Lotka y Volterra

Lotka y Volterra (fuente de las imágenes: Univ. Princenton y Univ. Roma)

Cuando estudiaba en la carrera la asignatura de "Biofísica" y nos hablaron de los modelos matemáticos aplicados a los sistemas biológicos, nos contaron la siguiente historia.

Un corredor de apuestas de carreras de caballos tenía un amigo que era profesor de Física. Un día, tras perder una apuesta bastante cuantiosa expresó sus deseos de que hubiera alguna forma de predecir los resultados.
Su amigo le dijo:
-Bueno, quizás pueda ayudarte. En principio no parece un problema muy complicado. Tan sólo es una masa en movimiento sobre un plano, al que le afectan fuerzas como la gravedad, la inercia, la fuerza del caballo, la velocidad del viento, ... Creo que se podría desarrollar un modelo para predecir el resultado.
El corredor le miró esperanzado
-¿De verdad podrías hacer un modelo que hiciera eso? Estaría dispuesto a darte la mitad de mi dinero para financiar tu proyecto
El físico le dijo que sí, que sin ninguna duda. Así que el corredor le dio el dinero y el físico se puso a ello. Al cabo de un par de meses tenía hecho su modelo. El corredor apostó todo lo que le quedaba al caballo que según el modelo iba a ganar. Dio comienzo la carrera y el caballo seleccionado llegó el último.
El físico no podía entender que había pasado. Como es lógico, el corredor empezó a abroncar a su amigo y a responsabilizarle de la pérdida de su dinero. Así que le echó un vistazo al documento donde el físico había escrito su modelo. En la primera línea podía leerse:
-Considérese un caballo perfectamente esférico...

Fuente de la imagen

Y es que los modelos los carga el diablo. Son imprescindibles para una disciplina científica, pero siempre puedes encontrarte con que la Naturaleza hace otra cosa. Por lo que uno debe de volver a la mesa con lápiz y calculadora y comprobar donde ha metido la pata.

En 1925 se publicó Elements of Physical Biology, considerado como el primer libro de Biomatemática (de hecho las ediciones posteriores se titulan: Elements of Mathematical Biology). Su autor era el norteamericano Alfred J. Lotka. En dicho libro se proponía que la Selección Natural podía ser cuantificada como una ley física. Los seres vivos luchaban por el uso de la energía disponible. Los organismos que sobrevivían eran aquellos que capturaban y usaban la energía de una forma mucho más eficiente que sus competidores. Su trabajo inspiró posteriormente a una generación de ecólogos entre los que se contaba Howard T. Odum, que propondría la llamada Teoría de la Máxima Energía, que en algunos ambientes es conocida, de manera algo exagerada, como "La cuarta ley de la termodinámica".

En dicho libro, Lotka ampliaba los usos de un modelo matemático que había utilizado en 1910 para explicar el comportamiento de las reacciones químicas autocatalíticas. Se trataba de la llamada "ecuación logística". Para su trabajo se había inspirado en los trabajos de Malthus, transformados en ecuación por Pierre F. Verhulst, y que explicaba el crecimiento de una población de seres vivos.

dN/dt es la variación de una población en el tiempo.
r es la velocidad de crecimiento
K es la capacidad de carga del medio ambiente. El número máximo de organismos que pueden habitar un ecosistema para entendernos. Si la representamos nos sale algo así:

fuente: World of fungi

Esa ecuación funciona perfectamente si hay un sólo tipo de ser vivo. De hecho es la ecuación que explica el crecimiento de una bacteria en un matraz conteniendo un medio de cultivo. Pero ¿Qué ocurría si había dos tipos de seres vivos y uno se comía al otro?. Es decir, ¿qué pasa si hay depredadores y presas?

Lotka tuvo una idea brillante para resolver la cuestión. Aplicar la ley química de la acción de masas. Curiosamente esa misma idea la tuvo simultáneamente un catedrático de Física Matemática italiano llamado Vito Volterra. Éste llegó a la misma solución de Lotke pero comenzando el camino en un sitio distinto. En su caso hubo una intervención de la famiglia.

Umberto d’Ancona era el cuñado de Vito Volterra y trabajaba en la sección de pesca del Ministerio de Agricultura. Había observado un fenómeno curioso. Durante la Primera Guerra Mundial muchos pescadores fueron llamados a filas por lo que descendió el número de capturas. Al terminar la contienda se volvió a retomar la actividad pesquera. Se esperaba que durante los años del conflicto las poblaciones de caballas y atunes del Adriático se habrían incrementado. Pero sucedió todo lo contrario, habían disminuido. No solo eso. Las poblaciones de los depredadores (rayas y tiburones) si que habían aumentado. ¿Cómo explicarlo?

Como he indicado antes, ambos se basaron en lo que ocurre en una reacción química para desarrollar su modelo. En una reacción química tenemos moléculas de dos sustancias, A y B, que cuando chocan la una con la otra reaccionan para dar una tercera, C. Según transcurre la reacción, A y B desaparecen y se acumula C.

Pero en el caso de las atunes y tiburones sucedía esto:

Atún + Tiburón -> Tiburón gordo

Con un añadido:

Atún + Atún -> Atuncitos
Tiburón + Tiburón -> Tiburoncitos.

Es decir, los sustratos (el tiburón y el atún) se reproducen. Ambos consideraron que las poblaciones de las presas y los depredadores eran conjuntos que variaban en el tiempo por si mismos (reproducción) y por la interacción con el otro conjunto (depredación). Está claro que la población de presas va a depender del número de depredadores presentes y viceversa, así que el sistema se define con estas dos ecuaciones:

Y que quieren decir esas expresiones. Vayamos por partes de diría Jack el destripador.

dx/dt y dy/dt son la evolución de las presa (x) y la del depredador (y) en el tiempo. Si el valor crece es que la población aumenta, si decrece es que la población disminuye. Si es 0 es que la población se ha extinguido.

xy. Este término está inspirado en la teoría cinética de gases. En una reacción química que sucede entre una molécula A y otra molécula B, este factor define la probabilidad de que ambas moléculas choquen. Aquí representa la probabilidad de que una presa se encuentre con un depredador. Como es lógico, es proporcional al tamaño de las poblaciones. Si hay muchos depredadores y muchas presas la probabilidad será alta. Si hay poco de ambas la probabilidad será baja. Si hay mucho de uno y poco de otra, pues será un valor medio.

a: Coeficiente de desarrollo de las presas. Es decir (atun + atún= atuncitos)

b: Coeficiente que define la probabilidad de que una presa sea comida por un depredador

g: Coeficiente de Decaimiento de los depredadores. Si no hay presas que comer, el depredador se muere.

d: Coeficiente que define la probabilidad reproducción del depredador tras comerse a una presa.

Al integrar y resolver numéricamente el sistema se obtiene un comportamiento que probablemente no le resulte extraño a los físicos, pero que sorprendió a los biólogos por completo:

Las oscilaciones de las poblaciones de la presa y el depredador era una propiedad intrínseca del propio sistema y era independiente de las condiciones externas. Las soluciones al sistema se encuentran en un equilibrio dinámico. Si se representa en el plano de fase, el sistema está en un ciclo límite y se encuentra en algún lugar en el interior de estas soluciones elípticas.

Representación en el plano fase de las ecuaciones de Lotka-Volterra

El modelo de Lotka-Volterra fue confirmado experimentalmente por el científico ruso Gregory Gause utilizando los protozoos Didinium nasutum como predator y Paramedum caudatum como la presa. D. nasutum es el protozoo del dibujo, pero es un depredador implacable (fuente: Ggause.com y Microbewiki)

Las ecuaciones de Lotka-Volterra supusieron un gran avance en la Biología. Porque demuestra dos cosas. En primer lugar, un modelo tan sencillo era un sistema no lineal que no tenía una solución sencilla, y que manifestaba una serie de pautas internas propias.

En segundo lugar, la relación b/d nos da una idea de la eficacia de la depredación. Es un factor que define la "carrera de armamentos" biológica. A mayor b, la presa se escabulle del depredador. A mayor d, el depredador es más eficiente en la captura.

¿Y dónde está el "caballo esférico"? El modelo de Lotka-Volterra está muy simplificado. Funciona muy bien en el laboratorio o en condiciones muy simples, y eso es algo que no es frecuente en la Naturaleza. En primer lugar, los seres vivos no se comportan como los gases. Es decir, no ocupan homogéneamente un ecosistema ni se mueven aleatoriamente por el espacio. En segundo lugar, el modelo considera que la especie depredadora depende exclusivamente de la presa, lo cual no es cierto en el mundo real. En tercer lugar, asume que no hay cambio evolutivo. Y por último, se olvida por completo de la influencia de los factores ambientales. Como es lógico el modelo se ha ido refinando y se han añadido diferentes factores correctores (el propio Volterra añadió uno representando la pesca humana). Pero Lotka y Volterra fueron los pioneros en abrir camino en el mundo de la Biomatemática.

Esta entrada participa en el XV carnaval de la Física.
Esta entrada participa en el X carnaval de Matemáticas organizado por Francis (th)E mule Science's News.
Esta entrada es la segunda participación en el I Carnaval de la Química

Alan A. Berryman (1992). The origins and evolution of predator-prey theory Ecology, 73 (5), 1530-1535

Link al artículo de Berryman

Resistencia NDM-1. La historia de un nombre.

Reacción catalizada por las beta-lactamasas: la destrucción del anillo carbapenem supone la inactivación de la molécula de antibiótico (fuente: wikipedia)

De un tiempo a esta parte están apareciendo noticias sobre la aparición de una nueva resistencia a antibióticos. Dicha resistencia ha sido denominada NDM-1. El nombre proviene de las siglas de "Nueva Delhi Metalobetalactamasa-1". Empezando por el final, metalobetalactamasa identifica al tipo de enzima responsable de la resistencia. En este caso es una enzima que destruye a los antibióticos beta-lactámicos, más conocidos por el gran público como "penicilinas". Lo de "metalo" indica que esta enzima posee átomos de un metal en su centro activo, probablemente un par de 2 átomos de Zinc. La NDM-1 es una betalactamasa muy eficaz para nuestra desgracia. Acaba prácticamente con cualquier antibiótico betalactámico salvo el aztreonam.

Estructura del aztreonam, un antibiótico betalactámico monocíclico que no es destruido por la betalactamasa NDM-1 (fuente: Wikipedia)

Y ¿de dónde viene lo de "Nueva Delhi"? Es costumbre que cuando se aísla a una nueva cepa patógena se la bautice con el nombre de la localidad geográfica donde se encontró. Así por ejemplo existe una cepa Madrid para una Rickettsia prowazekiique produce el tifus y que fue aislada en los años de la posguerra. Aunque también puede utilizarse el nombre de la localidad donde la cepa es almacenada y estudiada. Entre los microbiólogos es una especie de "honor" hacia el microorganismo en estudio. Sin ir más lejos, en el caso de la nomenclatura de cepas de la levadura patógena del género Criptoccocus que estudiamos en mi universidad, las siglas CCA significan Colección Cryptococcus Alicante. Con NDM-1 sucedió una cosa curiosa. El artículo publicado en diciembre de 2009 que describe el primer caso clínico es de un grupo sueco. Entonces ¿por qué se llamó Nueva Delhi? La historia es como sigue.

Colonias de Klebsiella pneumoniae

Un ciudadano sueco de origen indio viajó a Nueva Delhi. Allí contrajo una infección urinaria por Klebsiella pneumoniae. El paciente fue tratado en un hospital de dicha ciudad con antibióticos como la amoxicilina, pero no mejoró. Así que se fue para Suecia, y los médicos de allí aislaron la bacteria y comprobaron que era resistente a varios antibióticos. Al analizar sus genes de resistencia se encontraron con que uno de ellos no había sido descrito anteriormente. Por ello le bautizaron con el nombre de la ciudad en el que el paciente había adquirido la infección.

Si NDM-1 hubiera sido una resistencia con un potencial de diseminación bajo, o no hubiera sido tan eficaz en su actividad de destruir antibióticos del tipo de las penicilinas, es probable que no se habría montado ningún revuelo. Pero NDM-1 se transfiere muy fácilmente a otras bacterias y es muy eficiente en su actividad. Desde entonces han ido apareciendo en la literatura científica más y más casos de infecciones producidas por bacterias que portan dicha resistencia. Así que no es de extrañar que el nombre Nueva Delhi Metalobectalactamasa-1 no le haya hecho ni pizca de gracia a las autoridades de la India. No en vano, a nadie le gusta que asocien el nombre de una enfermedad a su ciudad o país.

Mapa que muestra la distribución de las estirpes de enterobacterias que se han aislado conteniendo la resistencia NDM-1 en Bangladesh, India, Pakistan, y el Reino Unido. (fuente: Lancet Infect Dis)

Diez meses después de la publicación del primer caso, en agosto de 2010, se comunicó la primera muerte de un paciente debido a una infección con una bacteria portadora de dicha resistencia. Ese mismo mes, la revista médica "The Lancet" publicó el artículo titulado: Emergencia de un nuevo mecanismo de resistencia a antibióticos en la India, Pakistan y Reino Unido: un estudio molecular, biológico y epidemiológico.

El artículo causó bastante revuelo ya que se aconsejaba cierta precaución si alguien debía de someterse a cirugía en hospitales de la India. El ministro de sanidad de dicho calificó de "injusta·" la denominación NDM-1 exigiendo que fuera retirada y declaró que los hospitales indios eran perfectamente seguros. Incluso hubo diversos políticos que acusaron a la revista "The Lancet" de realizar propaganda maliciosa por parte de las multinacionales occidentales para asustar a los turistas. Las protestas y presión política ha sido tal que el pasado 12 de enero, Richard Horton editor de la revista "The Lancet", tuvo que pedir disculpas.

Sin embargo las pruebas científicas de que NDM-1 se originó en la India son cada vez más abrumadoras. En marzo, previamente a la publicación del polémico artículo, la asociación de médicos de la India ya había avisado de que el mal uso de los antibióticos por parte de numerosos doctores explicaba el origen de dicha resistencia. Ahora se ha publicado un artículo en la revista Antimicrobial Agents and Chemotherapy que indica que la resistencia NDM-1 está presente en la India al menos desde el año 2006. Es decir, tres años antes de ser descrita por el grupo sueco.

Este último estudio es fruto de un esfuerzo de varios laboratorios de Estados Unidos, Australia y la India. Y lo que han hecho es recoger muestras de antiguas infecciones de este último país que estaban depositadas en los archivos y colecciones de los hospitales. Entre las 1443 muestras analizadas han encontrado 15 en las que se encontraba la resistencia NDM-1. Y unas cuantas de ellas son de Nueva Delhi.

Pero este estudio levanta una pregunta más interesante. Si la resistencia estaba presente en el año 2006 ¿por qué las autoridades sanitarias de la India no dijeron ni hicieron nada? Si se hubiera identificado a NDM-1 antes, es muy probable que se pudiera haber evitado en parte su rápida diseminación a otros países. Pero ya sabemos que los políticos son especialistas en echar la culpa a otros.

Otros enlaces relacionados: Esos pequeños bichitos

Esta entrada participa en el I Carnaval de la Química

Yong D, Toleman MA, Giske CG, Cho HS, Sundman K, Lee K, & Walsh TR (2009). Characterization of a new metallo-beta-lactamase gene, bla(NDM-1), and a novel erythromycin esterase gene carried on a unique genetic structure in Klebsiella pneumoniae sequence type 14 from India. Antimicrobial agents and chemotherapy, 53 (12), 5046-54 PMID: 19770275

Kumarasamy KK, Toleman MA, Walsh TR, Bagaria J, Butt F, Balakrishnan R, Chaudhary U, Doumith M, Giske CG, Irfan S, Krishnan P, Kumar AV, Maharjan S, Mushtaq S, Noorie T, Paterson DL, Pearson A, Perry C, Pike R, Rao B, Ray U, Sarma JB, Sharma M, Sheridan E, Thirunarayan MA, Turton J, Upadhyay S, Warner M, Welfare W, Livermore DM, & Woodford N (2010). Emergence of a new antibiotic resistance mechanism in India, Pakistan, and the UK: a molecular, biological, and epidemiological study. The Lancet infectious diseases, 10 (9), 597-602 PMID: 20705517

Castanheira M, Deshpande LM, Mathai D, Bell JM, Jones RN, & Mendes RE (2010). Early Dissemination of NDM-1- and OXA-181-producing Enterobacteriaceae in Indian Hospitals: Report from the SENTRY Antimicrobial Surveillance Program (2006-2007). Antimicrobial agents and chemotherapy PMID: 21189345

XV Carnaval de la Física

Hola a todos y feliz 2011

Espero que los reyes magos os hayan traído muchos regalos. Como parece que este año me he portado bien, a mí me han dejado la organización del XV Carnaval de la Física.

No es difícil participar, pero como las azafatas y los salvavidas, os recuerdo las reglas básicas (aquí tenéis las reglas actualizadas):

1.- Tenéis que publicar un post en vuestro blog antes del 25 de enero. Es necesario que el post tenga que ver con la Física (*).

2.- Una vez publicado me enviáis un correo a

manuel5sanchez-arroba-yahoo.es

En el asunto del mensaje indicar “participación XV Carnaval de la Física”, porque eso me facilitará clasificar los mensajes. En el cuerpo del mensaje indicar el título de vuestro post y el link de dicho post.

(*) Como sabéis el espíritu del Carnaval es “divulgar la física en todas sus facetas”, pero en esta ocasión el blog anfitrión es “Curiosidades de la Microbiología” y además en el 2011 se celebra el Año Internacional de la Química así que creo que es una buena ocasión para poner las cosas un poco interesantes:

Si es posible que las entradas traten un tema que tenga alguna relación con el mundo de la Física y sus relaciones con los mundos de la Biología y/o de la Química.

El día 30 de enero publicaré en mi blog la lista de entradas participantes.

¡Ánimo!

Pulque, mezcal y tequila. Primera parte.

Mayahuel, la diosa asociada al agave o magüey (fuente: de la imagen)

Esta entrada está dedicada a todos los lectores mexicanos del blog. En más de una ocasión han sido los más numerosos y durante el 2010 han celebrado el aniversario de su Independencia, pero además va dedicada especialmente al amigo Alfonso Cuervo de Cienciamania, porque creo que fue gracias a su publicidad por la que este blog ha tenido tanto éxito en su país.

No existiría el tequila si dos mundos no hubieran chocado. Cuando en el siglo XVI los españoles arribaron a las costas mejicanas llevaron con ellos abundantes suministros de brandy en lugar de vino. La razón era económico-religiosa. El vino es la bebida oficial del cristianismo. Pero embarcar vino en toneles es caro. Además, en una larga travesía oceánica se corre el riesgo de que el vino se estropee y se eche a perder, con lo que el negocio puede ser ruinoso.

Los españoles aplicaron la misma solución que los monjes franceses medievales para llevar vino a Inglaterra durante la Edad Media. Como en la pérfida Albión no había viñas, los monjes ingleses tenían que comprar el vino a los franceses si no querían celebrar misas con cerveza (como San Gambrino). Pero eso significaba transportar barricas por barco. Los monjes franceses de la región de Cognac decidieron abaratar costes de transporte aplicando al vino un procedimiento árabe que habían aprendido en sus peregrinaciones por el Camino de Santiago. Destilaron el vino y produjeron brandy. De esa manera reducían el volumen a transportar y además evitaban que la bebida se estropeara. Una vez cruzado el canal de la Mancha, se añadía agua y voilá!, otra vez tenían vino para la misa (y para otras cosas más mundanas) que era vendido con pingües beneficios.

Planta de Agave tequilana (fuente: wikipedia)

Pues bueno, los españoles hacían lo mismo. Destilaban el vino en España, metían el brandy en barricas, lo transportaban por barco y una vez en las Américas, lo diluían y se lo bebían. Está claro que conquistar nuevas tierras da sed porque la demanda superó a la oferta rápidamente. Inicialmente los españoles se conformaron bebiendo pulque, un producto indígena obtenido de la fermentación de la savia del agave. Pero probablemente aquello les pareció un poco flojo (3 a 5º de alcohol) si lo comparaban con el vino (12º). Como es mucho más fácil fabricar un destilador que trasplantar y crecer unas viñas, a algún gachupín se le ocurrió que lo que se podría hacer era destilar esa bebida alcohólica que bebían los nativos. De esa forma nació el vino de mezcal o simplemente mezcal. Con el tiempo, la producción más famosa y numerosa fue la de la zona alrededor de la localidad de Tequila y para acortar, a la bebida se le comenzó a conocer sólo con dicho gentilicio.

A primera vista parece que sólo tenemos tres bebidas: pulque, mezcal y tequila. Y las tres tienen como base la fermentación de la savia de un tipo de planta. Pero en realidad la historia es un poquito más compleja. Comencemos por el principio.

Estructura de la inulina (fuente: wikipedia)

Los agaves o magueys son una familia de plantas suculentas (Agavaceae) endémica de América. Hay numerosas especies, siendo la más famosa el llamado ágave azul (Agave tequilana) del que se obtiene el tequila. La planta era aprovechada por los aztecas de múltiples maneras. Se elaboraban tejidos, agujas, tejas, medicinas, etc. Pero lo más valorado era la savia o aguamiel, rica en fructanos, sobre todo inulina. Para obtenerla lo que se hace es cortar las hojas y acceder al corazón de la planta, que se asemeja a una piña. Entonces se abre una hendidura en la que se acumula la savia y se recolecta mediante un caño vegetal (el acocote), como si fuera una pipeta. Su aspecto es lechoso y tiene un cierto sabor dulzón. Un agave necesita entre 4 a 12 años para madurar y ser recolectado. Podemos imaginar el esfuerzo y tiempo que se le dedica a controlar los cultivos y no sufran de plagas o deterioros. La edad de la planta afecta a la calidad del producto final sobre todo en cuanto a la composición de algunos compuestos volátiles. Cuanto más madura la planta, menos cantidad de metanol y mejor calidad final del producto (Pinal et al. 2009).

Elaboración tradicional del pulque. (a) hendidura en la planta donde se recoge la savia. (b) succión oral con el acocote. (c) savia sin inocular. (d) contenedores abiertos donde se realiza la fermentación de la savia. (e) pulque tras la fermentación. (f) pulque enlatado para su venta. (fuente: Lappe-Oliveras et al.)

La bebida alcohólica tradicional de los aztecas era el octli y debía contener un grado alcohólico de entre 3º a 5º. El motivo es que era un producto que se obtenía de una fermentación natural en la que intervienen bacterias y levaduras silvestres que se encontraban sobre las superficies vegetales. Es muy probable que los aztecas conocieran la técnica de utilizar cultivos iniciadores (starters) de una fermentación anterior para conseguir una homogeneización del producto final. Parece ser que sólo las clases dirigentes y sacerdotales podían beberlo (¡que morro!). Los aztecas tenían varios tipos de octli para usar en sus diferentes ceremonias. Como 5º de alcohol no es mucho no era raro que el octli se estropeara convirtiéndose en un producto maloliente al que llamaban poliuhquioctli. El hecho de que la palabra "pulque" se derive de ese término me hace sospechar que esa era la bebida que los indígenas daban a los sedientos gachupines mientras que se guardaban el octli del bueno para ellos.

La conquista de los españoles supuso que la bebida perdiera su carácter sagrado. Como bebida profana comenzó a ser consumida en grandes cantidades tanto por las clases populares como por los españoles. Además se le añadió azúcares provenientes de la caña de azúcar y el maíz, para así aumentar el grado alcohólico y obtener un aguardiente más fuerte de hasta unos 6º.

Arbol filogenético basado en el 16S rRNA de las bacterias que intervienen en la fermentación del pulque (origen: Escalante et al.)

En la fermentación del pulque intervienen varios microorganismos y se reconocen cinco fases: láctica, alcohólica, viscosa, acética y pútrida. Inicialmente el pH es neutro y hay muchas más bacterias (aprox 10⁹ por ml) que levaduras (5x10⁶ por ml). En la fermentación del pulque no sólo se obtiene alcohol. Debido a la gran biodiversidad microbiana también se producen otros compuestos que tendrán importancia organoléptica como son esteres y aldehidos. Según transcurre el proceso fermentativo, el pH se acidifica así que las poblaciones de levaduras se incrementan mientras que las de bacterias disminuyen (2 x10⁸ frente a 1x10⁸ por ml). Las poblaciones microbianas se suceden de esta forma: primero bacterias lácticas como Leuconostoc y Lactobacillus homo- y heterofermentativas. Son el grupo más importante representando casi el 81% de todos los grupos bacterianos presentes. A continuación las levaduras (Saccharomyces) y otras especies como Cryptococcus, Candida, o Kluyveromyces), y bacterias lácticas heterofermentativas como Zymomonas mobilis que producen etanol al fermentar los azúcares. En la tercera fase aparecen las bacterias lácticas como Leuconostoc que gracias a la producción de dextranos vuelven más viscoso al pulque. Dependiendo de las condiciones de temperatura este proceso puede durar entre 6 a 12 horas. A partir de aquí se entra en las fases fermentativas que estropean el pulque. En la siguiente fase aparecen las bacterias acéticas como Acetobacter y Gluconobacter que consumen el alcohol al mismo tiempo que acidifican el pulque. El último paso es la aparición de microorganismos típicos de la putrefacción como clostridiales y otros fermentadores anaeróbicos que producen compuestos volátiles azufrados.

En la savia recién recolectada puede observarse diversas morfologías bacterianas incluidas bacilos grandes y pequeños, cocos en cadenas cortas y cocos en largas cadenas. También pueden observarse formas globosas que corresponden a levaduras (¿Sacharomyces?). Tras la inoculación se observa una mayor abundancia de levaduras y de cocos de superficie rugosa dispuestos en largas cadenas, posiblemente especies de Sacharomyces y de Leuconostoc respectivamente. A las 3 y 6 horas tras la inoculación la cantidad de levaduras es muy grande así como de cocos dispuestos en cadenas. (origen: Escalante et al.)

Podemos imaginar que a los gachupines, acostumbrados a los más de 10º grados de alcohol del vino, el pulque les debía de saber a poco. Y encima estaba el problema de su fácil descomposición. Así que comenzaron a aplicar su tecnología para modificar y mejorar el producto, lo que originó el mezcal y el tequila.

Lappe-Oliveras P, Moreno-Terrazas R, Arrizón-Gaviño J, Herrera-Suárez T, García-Mendoza A, & Gschaedler-Mathis A (2008). Yeasts associated with the production of Mexican alcoholic nondistilled and distilled Agave beverages. FEMS yeast research, 8 (7), 1037-52 PMID: 18759745

Escalante A, Giles-Gómez M, Hernández G, Córdova-Aguilar MS, López-Munguía A, Gosset G, & Bolívar F (2008). Analysis of bacterial community during the fermentation of pulque, a traditional Mexican alcoholic beverage, using a polyphasic approach. International journal of food microbiology, 124 (2), 126-34 PMID: 18450312

Fotobacterias domésticas

El grupo investigador liderado por el Dr. Unschuld de la Streich Unniversität ha conseguido desarrollar una cepa bioluminiscente capaz de colonizar diversas superficies, incluida la piel humana. En la fotografía podemos ver el resultado (origen de la imagen: Nature Blogs). El objetivo final es utilizar dichas bacterias en los hogares como una alternativa más ecológica y barata a la luz generada mediante electricidad.

El mes pasado se anunció el desarrollo de árboles bioluminiscentes que podrían servir para señalizar las carreteras. El grupo del Dr XXX ha ido un paso más allá, al pensar que aquello que podría ser usado en el exterior bien podría ser usado en el interior de las viviendas.



Estas bacterias además tienen una ventaja adicional. El mecanismo de bioluminiscencia se activa gracias a un mecanismo de "quorum-sensing". Es decir, debe de haber una determinada densidad de población de bacterias para que estás comiencen a emitir luz. Y esa densidad sólo se alcanza si hay suficientes nutrientes en el medio que colonizan. Los investigadores han comprobado que el crecimiento de las bacterias es óptimo cuando las superficies colonizadas no son lavadas.

Las bacterias se alimentan de nuestros restos orgánicos como el sudor o las células muertas de nuestra piel. Es un gran acuerdo, y además ahorramos en agua y jabón, lo cual tiene importantes implicaciones medioambientales. Simplemente imagine la cantidad de CO2 que no va a generarse al no tener que calentar agua para lavarse. ha declarado Tag Schabernack miembro del grupo del Dr. Unschuld.

Este desarrollo biotecnológico también ha levantado algunas críticas. Son muchos los que temen que en caso de utilizarse dichas bacterias, las grandes beneficiarias serían las grandes corporaciones que fabrican desodorantes y perfumes.

Tras el anuncio del incremento de la factura de la luz en casi un 10%, el Ministerio de Industria ha mostrado su interés en estas investigaciones. Se plantea que en el recibo de la luz del 1 de abril se acompañe de una toallita empapada en un cultivo de dichos microorganismos para que se aplique sobre la piel de los contribuyentes. El tiempo de las bombillas parece haber llegado a su fin.

Matando bacterias con frío (bueno, no tanto)

fuente de la imagen

Uno de los grandes problemas sanitarios es la infección de heridas con bacterias multirresistentes a los antibióticos. Se están buscando tratamiento alternativos, sobre todo procedimientos físicos. En el blog ya hablamos de utilizar rayos láser. Ahora, se está intentando utilizar plasma frío.

Una colaboración ruso-germana ha probado una nueva técnica en un modelo animal en el que a ratas de laboratorio se les infligieron heridas y luego fueron infectadas con las bacterias Pseuodmonas aeuroginosa o Staphylococcus aureus, conocidas por ser bacterias que causan graves problemas hospitalarios. Tras un tratamiento de 10 minutos con un plasma de baja temperatura se pudo llegar a matar a un 90% de bacterias que infectaban las heridas sin dañar a los tejidos animales. El plasma mata a las bacterias incluso aunque formen un biofilm, lo que hace esta técnica mucho más interesante, ya que los biofilms suelen incrementar la resistencia de los patógenos a los antibióticos. El efecto bactericida se debe a que el plasma interfiere con el DNA y las envolturas de la bacteria.

Lampara de plasma (fuente: wikipedia)

El plasma se aplica mediante una especie de soplete que lanza el gas ionizado a una temperatura de unos 35º-40º centígrados. El lector podrá pensar que eso no es precisamente algo "frío". Pero es que en términos físicos, el plasma es un estado de la materia similar a un gas, en el que una porción de sus partículas están ionizadas. Normalmente se requiere una gran cantidad de energía para producirlo, como por ejemplo una descarga eléctrica como la que podemos observar en los rayos. En esos casos se pueden alcanzar temperaturas de hasta 27.000 grados. Lo difícil es producir plasmas a temperatura ambiente y a presión atmosférica.

A la izquierda se puede ver una placa petri de agar-sangre que ha sido tratada con plasma en el centro. Los puntitos con halos claros alrededor son colonias bacterianas que han producido hemólisis. A la derecha se ve una placa control en la que no hay bacterias inoculadas (fuente: Popular Science)

Lo que han hecho los investigadores han es que el plasma contuviera una fracción muy pequeña de partículas ionizadas, de esa forma el calor de los electrones que están supercalentados se distribuye entre las moléculas no ionizadas, lo que convierte al plasma en "frío". Son esos electrones ionizados los que acaban con las bacterias, ya que al parecer las células animales pueden aguantar mejor sus efectos nocivos.

Fuente de la historia: Popular Science

Esta entrada participa en el XIV carnaval de la Física

Svetlana A. Ermolaeva, Alexander F. Varfolomeev, Marina Yu. Chernukha, Dmitry S. Yurov, Mikhail M. Vasiliev, Anastasya A. Kaminskaya, Mikhail M. Moisenovich, Julia M. Romanova, Arcady N. Murashev, Irina I. Selezneva, Tetsuji Shimizu, Elena V. Sysolyatina, Igor A. Shaginyan, Oleg F. Petrov, Evgeny I. Mayevsky, Vladimir E. Fortov, Gregor E. Morfill, Boris S. Naroditsky, & Alexander L. Gintsburg (2011). Bactericidal effects of nonthermal argon plasma in vitro, in biofilms and in the animal model of infected wound Journal of Medical Microbiology

La tuberculosis en el cine

Ya que este año se ha cumplido el centenario de la muerte de Koch, el último número de la revista "Medicina y Cine" es un número monográfico dedicado a la tuberculosis. Entre sus páginas podemos encontrar un artículo con un catálogo de 400 películas en las que aparece dicha enfermedad.

Muy interesante y educativo

El conde Espiroqueta y el diablillo Gonorrea

En la revista digital "Wired" me he encontrado este curioso vídeo en dibujos animados dedicado a informar sobre la sífilis y la gonorrea. Fue producido por la Marina Estadounidense en 1973. No es tan bueno como el producido por Disney unos años antes (y que ya se comentó en el blog) pero merece la pena verlo.

Aunque está en inglés es bastante fácil de seguir. El protagonista es el Conde Espiroqueta, en referencia a la morfología de Treponema pallidum, el cual es galardonado con el premio "Jinete del Apocalipsis" desbancando a otras enfermedades como la gripe, la difteria, la viruela o la tuberculosis, ya que se las supone "bajo control". Hay que tener en cuenta que está realizado en una época en la que se pensaba que los antibióticos habían vencido a las principales enfermedades infecciosas y que está dirigido a los reclutas de una nación del primer mundo, en donde la tuberculosis no es un grave problema sanitario. Otra omisión es que no hablan de que es una enfermedad importada desde las Américas. En el vídeo se da a entender que es de origen europeo y que se reactivo con las guerras del Renacimiento (aunque los guerreros que salen son de la Edad Media). El protagonista secundario es Neisseria gonorrhoeae que es descrito como un diablillo al que le encanta incendiar la mucosa de la uretra.

El documental describe bastante bien las diferencias entre la sífilis y la gonorrea, sobre todo en cuanto a la infectividad y los síntomas que causan. Por ejemplo, el porqué de que la infección por gonorrea sea tan dolorosa en el hombre mientras que en la mujer puede pasar desapercibida. O porqué se produce el chancro en la sífilis.

Celestinas microbianas

Vuelvo a publicar una traducción de uno de los estupendos artículos del blog "Small Things Considered" escrito por Moselio Schaechter y Merry Youle. En este caso es un escrito de Merry titulado “Microbial Matchmakers” cuya traducción literal sería ”Casamenteros Microbianos”, pero me ha parecido que en español es más descriptivo utilizar el nombre del famoso personaje literario de la obra de Fernando de Rojas.

Una pareja de Drosophila melanogaster (fuente: wikipedia)

En el año 1983, investigadores de la Universidad de Yale imitaron una técnica microbiológica para estudiar la evolución de un locus genético individual en un animal pluricelular – usar distintos medios de crecimiento para seleccionar mutantes nutricionales. Tomaron distintas poblaciones de Drosophila pseudoobscura y las crecieron en un medio que contenía como única fuente de carbono o bien maltosa, o bien almidón. Así observarían los cambios hereditarios en la frecuencia de las alozimas de la α-amylasa y la localización de dicha enzima en el intestino de las “moscas del almidón”. Interesante, útil, pero no revolucionario.

Unos años después, una estudiante de doctorado de Yale trabajaba con las mismas moscas y observó algo inesperado. Al estudiar las poblaciones que habían sido crecidas durante un año en el medio de maltosa, o en el medio de almidón, encontró que las “moscas del almidón” preferían para aparearse a otras crecidas en almidón y no en maltosa, y viceversa. Las “moscas de la maltosa” preferían a moscas crecidas en maltosa. En su artículo concluía que el nuevo comportamiento era un efecto pleiotrópico causado por la adaptación a los distintos medios de cultivo.

La observación quedó sin explicación durante dos décadas hasta que un grupo de cinco investigadores israelitas y uno de Maine lo han vuelto a analizar y se han encontrado con unos curiosos, y microbiológicos, hallazgos (Estaba claro que debía de haber algún microbio por algún sitio o de lo contrario no estaría escribiendo sobre el apareamiento de las moscas). En un reciente artículo del PNAS han presentado evidencia de que las moscas crecidas en diferentes medios de cultivo portan diferentes poblaciones de comensales bacterianos y que son ellas las que hacen de celestinas.

Los investigadores utilizaron una cepa de laboratorio de D. melanogaster mantenida en el típico medio comercial a base de maíz, melaza y extracto de levadura (medio CMY por cornmeal-molasses-yeast agar). Para sus experimentos, dividieron a las moscas en dos grupos. Uno se mantendría en medio CMY y el otro en medio de almidón durante un determinado número de generaciones. Después de eso, los dos grupos de moscas se crecieron durante una generación en medio CMY para eliminar cualquier efecto directo del medio, antes de ser examinada la preferencia de apareamiento. Otra vez volvió a observarse que las parejas eran homogámicas (igual con igual)- las moscas-CMY preferían a otras moscas-CMY, las del almidón a otras moscas del almidón- y además el resultado se producía en una especie distinta de Drosophila mantenida en un medio de cultivo distinto.

Procedimiento experimental. Una población de moscas fue dividida y mantenida por un determinado número de generaciones en almidón, o en medio CMY. Después se crecieron durante una generación en medio CMY y se examinó la preferencia de apareamiento. Los análisis de elección-multiple de apareamiento se realizaron en pocillos que contenían cuatro moscas: un macho y una hembra criados en almidón y un macho y una hembra criados en CMY. (Fuente: Sharon et al.)

No se pararon ahí. Lo siguiente que examinaron era cómo de rápidamente surgían las preferencias de apareamiento tras haber sido transferidas a un medio de cultivo diferente. La respuesta fue que bastaban dos generaciones. Esta adaptación casi simultánea mostrada por un animal pluricelular, le evocó a Eugene Rosenberg, uno de los autores del estudio, una observación que realizó cuando estudiaba el blanqueamiento del coral Oculina patagonica en la costa mediterránea de Israel. Estos corales sufrían el blanqueamiento debido al patógeno Vibrio shiloi, cuando en el 2004 de repente comenzaron a mostrar resistencia a la infección. En un artículo posterior Ilana Zilber-Rosenberg y Eugene Rosenberg, hicieron notar que todos los animales y plantas del coral portan una microbiota muy compleja que les permite responder rápidamente a los cambios de las condiciones ambientales. Cuando hay un ataque de un nuevo patógeno, la exposición a un herbicida o cualquier otro daño ambiental, la selección natural actúa sobre el holobionte - el hospedador más los simbiontes. La adaptación a las nuevas condiciones puede venir dada por cambios en el genoma del hospedador o de cualquiera de los simbiontes, o por la adquisición de nuevos simbiontes, o por un cambio en la abundancia relativa de los simbiontes que ya porta.

Volviendo a los experimentos con Drosophila, el resultado sugería que la rápida adquisición de una nueva preferencia de apareamiento podría ser debida a un cambio en la microbiota de la mosca. ¿Alguna evidencia de ello? Si se trata a las moscas del almidón o del CMY con antibióticos y se las “cura” de su microbiota, las moscas no muestran ninguna preferencia, y los apareamientos son al azar. Más aún, si se analiza el 16S rRNA de las distintas microbiotas se observan marcadas diferencias entre la proveniente de las moscas CMY y la del almidón. Una especie - Lactobacillus plantarum – representa el 3% de la microbiota comensal de las moscas CMY, pero llega a ser el 26% en las moscas del almidón (viables totales: 2,3 x 10⁵ por mosca). Esto no es muy sorprendente ya que es conocido que un cambio en la dieta de un animal supone un cambio de su microbiota y L. plantarum produce una gran cantidad de α-amylasa. ¿Más evidencias? Si infectamos a las “moscas curadas” con L. plantarum se restablecen su preferencias de apareamiento. La infección con otras bacterias cultivadas aisladas de las “moscas del almidón” – ya sea individualmente o como un cóctel de 41 cepas – no produce el mismo efecto. Las Wolbachia endosimbiontes no están involucradas ya que ambos grupos de moscas tienen las mismas cepas de Wolbachia y las reinfección de “moscas curadas” con Wolbachia no restablece las preferencias de apareamiento.

Resultados de los exámenes de preferencia de apareamiento después de haber crecido separadamente durante 11 generaciones en medio con almidón o en medio CMY. (Fuente: Sharon et al.)

Quedan algunas preguntas, no siendo la menos importante cómo esos microbios comensales afectan la selección de pareja. Lo que me viene a la cabeza es que ellos podrían alterar las feromonas sexuales de la mosca. Drosophila y muchos otros dípteros portan en sus cutículas feromonas de largas cadenas hidrocarbonadas (denominadas hidrocarburos cuticulares o CHs). Otra moscas perciben esos compuestos tras el contacto o a distancias cortas. Se han caracterizado 56 CHs en D. melanogaster, algunos de los cuales son específicas para machos o hembras y se ven alteradas tras el apareamiento. El grupo investigador ha realizado un cribado inicial de los CHs presentes en las moscas-CMY y las moscas del almidón, buscando diferencias que puedan ser atribuidas a la alteración de la microbiota. De hecho esas diferencias existen y su número se reduce tras la “cura” con antibióticos. Sería interesante encontrar si L. plantarum hace alguno de esos CHs o como altera la sintesis de CHs por el hospedador.

La preferencia de apareamiento (assortative mating) es una de las formas de producir el aislamiento reproductivo sin necesidad de separación física, un mecanismo requerido para la especiación simpátrica. Es delicioso encontrar que un gran efecto evolutivo pueda ser debido a una Small Thing.

Sharon G, Segal D, Ringo JM, Hefetz A, Zilber-Rosenberg I, & Rosenberg E (2010). Commensal bacteria play a role in mating preference of Drosophila melanogaster. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107 (46), 20051-6 PMID: 21041648

Vida y arsénico. Star Trek se anticipó a la NASA

No voy a hacer competencia al estupendo blog "Física en la Ciencia-Ficción" pero me he encontrado esta historia en el blog "Biology in Science Fiction" y me parece bastante adecuada para relajarse durante el fin de semana después de la polémica sobre los microorganismos que quizás puedan usar el arsénico.

Resulta que los organismos arseniófilos ya han sido descritos en obras de ciencia-ficción. El primer ejemplo son los feroces klinglons de la serie Star Trek. En la novela "Doctor's Orders" escrita en 1990, el capitán Kirk y el doctor Bones mantienen una conversación sobre la salsa klingon denominada tabekh. Bones le dice a Kirk que mejor no la pruebe ya que lleva arsénico. Kirk se sorprende y Bones le explica que los klingons la encuentran deliciosa por su sabor amargo, y que además requieren arsénico en su dieta.

El segundo ejemplo son los "micros" imaginados por la bióloga y escritora de Ciencia-Ficción Joan Slonczewski. En el año 2000 publicó la novela "Brain Plague". Los "micros" son unos microorganismos extraterrestres arseniófilos estrictos que son capaces de desarrollar un comportamiento inteligente cuando viven de manera simbióntica en el interior de los cerebros de los humanos. Funcionan de manera análoga a unos microprocesadores en paralelo. Aquellos humanos infectados aumentan sus capacidades intelectuales, tanto a nivel científico como artístico, pero los microbios también quieren algo a cambio que puede significar el fin de la humanidad.

Buen fin de semana.


Enlaces relacionados:
Arsénico por sustitución
El arsénico puede esperar

El arsénico puede esperar

Ciertamente, el artículo sobre la bacteria que puede utilizar arsénico en lugar de fósforo ha levantado polvareda. Así que el objetivo propagandístico de la NASA se ha cumplido.

Pero también han empezado a aflorar las críticas. Gracias a César Sánchez he tenido noticia de la realizada por la microbióloga Rosie Redfield de la Universidad de la Columbia Británica. Es bastante larga, y dura, así que voy a resumir los principales puntos.

Crítica principal: básicamente no presenta NINGUNA evidencia de que el arsénico se haya incorporado en el DNA (ni en ninguna otra molécula)

¿En qué se basa Rosie Redfield para decir eso?

1.- Las curvas de crecimiento.
No hay una buena correspondencia entre ellas. Lo grave no es que el eje de ordenadas (eje y) esté en escala lineal (Densidad óptica u OD) y la otra en logarítmica (Nº de células). Lo grave es que parecen decir cosas distintas. La Densidad óptica nos mide la masa del cultivo, que a su vez debe equivaler al número de células. Fijémonos en el valor del cultivo con fosfatos. Alcanza un valor de 0,25. Vayamos ahora a la gráfica del número de células y tendremos que se llega a un valor de unos 2'5 x 10⁸ células por mililitro. Observemos ahora que ocurre en presencia de arsénico. El valor de OD es de 0,15. Si hacemos una regla de tres, a ese valor le debería corresponder un número de células de 1,5 x 10⁸ células por mililitro. Sin embargo en la gráfica B observamos que el valor es más bien de 1,5 x 10⁷, es decir, diez veces menor de lo esperado.

Curvas de crecimiento de GFAJ-1 en diferentes condiciones de cultivo. En A se representa la densidad óptica y en B el número de células de los cultivos en presencia de fosfato (línea contínua y círculos negros), arsenato (línea discontinua y cuadrados negros) y sin fosfato ni arsenato (línea continua y triángulos blancos). La explicación de las microfotografías C, D y E se puede leer en la anterior entrada de este blog. (Fuente: Wolfe-Simons et al.)

2.- Puede haber suficiente fósforo en el medio.
Los autores admiten que no pueden evitar una presencia residual de fosfato de 3 μM. Rosie Redfield hace unos sencillos cálculos y encuentra que en cada mililitro debe de haber 1.9 x 10¹⁵ átomos de fósforo. Asume que las células tienen un genoma de 5 MB (es es un genoma muy grande) y que esa cantidad de DNA requiere la mitad de fósforo de la célula. La otra mitad sería para el RNA y otras moléculas (en mi opinión requiere al menos 3 veces más para hacer los fosfolípidos de la membrana interna y de la externa). Si sus cálculos son correctos, una célula necesitaría 2 x 10⁷ átomos (asumamos 8 ⁷ contando fosfolípidos). Entonces si dividimos encontraríamos que en un sólo mililitro hay fósforo suficiente para mantener a 9,5 x 10⁷ células (2,3 x 10⁷ con fosfolípidos). Como en la gráfica B observamos que en el máximo de crecimiento con arsénico hay 1,5 x 10⁷ células por mililitro entonces tenemos que las células podrían haber crecido sin necesitar el arsénico (incluso contando los fosofolípidos).

Además, como bien apunta César en los comentarios, no se puede descartar que las bacterias puedan tomar el fósforo de las que mueren. Reciclar a los muertos cuando el cultivo se encuentra en fase estacionaria es algo que se ha estudiado en E. coli, y no sería nada raro encontrarlo en un microorganismo que vive en un ambiente tan oligotrófico.

3.- ¿Cuánto fósforo se necesita para vivir?
Los autores afirman que una bacteria heterotrófica presenta en su composición entre un 1 a un 3% de fósforo en el total del peso seco. Pero ese dato se refiere a E. coli creciendo en un medio rico. La cepa GFAJ-1 presenta un 0,02% de fósforo cuando es crecida en arsénico y un 0,5% cuando se crece en presencia de fósforo. Además, la concentración ha sido calculada en base al peso de la célula, y las crecidas en arsénico contienen gránulos de PHB (posiblemente) así que es probable que la proporción sea mayor.

4.- Para demostrar la incorporación de fósforo a las biomoléculas han utilizado una combinación de técnicas low-tech para preparar el material y high-tech para identificar los átomos
Esto se ve claramente en el apartado que trata de demostrar que el DNA de las células crecidas en arsénico lleva átomos de dicho elemento en su composición. La extracción del DNA se realiza se realiza a partir de la banda de un gel de agarosa. Luego miden la relación del arsénico respecto del carbono total.

Hay que tener en cuenta que en un DNA normal hay un átomo de fósforo por cada diez de carbono (razón 1:10). Cuando realizan el estudio obtienen que en una bacteria crecida en fósforo la razón es de 6.9 x 10^-6. Eso quiere decir que en un genoma de 2 Mb habría unos 200 átomos de arsénico y 4 millones de átomos de fósforo. Cuando se mira la razón en células crecidas en arsénico esta es de 1.34 x 10^-5, es decir que habría 400 átomos de arsénico. El resto deben de ser de fósforo.

Sobre los datos del sincrotrón, la autora reconoce que esa técnica le supera, pero no ve como puede distinguir entre el arsénico que está en el medio de cultivo y el que está integrado en las moléculas.

Hasta aquí el resumen. Hay muchas más cosas, pero creo que con lo indicado aquí basta para poner el artículo en cuarentena y esperar que se confirme.

Y para terminar la anécdota. El nombre de GFAJ-1 es el acrónimo de Give Felisa A Job. Felisa es el nombre de la primera autora del artículo y al parecer es porque estuvo bastante tiempo pidiendo una beca para investigar.


ACTUALIZACION: Rosie Redfield ha colgado en su blog la carta que va a mandar a Science. Añade un punto más. El DNA lo analizan sin extraerlo del gel de agarosa con lo que la proporción de Carbono es errónea porque se mide la del DNA y la del gel.

Wolfe-Simon, F., Blum, J., Kulp, T., Gordon, G., Hoeft, S., Pett-Ridge, J., Stolz, J., Webb, S., Weber, P., Davies, P., Anbar, A., & Oremland, R. (2010). A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus Science DOI: 10.1126/science.1197258

Arsénico por sustitución

Tenía pensado seguir con el tema del microbioma, pero había que concluir el tema de las "noticias impactantes" de la NASA.

A mí me han parecido un poco defraudantes, lo que no me pilla de sorpresa. No han descubierto ninguna nueva forma de vida, ni en este planeta y mucho menos en otro lugar del universo. Pero la noticia tiene su interés. Parece ser que han conseguido obligar a un ser vivo a crecer usando arsénico en lugar de fosfato para sus biomoléculas. Y eso incluye a los ácidos nucleicos.

Recordemos que el fósforo es un bioelemento esecial. Los seres vivos lo usan para hacer ATP que usan como moneda energética en el metabolismo. Pero también se usa para hacer unas cuantas biomoléculas, principalmente los ácidos nucleicos y los fosfolípidos. En una entrada anterior del blog vimos que hay microorganismos que son capaces de usar nitrógeno en lugar de fósforo para los lípidos. Ahora, parece que el arsénico puede sustituir al fósforo en los ácidos nucleicos. Tengamos en cuenta que el arsénico está debajo del fósforo en la tabla periódica, así que son elementos análogos en cuanto a su reactividad química. De hecho, ese parecido es lo que explica la toxicidad del arsénico. Se incorpora en las rutas metabólicas del fósforo sustituyéndolo en la formación de enlaces ésteres. Pero a diferencia del fósforo, las biomoléculas que llevan arsénico en su composición son mucho menos estables.

Microfotografías electrónicas de barrido de la cepa GFAJ-1 creciendo con arsénato (C) y con fosfato (D). Nótese que las primeras tienen un mayor volumen que las segundas. La microfotografía E es de microscopía de transmisión y muestra posibles depósitos de hidorixibutirato en las células de GFAJ-1 que han crecido en arseniato. (Fuente: Wolfe-Simons et al.)

¿Cómo han conseguido "convencer" a un microorganismo para utilizar arsénico? Pues como suele decirse, a la fuerza ahorcan. Lo que han hecho es coger fango del lago Mono en California, un lago hipersalino con altas concentraciones de arsénico. Ese fango sirvió como inóculo de un medio de cultivo con un pH de 9,8 que contenía 10 mM de glucosa, vitaminas, algunas trazas de metales, arseniato (AsO₄^3-) en una concentración de 100 μM, y no se añadió fosfato. Es decir, realizaron lo que se conoce como un cultivo de enriquecimiento, ya que lo que se deseaba era favorecer a los microorganismos que pudieran medrar en esas condiciones de baja disponibilidad de fosfato.

Hay que tener en cuenta que al iniciar el cultivo si hay fosfato presente. El que contiene el fango y los microorganismos que lo habitan. Así que una vez ha crecido ese primer cultivo los investigadores tomaron una alícuota y la usaron como inóculo de un medio de cultivo similar (en una dilución de 10x). Con eso lo que se consigue es reducir la cantidad de fosfato disponible. Esto lo repitieron unas cuantas veces más, al mismo tiempo que incrementaron la cantidad de arsénico del medio llegando a alcanzar los 5 mM. La cantidad de fosfato del medio debida a impurezas en las sales quedó en unos 3 μM.

En la séptima transferencia, tomaron una alícuota y la cultivaron en una placa petri con el mismo medio de cultivo. De esa forma obtuvieron colonias aisladas. Una de ellas, denominada cepa GFAJ-1, fue repicada y transferida a un medio de cultivo sin fosfato. Se volvió a incrementar la cantidad de arsénico hasta alcanzar los 40 mM. Al mismo tiempo, secuenciaron el 16S rRNA de la cepa para saber de que microorganismo se trataba. Es un miembro de la familia Halomonadaceae que crece con un tiempo de generación de 31 horas en presencia de arsénico y sin fosfato. Si se crece en un medio con fosfato (1,5 mM) y sin arsénico, el microorganismo crece entonces con un tiempo de generación de 19 horas y se obtienen 10 veces más células en fase estacionaria. Si no hay ni fosfato ni arsenato en el medio, el microorganismo no crece.

Análisis Nano-SIMS de células de GFAJ-1 creciendo con arseniato (imágenes B, D y F) o con fosfato (imágenes C, E y G). SIMS son las siglas en ingles de Secondary ion mass spectrometry y lo que nos dice esta técnica es la composición elemental de las células. A mayor color, más cantidad del elemento (As o P) que se está midiendo. (Fuente: Wolfe-Simons et al.)

Utilizando un isótopo de arsénico (⁷³As) han determinado donde se incorpora dicho elemento. Y se incorpora tanto a los ácidos nucleicos, a los lípidos, a los intermediarios metabólicos y a las proteínas. Es decir, sus datos parecen confirmar el hecho de que el arsenato puede actuar como un análogo químico del fosfato en las biomoléculas. Pero no olvidemos que la cepa GFAJ-1 no es un arsenófilo estricto. Si hay fósforo en el medio, lo preferirá al arsénico.

Reconozco que el trabajo es interesante pero ¿qué importancia tiene para la NASA y la exobiología? Pues la verdad, aparte de demostrar que puedes obligar a un ser vivo a utilizar arsénico en lugar de fosfato, yo no le veo mucho más (sí, me ha molestado bastante la forma tan burda de hacer publicidad). Que yo sepa el fósforo es más abundante que el arsénico por regla general, y encima sus esteres son más estables. Así que una forma de vida extraterrestre probablemente utilice el fósforo antes que en el arsénico para su química. Pero evidentemente, si estos resultados se confirman, habrá que decir que el fósforo no es un elemento totalmente esencial para que exista vida.

La crítica a este artículo

Otros enlaces sobre esta historia:

Biounalm
Ciencia Kanija
Experientia Docet
La ciencia de la vida, la biología
La ciencia y sus demonios

Wolfe-Simon, F., Blum, J., Kulp, T., Gordon, G., Hoeft, S., Pett-Ridge, J., Stolz, J., Webb, S., Weber, P., Davies, P., Anbar, A., & Oremland, R. (2010). A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus Science DOI: 10.1126/science.1197258

Qué será, será... pues no será para tanto.

Bueno, sólo faltan 24 horas para que la NASA de la rueda de prensa con "noticias impactantes", tal y como se recogía ayer en Maikelnai's blog. Hoy, el periódico "ABC" da una pista sobre lo que puede tratar dicha conferencia, pero es el periódico "Daily Mail" el que da más detalles.

Al parecer se va a publicar en la revista Science un artículo sobre el descubrimiento de unas bacterias cuyo metabolismo energético está basado en el arsénico en lugar de en el fósforo. Dichas bacterias se han aislado del lago Mono, un lago hipersalino localizado en California.

O sea, que de bichitos verdes extraterrestres, nada de nada. Vaya farol que se han marcado los de la NASA (como otras veces).