo es que tu masa es tan pequeña que la gravedad no tiene efecto sobre ti. ¿Cómo sabes dónde es arriba y dónde es abajo? Pues gracias al campo magnético terrestre. Las líneas de dicho campo van hacia abajo, así que tu pequeña brújula es esencial para tu supervivencia.

Magnetospirillum magneticum. Puede observarse el flagelo en el exterior. En el citoplasma se observa los granulos de magnetita que forman el magnetosoma (fuente)

Si manipulamos el campo magnético mediante un ordenador podemos manipular el movimiento de un enjambre de estas bacterias. Cada una de ellas es capaz de generar una fuerza de 4 picoNewtons. No parece mucho, pero si pones a trabajar de manera coordinada a unas cuantas de ellas puedes obtener la fuerza suficiente para mover... micromontañas.

Martel cree que es más efectivo manipular a las bacterias para que hagan de nanorobots en vez de construir exclusivamente a estos últimos. Incluso se podrán combinar ambas tecnologías y construir un microrobot bacteriano autónomo. Uno de sus proyectos es crear un chip conteniendo componentes electrónicos y bacterias. Las bacterias estarían encapsuladas y serían el motor del microrobot. Cada cápsula tendría unos pequeños conductores que generarían el campo magnético que controlaría a la bacteria.

Imágenes microscópicas de bacterias magnetotácticas (MTB) que han sido dirigidas a través de los vasos sanguíneos hasta la región interna de un tumor (fuente)

Una de las muchas utilidades que podría resultar de manipular de esa forma a los microorganismos es que pueden ser usados como unos nanorobots que podrían transportar medicamentos hasta el interior de un tumor. De hecho ya han podido dirigir su movimiento en el interior de la corriente sanguínea de una rata en algo muy parecido a lo que se ve en las películas "Viaje fantástico" o "El chip prodigioso".

Martel, S., Felfoul, O., Mathieu, J., Chanu, A., Tamaz, S., Mohammadi, M., Mankiewicz, M., & Tabatabaei, N. (2009). MRI-based Medical Nanorobotic Platform for the Control of Magnetic Nanoparticles and Flagellated Bacteria for Target Interventions in Human Capillaries The International Journal of Robotics Research, 28 (9), 1169-1182 DOI: 10.1177/0278364908104855

Audio en "El podcast del microbio"

Antibióticos nanotecnológicos

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Una amatista conteniendo inclusiones de zeolita

Investigadores de la Universidad de Munster han desarrollado un material nanotecnológico con propiedades antibacterianas que podría utilizarse en fotoquimioterapia (photodynamic therapy). El logro ha sido posible gracias a la colaboración de dos grupos, uno de químicos liderado por la Dra. Luisa De Cola y otro de microbiólogos liderado por la Dra. Berenike Maier.

Su trabajo ha consistido en producir nanopartículas que poseyeran tres propiedades: adhesión específica a las bacterias y no a otras células, marcarlas y luego matarlas. En primer lugar eligieron un tipo de material que funcionara como un transportador y que fuera inócuo para nuestras células. Para ello han utilizado nanocristales de L-zeolita. La zeolita es un aluminiosilicato muy usado en diversas actividades por su gran capacidad de adsorción. Lo interesante es que este material es que no muestra ninguna toxicidad.

Nanocristal de zeolita (estructura tubular gris) en la que se muestran los diversos grupos funcionales usados en el estudio. Las moléculas del fluoróforo DXP se muestran en el interior (hexágonos amarillos). En el exterior pueden verse las moléculas de phthalocianina (hexágonos verde-azules) y las cadenas con los grupos amino (colas azul claro).

Lo siguiente fue diseñar la manera de marcar las bacterias, de esta forma podemos saber si los nanocristales se han unido a ellas o no. Los nanocristales de zeolita forman una estructura tubular. En el interior de dicho tubo unieron moléculas de DXP, un fluoróforo que emite luz verde (620 nm) cuando es excitado mediante luz azul de 480 nm. Es decir, si el nanocristal se une a la bacteria y a ésta la iluminamos con una luz azul, la bacteria brillará con una luz verde.

En las fotos de la izquierda podemos ver mediante microscopia de fluorescencia o mediante microscopía electrónica de barrido, la unión a las bacterias de los nanocristales que presentan grupos amino en su superficie. En las fotos de la derecha se han usado nanocristales sin grupos amino y por lo tanto no hay unión a las bacterias

Finalmente, unieron a la superficie de los nanocristales, moléculas de phthalocianina (PC) y grupos amino. La primera es una molécula con propiedades fotosensibilizadoras que cuando se la ilumina con luz roja forma un singlete de oxígeno muy tóxico para la bacteria. La función de los grupos amino es la de adherirse a la superficie de la bacteria. Se escogió este grupo porque es muy sencillo de ligar a dichas nanoestructuras y además presenta una carga eléctrica neta positiva. Eso le permite unirse con bastante especificidad a bacterias en cuya superficie abunden las cargas negativas. Y las que precisamente cumplen dicha condición son las bacterias Gram negativas (*) como Escherichia coli, cuya membrana externa esta plagada de moléculas de polisacáridos con una gran cantidad de residuos ácidos con carga neta negativa.

Una de las principales dificultades que encontraron fue evitar que las nanopartículas se agregaran formando unos acúmulos totalmente incapaces de unirse a las bacterias. El problema se resolvió realizando modificaciones químicas en los cristales y ajustando las concentraciones de uso. Cada uno de los nanocristales porta unas 6.000 moléculas de PC en su superficie, con lo que dichos cristales se comportan como una especie de "bomba química" al ser iluminados.

Esquema del funcionamiento antibiótico de los nanocristales. A la izquierda se representa una bacteria en la que los nanocristales están unidos a la superficie. A la derecha se muestra un esquema de dichos nanocristales. Los puntos azul claro representan los grupos amino que permiten la adhesión a la bacteria. La luz azul excita a la molécula de DXP que emite una luz verde. La luz roja excita a la PC (óvalos rojos) produciendo el singlete de oxígeno que mata a la bacteria.

La efectividad de los nanocristales han sido probados en cultivos de E. coli y en una cepa resistente a los antibióticos del patógeno Neisseria gonorrhoeae. En ambos casos comprobaron que al cabo de dos horas se había acabado con el 95% de las bacterias presentes. El siguiente paso en el que están pensando los investigadores es en producir nanocristales con mayor especificidad y que sean capaces de unirse a otros tipos celulares como bacterias Gram positivas, o incluso a células cancerosas. El objetivo a largo plazo es desarrollar un tipo de crema para tratar el cáncer de piel.

(*) Es una coincidencia el que las bacterias Gram negativas tengan una gran cantidad de cargas de signo negativo en su superficie, pero debe recordarse que los apelativos "Gram negativo" y "Gram positivo" hacen referencia a una tinción de microscopía y a una determinada estructura de la pared celular bacteriana, y para nada se refiere a una propiedad eléctrica.

Audio en "El podcast del microbio"

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Virus Power

En el blog "Esos pequeños bichitos" aparece un comentario de recomendable lectura sobre la discusión de si los virus son seres vivos o no. Dejando aparte la polémica filosófico-científica, si se cumplen las expectativas del artículo publicado en la revista Science, quizás en el futuro el conejito de Duracell se quede en el paro y sea sustituido por el virus bacteriófago M13.

Fotografía de microscopía electrónica del fago M13. Debajo se muestra un esquema de la estructura de dicho virus mostrando las distintas proteínas que forman su cápside y su DNA (origen de las imágenes)

Una de las limitaciones para el uso de vehículos eléctricos, ordenadores portátiles y otras aplicaciones similares, es el desarrollo de materiales que permitan almacenar, cargar y descargar de manera eficiente la energía que acumulan. Es decir, se necesitan hacer pilas mejores, más pequeñas y más baratas. Una pila eléctrica consiste fundamentalmente en un ánodo, un cátodo, algo que los separe y un electrolito conductor que fluya entre ellos. Cuando los electrones viajan hacia el ánodo a traves del material conductor la pila transforma la energía química producida por dicho flujo en energía eléctrica. Un grupo del Instituto Tecnológico de Masachusset (MIT para los amigos) ha diseñado mediante ingeniería genética unos variantes del fago M13 para crear tanto el ánodo o el cátodo de una batería.

Hace tres años, dicho grupo consiguió manipular el virus M13 para que se autoensamblara formando un ánodo. Se manipuló geneticamente los genes que codificaban para la cápside para que estos se unieran a moléculas de óxido de cobalto y oro. Ahora han diseñado otro tipo de manipulación para que dichas proteínas formen un cátodo.

En el esquema A se representa al fago M13 modificado en dos de sus genes y la localización de los péptidos que han sido alterados. En el esquema B tenemos un virus M13 completamente recubierto de Fosfato Férrico (nanowire) y un nanotubo (SWNT). La unión es debida al reconocimiento del nanotubo por parte del M13 modificado (la figura de abajo muestra con más detalle dicha unión). Si se disponen suficientes nanotubos y fagos se puede fabricar un cátodo de una pila. La foto de la izquierda muestra una de dichas pilas suministrando suficiente energía para que funcione una luz LED. Fuente bibliográfica: Science

El grupo de investigadores ha conseguido unir materiales electroquímicamente activos a nanotubos de carbono mediante un proceso de reconocimiento biológico molecular. Para ello han manipulado dos genes del fago M13 que codifican para proteínas de su cápside. Una de ellas reconoce los extremos de dichos nanotubos. Otra lo que hace es servir como agente de nucleación para la precipitación de Fosfato Férrico (FePO4). Este material es muy conductivo y sus prestaciones y rendimiento son similares al de las pilas de Litio recargables. Puede ser recargado unas 100 veces antes de perder sus propiedades. Pero además tiene unas cuantas ventajas añadidas. Por un lado es muy fácil el que de adopte la forma del contenedor donde se va a disponer la pila. Por otro, si exceptuamos la fabricación del nanotubo de carbono, es un proceso más barato y que consume menos energía que el de la fabricación de las pilas de lítio. Pero la más importante es que el material que se utiliza es mucho menos tóxico y dañino para el medio ambiente que el usado para las baterías de Litio.

Esquema de un Virus M13 modificado genéticamente para unir partículas metálicas (bolitas amarillas) lo que le convierte en un nanocable (nanowire), uniéndose a un nanotubo de carbono.

¿Cuál es la desventaja? Ya la he apuntado antes. El problema es que el proceso de fabricación de los nanotubos requeridos aun no es tan eficiente y barato. A pesar de que esta pila en su estado actual es casi equivalente a las de litio y su precio de producción es sólo algo más caro, no podría desplazarlas si lo consideramos desde el punto de vista económico. Significaría poner en marcha una nueva industria para competir con otra ya establecida y que ya ofrece el mismo servicio por el mismo precio. Economicamente eso no funciona y en la industria lo que manda es el dinero. Ese aspecto no ha desanimado a los investigadores sino todo lo contrario. Lo que están buscando ahora es un material que sea mucho más conductivo que el Fosfato Férrico, con lo que la pila sería mucho mejor en potencia y rendimiento. Eso si que podría ser una auténtica alternativa al litio. Esperemos que tengan éxito.

Audio en "El podcast del microbio"

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Unir para destruir

La bacteria Gram positiva Streptococcus pneumoniae al microscopio electrónico

Streptococcus pneumoniae es uno de los patógenos más fastidiosos con los que tiene que enfrentarse la humanidad. Su nombre de pila es neumococo y nos dice que es uno de los muchos microorganismos que producen neumonía. Pero su infección también puede causar otras enfermedades, sobre todo en niños y ancianos. Entre ellas están algunas como sinusitis, otitis media, bacteriemia o incluso meningitis.

Actualmente el neumococo es el causante de 1,6 millones de muertes en todo el mundo cada año. Se está intentando desarrollar vacunas, pero la cosa no es nada fácil. El motivo es que el neumococo está rodeado de una cápsula polisacarídica. Esta cápsula es como una armadura que defiende al neumococo de los ataques de las células de nuestro sistema inmune. Normalmente, las vacunas se diseñan contra los componentes de esas cápsulas. Así nuestro sistema inmune reconoce mejor sus puntos débiles y puede destruir a la bacteria. Lo malo es que el fondo de armario del neumococo no tiene nada que envidiar al de nuestra actual vicepresidenta. Se han descrito 91 tipos distintos de cápsulas, por lo que nos podemos hacer una idea de lo difícil que es diseñar una vacuna que sea efectiva contra esas 91 armaduras.

Otra forma de combatir al neumococo es mediante el uso de antibióticos. La aparición de estas sustancias en la segunda mitad del siglo pasado permitió una lucha efectiva contra las infecciones causadas por dicha bacteria. Desgraciadamente, el uso y abuso de los antibióticos ha producido la aparición de un gran número de cepas resistentes a los mismos. Es por ello que se está buscando con ahínco nuevas moléculas con potencial antibacteriano y para las que no sea fácil la aparición de resistencias.

Recientemente el equipo liderado por el profesor Jesús Sanz de la Universidad Miguel Hernández en colaboración con otros grupos europeos ha diseñado un tipo de moléculas que puede abrir un nuevo camino en la lucha contra el pneumococo. Y lo mejor es que precisamente no actúan sobre la armadura del neumococo, sino sobre lo que está debajo de ella.

Como se ha indicado más arriba, el neumococo es una bacteria Gram postiva. Eso quiere decir que la envoltura de la bacteria tiene la estructura siguiente: una membrana plasmática rodea al citoplasma (banda azul). A su vez la membrana es rodeada por una pared celular compuesta de peptidoglicano y ácidos teicoicos. Aunque el modelo biofísico de la pared de las bacterias aún está siendo dilucidado, podemos imaginarnos que una bacteria es como un edificio en el que la pared está hecha como si fuera hormigón armado y en ese caso el peptidoglicano es como una especie de cemento elástico y los ácidos teicoicos son como las varillas de acero que lo atraviesan y le dan su fortaleza. La cápsula de la que hemos hablado antes serían las placas de mármol o de aluminio que ponemos por fuera para embellecer al edificio.

En la parte de arriba se muestra un esquema de la envoltura del pneumococo. En azul oscuro se representa la membrana citoplasmática. Los hexágonos enlazados de azul claro sería el peptidoglicano. Las líneas verticales rojas y marrones segmentadas son los ácidos teicoicos y en verde se muestran la fosfocolina, lugar de unión de las CBP. En la parte de abajo se muestra la estructura del dominio de unión a colina de la amidasa LytA, la CBP mejor conocida (origen de la imagen).

El caso es que los ácidos teicoicos del neumococo están decorados con grupos de fosfocolina. Esos grupos le sirven a la bacteria para que se peguen una serie de Proteínas de Unión para Colina o CBP (Coline Binding Protein) que deben de realizar su función en el exterior de la célula. Siguiendo con la analogía del edificio, imaginemos que se necesita que unos operarios realicen tareas de mantenimiento externo de la fachada y para ello necesitan asegurarse a una serie de ganchos que se disponen en las barras de acero del hormigón armado. La fosfocolina serían esos ganchos. Evidentemente los operarios llevarían un mecanismo de anclaje a esos ganchos o bolsillos de unión a colina. Entre esas proteínas que cumplen su función en el exterior de la célula hay algunas implicadas en la finalización de la división celular, otras en la producción de toxinas y otras involucradas en la adherencia al hospedador.

Molécula de cloruro de colina

La idea desarrollada por el grupo de Jesús Sanz fue la siguiente. Si evitamos que esas proteínas CBP se unan a la fosfocolina de la pared celular no podrán cumplir su función y por lo tanto la bacteria no podrá dividirse, no podrá liberar toxinas y no podrá adherirse al hospedador. Una forma sencilla de comprobar dicha hipótesis es tomar un cultivo de neumococo y añadirle una gran cantidad de colina. Cuando se hace esto, las CBPs se unen a la colina que se ha añadido y no a la fosfocolina de la pared celular. Entonces las células no pueden separarse y forman largas cadenas y además dejan de producir toxinas.

Pero el problema es que la colina no puede ser usada terapéuticamente, al menos en las cantidades requeridas para producir dichos efectos si se lo administraramos a un paciente. Las CBPs tienen más afinidad por las fosfocolinas debido a que se presentan agrupadas en los ácidos teicoicos. Para resolver el problema los investigadores han diseñado un dendrímero, una molécula polimérica ramificada con forma de árbol, y que presenta una gran cantidad de sitios análogos a la colina en sus ramas y a los que las CBPs se unen. La estructura resultante mimetiza a la de los agrupamientos de fosfocolina de los ácidos teicocicos. Y las CBP's se unen con bastante afinidad a ellos. Tanto que dejan de cumplir su función para la célula. Y las concentraciones de uso son tan pequeñas que pueden ser utilizados como agentes terapéuticos

Estructura de los diferentes dendrímeros de poli(propileno imina) usados. Cada punto negro al final de las ramas es un grupo de colina (origen de la imagen) .

Pero lo mejor de la estrategia de usar estos dendrímeros como agentes antibacterianos es que es muy difícil que las bacterias puedan desarrollar resistencias frente a los mismos. La colina es parte del ácido teicoico y por ello es usada por muchas CBPs, luego la bacteria no puede sustituirla por otra cosa así como así. Es como si en los edificios tuvieran que cambiar los barrotes de acero del hormigón armado por barrotes de otro material. Tampoco pueden cambiar los dominios de unión a colina que se encuentran en las CBPs, porque en ese caso ya no se unirían a la fosfocolina de la pared y tampoco podrían cumplir su función. Los dendrímeros están engañando a las CBP's.

Efecto de la colina y de los dendrímeros en cultivos de neumococo. En el control se observan células normales y a su derecha el efecto de la colina. En las demás se indica el nombre de los diferentes dendrímeros mostrados en la figura anterior. Estos se usaron a concentraciones de 100 micromolar. En comparación la colina se uso a una concentración 500 veces superior (origen de la imagen).

Audio 1 y 2 en "El podcast del microbio"

Myxobacterias. Bichos con propulsión a chorro

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Las myxobacterias o mixobacterias, tienen el honor de ser el grupo de procariotas más complejo que se conoce. Individualmente parecen una bacteria más: un bacilo heterotrófico que vive en los suelos y que genera una gran cantidad de enzimas extracelulares.

Sin embargo cuando se analiza más profundamente a este grupo de bacterias nos encontramos con unas cuantas cosas muy llamativas. La primera es que su genoma es enorme. Casi 10 Megabases (E. coli tiene 4,6 Mb). La segunda es que es una bacteria social. Eso quiere decir que puede comunicarse con otras células de su misma especie y actuar conjuntamente.

El organismo modelo de este grupo de bacterias es la especie Myxococcus xanthus. Ya en 1892 el microbiólogo Roland Thaxter describió que dichos micoorganismos tenían un ciclo biológico que recordaba al de algunos hongos eucariotas. Thaxter encontró que, ante la falta de nutrientes, estas bacterias se agregaban y formaban cuerpos fructíferos o esporangios. Dentro de dichos esporangios se encontraban células diferenciadas en mixosporas. Las mixosporas permanecían latentes hasta que volvía a haber nutrientes en el medio. Entonces germinaban desarrollando un nuevo bacilo.

Recientemente las mixobacterias han deparado una nueva sorpresa. Hasta ahora se sabía que estas bacterias se mueven por deslizamiento gracias a la secreción de un polisacárido mucoso. Se pensaba que dicho polisacárido actuaba como una especie de superficie sobre la cual las proteínas de la membrana externa se adherían y permitían el movimiento de una forma análoga a las orugas de un tanque. Sin embargo un grupo de la Universidad de Connecticut ha encontrado otra cosa muy distinta.

Las mixobacterias generan el polisacárido en los polos de la célula y lo secretan a través de unas aberturas. Hay unas 250 en cada polo de la bacteria. Si el polisacárido es sintetizado lentamente, se secreta también lentamente y la bacteria no se mueve. Pero cuando el polisacárido es creado más rapidamente, entonces no puede salir por las aberturas a la misma velocidad. Eso crea una compresión de dicha molécula que acaba saliendo de forma muy parecida a la espuma de un spray. Con ello se crea un impulso que permite el deslizamiento de la bacteria como si fuera un cohete.

Esta forma tan curiosa de propulsión ha despertado el interés de varios nanotecnólogos pues consideran que puede ser una buena forma de desplazar pequeños objetos, y de hecho ya hay un grupo de la Universidad de North Carolina que está intentado buscar aplicaciones.

A continuación dejo una serie de enlaces a películas en formato quicktime sobre este interesante grupo de bacterias:

Movimiento por deslizamiento

Movimiento por deslizamiento. Formación de caminos mucosos.

Comportamiento social: agregación

Comportamiento social: ondas

Comportamiento social: avance en el frente de agregación

Comportamiento social: cuerpo fructífero. Vista desde arriba Comportamiento social: cuerpo fructífero. Vista de perfil Germinación de un esporangio al completo Germinación de myxosporas Alimentación: lisis de bacterias del género Sarcina. Audio en "El podcast del microbio" .