BioUnalm for dummies #2 – Transformación genética bacteriana

Una de las técnicas de las cuales hacemos mención en varios artículos publicados en el blog, es la transformación genética de las bacterias que, básicamente, consiste en insertarle un gen que no le corresponde, el cual puede ser de una especie relacionada o de otra muy distante, para así poder expresarlo en un microorganismo que sea más fácil de cultivar, y poder producir una determinada proteína para poder aislarla, estudiarla y hasta comercializarla.

Las bacterias tienen tres principales mecanismos de captación de genes ajenos. Una es la conjugación, la cual se caracteriza por el paso de uno o varios genes mediante plásmidos o transposones a través del contacto directo entre dos o más bacterias. Es lo más cercano al sexo en las bacterias. Para que se de este mecanismo, una de las bacterias debe ser la donadora y otra la receptora. La donadora debe tener la capacidad de formar un pili sexual, que es una extensión de la membrana citoplasmática.  Este pili sexual hace el primer contacto con la bacteria receptora y las acerca una contra la otra hasta establecer el contacto.

El segundo mecanismo es la transducción, el cual consiste en el paso de un gen de una bacteria a otra a través de un virus bacteriano llamado fago. Este mecanismo es un poco más raro pero puede transferir genes muy importantes de una bacteria a otra. Los fagos, al infectar una bacteria, insertan su ADN en el genoma del huésped convirtiéndose en un profago (fase lisogénica), el cual se mantiene ahí, replicándose a medida que se divide la bacteria y, por algún mecanismo tal como el estrés, se activan y se expresan (fase lítica). Generan proteínas que forman una cápsula que empaquetará el ADN del fago para así poder infectar otra bacteria. Al momento de empaquetar el ADN del fago, también puede empaquetar ADN de la bacteria, y este ADN puede ser transferido a otras bacterias.

Finalmente, el tercer mecanismo es la transformación, la cual consiste en la captura de ADN que se encuentra libre en el ambiente, sin la necesidad que sea transferido por otra bacteria o por un fago. Para esto, la bacteria debe ser competente, lo cual significa que debe estar en un estado que facilite el paso del ADN a través de la membrana citoplasmática. La competencia se logra ya sea mediante la activación de genes que formen estructuras llamadas transformosomas, las cuales capturan el ADN libre; o mediante algún sistema que permeabilice la membrana citoplasmática para permitir el paso del ADN.

Sin embargo, se puede permeabilizar la membrana citoplasmática mediante el uso de iones como el Calcio o a través un campo eléctrico. Esto es muy usado por los investigadores para insertar genes en cualquier bacteria. Recordemos que las membranas citoplasmática son anfipáticas (tienen una región con carga eléctrica o polar, y otra sin carga o apolar). Como el ADN tiene carga negativa, necesita neutralizarse para poder pasar a través de la región apolar de la membrana citoplasmática y esto se logra con iones positivos o con un campo eléctrico.

Pero el ADN  no puede transferirse así por así, lo mejor es hacerlo a través del uso de vectores de transformación, los cuales pueden ser plásmidos (pequeñas moléculas de ADN circular que no se integran al genoma bacteriano) o cósmidos (igual a los plásmidos pero si se integran al genoma de la bacteria).

Para saber más sobre estos mecanismos de transferencia de genes, visiten el siguiente link que incluye videos muy didácticos: http://bit.ly/id439p

Así que el presente video les mostrará parte de cada uno de estos mecanismos, enfocándonos principalmente en la transformación genética, que es la más usada en los trabajos de investigación.

Recuerden que BioUnalm for dummies sale cada 15 días (a mediados y fines de mes). Puedes proponer un tema para el siguiente episodio.

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Halaven®, un triunfo de la síntesis química para el tratamiento del cáncer de mama

Una nueva droga para el tratamiento del cáncer de mama ha sido aprobada este mes por la FDA (US Food and Drug Administration). Se trata del Halaven® (Mesilato de eribulina), que hasta hace poco se encontraba en la fase III de sus ensayos clínicos, y que finalmente fue aprobada para su comercialización, el 15 de noviembre pasado.

Han sido 25 años de arduo trabajo para desarrollar esta droga, pero, ¿por qué tanto tiempo? Todo empezó en el año 1986 con el descubrimiento de la halicondrina B,  un potente antitumoral producido por una esponja marina llamada Halichondria okadai. El problema era que este compuesto estaba presente en muy bajas concentraciones, haciéndolo difícil de aislar y determinar su estructura química, que es lo principal para entender el funcionamiento de la molécula.

Algunos años después, el químico orgánico Yoshito Kishi de la Universidad de Harvard estaba decidido a determinar la estructura química de este compuesto, aunque su principal motivación no era la propiedad anticancerígena de la halicondina B, sino, la búsqueda de una molécula compleja para probar una reacción química que había diseñado junto a otros colegas, para formar enlaces entre átomos de carbono y así poder sintetizar, de manera química, cualquier molécula orgánica.

Los productos naturales generalmente presentan estereocentros de carbono, los cuales forman estereoisómeros (mismos enlaces átomo-átomo, pero distinta ubicación tridimensional). La disposición de los átomos y los grupos funcionales dentro de la molécula, serán los que determinen su función farmacológica.

Sin dudas fue un gran reto ya que esta molécula tenía 32 estereocentros de carbono, lo cual indicaba que podía tener más de 4000 millones de formas posibles (2³²), siendo sólo una de ellas la que tenía la actividad antitumoral. Fue hasta el año 1992 en que finalmente Kishi et al. pudieron determinar la estructura de la halicondrina B.

Imagen: FAO

Luego, investigadores de la División de Productos Naturales del Instituto Nacional del Cáncer de los Estados Unidos (NCI), descubrieron que la actividad antitumoral de la halicondrina B se debía a que esta molécula era un inhibidor de la tubulina (una de las proteínas del citoesqueleto), tal como lo hace el Taxol®. La tubulina es una proteína indispensable para el rápido crecimiento y mutiplicaicón de las células cancerígenas.

Sin embargo, si bien se pudo identificar a qué se debía su actividad antitumoral, no se podían llevar a cabo las primeras fases de los ensayos clínicos por la pequeñísima cantidad de halicondrina B que se podía extraer de las esponjas. Fue así que el Dr. David Newman, viajó hasta Nueva Zelanda y capturó más de una tonelada de Lissodendoryx, otro tipo de esponja que también produce la preciada halicondrina B. Adivinen cuanta cantidad de halicondrina B lograron aislar de una tonelada de esponjas…. Tan sólo 300mg… :(

Entonces, la única solución que veían era la síntesis química de algún análogo de la halicondrina B. Fue así que, usando el método desarrollado por Kishi, sintetizaron una serie de análogos, y usaron esos 300mg para comparar las actividades farmacológicas de los nuevos análogos producidos con el original. Uno de ellos fue la eribulina.

Esta molécula sólo tenía 19 estereocentros de carbono a diferencia de los 32 de la halicondrina B. aún así, la producción a gran escala de este análogo era inconcebible. El análogo requería de nada menos que 62 pasos para sintetizarla, un proceso sumamente largo para un producto que quiere ser comercializado. Sin embargo, decidieron producirla y probarla. Una vez obtenido los resultados del ensayo clínico de fase I, observaron que este análogo era seguro y tenía un gran potencial clínico. Fue así que decidieron continuar con el proyecto.

Los ensayos clínicos posteriores demostraron que la eribulina extendía la esperanza de vida de los pacientes con cáncer de seno terminal en un promedio de 2.5 meses, con respecto a los que se beneficiaban de otras quimioterapias como la del Taxol®. Los analistas señalaron que si la eribulina lograba ser aprobada  y ser usada en otros tipos de cáncer, podría generar ingresos que superarían los 1000 millones de dólares.

Sin embargo, durante los los fines de los 90’s, casi todas las empresas farmacéuticas dejaron de lado la búsqueda de principios activos naturales y se enfocaron en el uso de largas librerías de compuestos químicos sintéticos para la búsqueda de nuevas drogas con potenciales propiedades farmacológicas. Este nuevo método hoy es conocido como el tamizaje de alto rendimiento (high throughput screening).

Pero, los que continuaron con el estudio y mejora de la eribulina, hoy vieron los frutos de su arduo trabajo y ha sido un gran logro y victoria para la síntesis química de productos naturales. Así que, nada desarrollado de manera artificial podrá superar lo que podemos encontrar de manera natural. Debemos seguir investigando los principios activos que nos ofrece la naturaleza y buscar la forma de producirlos a gran escala, ya sea por síntesis química o por biotecnología.

Vía Nature News.

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Diviértete jugando y colabora con la genómica comparativa

Se que muchos pasan horas y horas metidos en juegos en línea y aplicaciones como Farmville, Social City o Frontier Ville, pero por qué no aprovechar ese tiempo y jugar algo más productivo para la ciencia, tal como lo fue Foldit. El día de hoy, un equipo de bioinformáticos de la Universidad de McGill en Canadá desarrollaron un juego, que permite a los participantes, contribuir de manera divertida a la investigación genética, el proyecto se llama Phylo – Una plataforma computacional humana para la genómica comparativa. Un nombre bastante abrumador como para un juego, así que lo dejaremos como Phylo.

¿En qué consiste el juego? Simplemente en alinear secuencias de ADN moviendo y cambiando la posición de los bloques que dan. Como es un juego, no se trabajará con letras correspondientes a cada nucleótido (Adenina, Timina, Citosina y Guanina), sino con cuatro bloquecitos  de colores  diferentes que corresponderán a cada uno de los nucleótidos. La idea del juego es mover los bloques de tal manera que el mayor de número de colores queden perfectamente alineados en cada columna.

Sin embargo, habrán bloques de colores que no encajen con los demás, a ellos se les llama “mal apareamiento” o mismatch, el cual se da por mutaciones llamadas transiciones (cuando es una purina por otra purina, o una pirimidina por otra pirimidina) o transversiones (cuando es una purina por una pirimidina o viceversa).

Lo que debes tratar de evitar es la formación o apertura de un espacio vacío o gap, ya que, evolutivamente hablando, es más fácil que una mutación se de por un cambio de una base nitrogenada por otra que por la pérdida de una de ellas. O sea, te quitarán más puntos cuanto más espacios abras, que cuanto más malos emparejamientos hagas; aunque, la penalización por extender un espacio vacío abierto no será muy alta.

Entonces los puntajes quedan de la siguiente manera:

• Por cada bloque bien alineado te darán 1 punto.
• Por cada mal emparejamiento o mismatch te quitarán 1 punto.
• Por abrir un espacio vacío o gap te quitarán 5 puntos.
• Por extender un espacio vacío te quitarán 1 punto por cada espacio añadido.

Al final deberás superar el puntaje obtenido por la computadora (par). Además, a medida que vas alineando los bloques verás la formación de un árbol filogenético. Recuerda que tienes un tiempo limitado para hacerlo y conseguir los bonus.

¿Como colaboras con la genómica? La secuencia de bloques de colores que aparece en cada fila corresponde a una secuencia de ADN de un gen. Cada fila corresponderá al gen en una especie diferente. Como las secuencias son de especies diferentes, a pesar de ser el mismo gen, tendrán sus diferencias debido a mutaciones ocurridas a lo largo de su desarrollo evolutivo. Cuanto más colores compartan, más cercanos evolutivamente estarán.

De esta manera podrás hacer alineamientos pensando como humano y no basado en algoritmos que aún están propensos a errores. La tarea de ajustar y refinar los alineamientos hechos por la computadora es lo más difícil y tedioso en un alineamiento de secuencias. Así como jugando, estarás contribuyendo con la genómica comparativa (comparar secuencias de genes de diferentes especies).

Y, además, sin querer queriendo estarás aprendiendo algo importante de la bioinformática: el alineamiento de secuencias!.

Juega en: http://phylo.cs.mcgill.ca/

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La reactivación de la telomerasa podría revertir el envejecimiento?

Nuestro genoma, de aproximadamente 3200 millones de pares de base, está dividido en 23 pares de cromosomas, los cuales tienen distintas longitudes. Al momento de replicar el ADN, una de las cadenas no es replicada completamente porque la enzima ADN polimerasa sólo trabaja en una dirección (5' => 3') y para poder completar la cadena retrasada (donde se forman los fragmentos de Okazaki) debería trabajar en la dirección 3' => 5', lo cual es imposible. Es por esta razón que se genera el problema de la terminación de la replicación, y los cromosomas se van acortando a medida que las células se van dividiendo.

Una solución a este problema es la presencia de los telómeros, que son repeticiones de seis nucleótidos (TTAGGG) de una longitud variable —dependiendo del tipo de célula— que protegen a los cromosomas de la pérdida de valiosa información genética. Los telómeros también se acortan con cada división de la célula, pero protegerán a los cromosomas por un tiempo suficientemente largo como para que el organismo leve una vida tranquila.

Cuando envejecemos, nuestros telómeros son tan cortos que activan el mecanismo de muerte celular programada (apoptosis). A medida que van muriendo nuestras células, los órganos empiezan a fallar y vienen los famosos achaques de la vejez, hasta que finalmente nos llega la muerte.

En el año 1980 se descubrió una enzima llamada telomerasa que era capaz de regenerar los telómeros y mantenerlos largos generación tras generación. Fue este descubrimiento el que hizo pensar a muchos científicos que al fin habían encontrado “la fuente de la eterna juventud”. 

Sin embargo, esta enzima sólo está activa en las células madre, células germinales (productoras de óvulos y espermatozoides) y en los tejidos fetales, y se inactiva a medida que nos desarrollamos.

¿Si podríamos reactivar la telomerasa en las personas adultas, seríamos capaces de revertir, o por lo menos, detener el proceso de envejecimiento? Mariela Jaskelioff y colaboradores de la Escuela de Medicina de Harvard trataron de responder esta pregunta usando ratones con la enzima telomerasa inactiva. Sus resultados fueron publicados hoy en Nature.

Lo primero que hicieron Jaskelioff y su equipo fue diseñar ratones carentes de telomerasa usando ingeniería genética. Como era de esperarse, estos ratones envejecieron de manera más rápida. Además, eran apenas fértiles y sufrieron de problemas relacionados con la vejez tal como la osteoporosis, diabetes y enfermedades neurodegenerativas de manera pronta. 

Sin embargo, esto no era algo nuevo. Ya se sabía desde hace varios años que la carencia de telomerasa era un importante instigador en el proceso de envejecimiento.

Para demostrar que la reactivación de la telomerasa podría revertir este efecto, diseñaron un ratón que tenía inactiva la telomerasa a menos que se le diera una molécula activadora llamada 4-OHT (4-hidroxitamoxifen). De esta manera, pudieron desarrollar un ratón hasta la adultez con la telomerasa inactiva, y recién en ese momento someterlo a un tratamiento con 4-OHT para reactivar dicha enzima y ver si de alguna manera se revertía el efecto del envejecimiento.

Telómeros regenerados en presencia del inductor 4-OHT. Azul: ADN, Verde: telómeros

Cuando sometieron a los ratones adultos al tratamiento con 4-OHT durante un mes observaron que los efectos del envejecimiento fueron revertidos: los animales recuperaron su fertilidad, los órganos como los riñones, el hígado y los intestinos se recuperaron de un estado degenerado, y los cerebros volvieron a tener un tamaño superior que en aquellos ratones carentes de telomerasa.

Sin embargo, hay muchos estudios que han demostrado que la telomerasa también se encuentra activa y mutada en muchas células cancerígenas y tumorales. Es por esta razón que estas células se dividen continuamente sin llegar a envejecer nunca. Esto podría ser contradictorio si consideramos que las telomerasas también previenen que las células se vuelvan cancerígenas ya que protegen a los cromosomas de la fusión de sus extremos con otros cromosomas a través del mantenimiento de la longitud de los telómeros. 

Todo debe tener un equilibrio. Si se demuestra que la reactivación de la telomerasa no podría generar un cáncer sería un buen tratamiento para aquellas personas que sufren de enfermedades extrañas como la progeria, donde se da un envejecimiento prematuro en los niños afectados.

Otros científicos cuestionan este trabajo porque se preguntan hasta que punto los ratones pueden ser buenos modelos para simular los mecanismos celulares en humanos. Que funcione de cierta manera en los ratones no garantiza que lo haga en humanos, pero sí sería un buen punto de partida. 

Otra cosa que debe también tomarse en cuenta es saber qué factores más promueven el envejecimiento, a parte de la reducción de los telómeros. Todavía no está entendido al 100% este proceso y faltaría mucho por investigar.

Referencias:

Jaskelioff, M. et al. 2010. Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice. Nature. doi: 10.1038/nature09603.

Nature News. doi: 10.1038/news.2010.635

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Se determina la estructura del ribosoma eucariota

Los ribosomas es una de las maquinarias celulares más importantes ya que tienen la función de traducir los genes en proteínas, las cuales llevarán a cabo las infinitas funciones que comprenden la vida. Sin embargo, hasta el momento no se ha podido determinar la estructura 3D de los ribosomas de las células eucariotas (las células que conforman desde las plantas y animales hasta los hongos y amebas).

Si bien ya se conoce la estructura 3D de los ribosomas de las bacterias, es más, sus investigadores ganaron el Premio Nobel de Química el año pasado, los ribosomas de las eucariotas aún siguen siendo elusivos debido a su gran complejidad. A diferencia de los ribosomas procariotas que tienen dos subunidades: 50S y 30S, los ribosomas eucariotas, también tienen dos subunidades, pero una de 60S (subunidad mayor) y otra de 40S (subunidad menor).

S: Es una unidad de medida para los componentes del ribosoma que se basa en la sedimentación de una partícula al ser sometida a una ultracentrifugación.

La subunidad mayor está conformada por tres ARN ribosomales (ARNr) de 25S, 5.8S y 5S, y 46 proteínas; mientras que la subunidad menor está formado sólo por un ARNr de 18S y 33 proteínas. Esto hace que el ribosoma eucariota sea un 40% grande que el ribosoma procariota.

Los modelos del ribosoma eucariota que se tenían hasta el momento fueron hechos gracias a las imágenes capturadas con una técnica llamada criomicroscopía electrónica (cryo-EM). Esta técnica permitió obtener la estructura 3D con una resolución de entre 6.1 y 15 Angstroms (Å = 10^-10 metros). Sin embargo, esta resolución no es muy buena como pare revelar los detalles más relevantes de una molécula, como los sitios activos y los dominios de unión a otras moléculas o al ADN.

Sin embargo, el día de hoy Adam Ben-Shem y colaboradores del Instituto de Genética y Biología  Molecular de la Universidad de Estrasburgo pudieron cristalizar el ribosoma de la levadura Saccharomyces cerevisiae y determinar su estructura 3D, usando la técnica de cristalografía de rayos X (la técnica más usada en la determinación de estructuras proteicas) con una resolución de 4.15Å. Los resultados fueron publicados en la revista Science.

Tal como los investigadores mencionan, lo más difícil fue cristalizar el ribosoma. El sólo hecho de cristalizar una simple proteína es sumamente costoso y complejo, imagínense cristalizar una estructura con más de 70 proteínas y 4 tipos diferentes de ARNr.

Lo que hicieron fue primero quitarle el nutriente (glucosa) al medio de cultivo donde se desarrollaba la levadura. Una vez sometidas a una “ligera” inanición, la traducción de proteínas se detiene y los ribosomas pueden ser purificados libres de ARN mensajeros y ARN de transferencia. Una vez purificadas las sometieron a un tratamiento con agentes deshidratantes, ya que las moléculas de agua pueden interferir con la difracción de los rayos X, modificando la estructura obtenida. Luego le añadieron unos iones de osmio los cuales mejoran la difracción, de esta manera lograron obtener una resolución de 4.15Å.

Ben-Shem et al. lograron capturar el ribosoma en un estado denominado “trinquete”, el cual se caracteriza por permitir el paso del ARN mensajero en una sola dirección, justo en el momento que se va a dar el enlace peptídico entre la proteína en formación y el nuevo aminoácido que llega a unirse. Según observaron los investigadores, la manera en que se da la translocación (movimiento del ribosoma sobre el ARN mensajero para leer la siguiente secuencia) es mediante un giro de la subunidad 40S con respecto a la subunidad 60S.

Conocer la estructura 3D del ribosoma es de vital importancia para poder entender como se lleva a cabo uno de los procesos más importantes de todos los seres vivos: la formación de proteínas. Se sabe que los ribosomas eucariotas funcionan de manera diferente a los ribosomas procariotas porque, los ribosomas eucariotas deben reconocer la “capucha” que se forma en uno de los extremos del ARN mensajero, el cual se ubica mucho antes de la secuencia que codifica el inicio de la traducción. En las bacterias, los ribosomas reconocen una secuencia de nucleótidos conservada, llamada secuencia de Shine-Delgarno.

Conocer como funciona los ribosomas eucariotas también permitiría diseñar nuevas drogas que sean capaces de bloquear, de manera específica, los ribosomas de parásitos humanos como las larvas de la mosca Tse-Tse, causante de la enfermedad del sueño, o al Plasmodium falciparum causante de la malaria. Sin embargo, aún faltaría determinar la estructura de ribosoma en diferentes estadíos en el proceso de traducción, así como su acción en presencia de otras moléculas que regulan el proceso ya sea inactivándolo o potenciándolo.

A pesar del gran avance en el entendimiento de la estructura del ribosoma eucariota, muchos expertos en el tema, entre ellos el profesor Nenad Ban, opinan que Ben-Shem se precipitó al publicar sus resultados como “la estructura” del ribosoma, ya que para ser considerada como tal, la resolución debe ser menor a 4Å.

El equipo de Nenad Ban del Instituto de Biología Molecular y Biofísica del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich, también están trabajando en la estructura del ribosoma eucariota pero con una resolución de 3Å. Sus resultados estarán siendo publicados dentro de seis meses a un año.

Referencias:

Ben-Shem, A., Jenner, L., Yusupova, G., & Yusupov, M. (2010). Crystal Structure of the Eukaryotic Ribosome Science, 330 (6008), 1203-1209 DOI: 10.1126/science.1194294

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De qué depende el tamaño del núcleo de una célula?

Una de las preguntas más elementales de la biología celular, pero que hasta ahora no ha podido ser resuelta es ¿de qué depende el tamaño de una célula o de los organelos presentes dentro de ella?. ¿Por qué las mitocondrias, los cloroplastos, el núcleo, son de ese tamaño y no más grandes o más pequeños? ¿Qué “fuerza misteriosa” rige sus tamaños? De hecho, la célula debe usar algún tipo de “regla molecular” para regular el tamaño de sus organelos.

Pero, lo que sí se sabe es que los tamaños del núcleo y la célula están relacionados de tal manera que mantienen una proporción volumétrica constante (Vn/Vc=k, Vn y Vc: volumen del núcleo y de la célula, respectivamente); la cual dependerá del tipo de célula. Desviaciones con respecto al valor de esta constante puede estar asociado a ciertas enfermedades. Pero, ¿cómo está regulada esta proporción? Para poder responder esto, muchos científicos trataron de perturbar la Vn/Vc en levaduras, pero no lo consiguieron ya que ni la cantidad de ADN, ni los medios de cultivo especiales, ni el tratamiento con drogas, pudo afectar esta proporción.

En el 2007, Neumann y Nurse usaron unas levaduras de fisión con muchos núcleos (multinucleadas) y observaron que el tamaño de cada uno de sus núcleos era proporcional a la cantidad de citoplasma que había a su alrededor. Entonces, más que el volumen de la célula, era el volumen del citoplasma quien podría regular el tamaño del núcleo. Ahora nace otra pregunta: ¿Cómo puede afectar el citoplasma al tamaño del núcleo?

Fue así que Daniel L. Levy y Rebecca Heald, del Departamento de Biología Celular y Molecular de la UC Berkeley, usando huevos de ranas, nos dan algunas claves para poder responder, al menos, una parte de esta interrogante. Su trabajo fue publicado el mes pasado en la revista Cell.

Lo que hicieron Levy & Heald fue usar células de dos especies relacionadas de ranas: Xenopus laevis y Xenopus tropicalis. Las células de estas ranas difieren en un par de cosas, en el tamaño y el número de cromosomas (ploidía). X. laevis es una rana mucho más grande que su prima X. tropicalis, y además es tetraploide (cuatro juegos de cromosomas, 4n). Como las células de X. laevis son más grandes, también los serán sus núcleos. Además, usaron estas ranas gracias a que tienen una importante característica: su núcleo puede ser ensamblado in vitro sin necesidad de la célula, sólo requiere de cromatina (el ADN enrollado en proteínas) y extracto de citoplasma de los huevecillos.

Así que Levy & Heald hicieron un par de experimentos. Primero extrajeron el citoplasma de los huevos de X. laevis y X. tropicalis y lo pusieron en tubitos diferentes, y luego extrajeron la cromatina de las células de las dos ranas y las pusieron dentro de cada uno de los extractos de citoplasma. Para su sorpresa, los núcleos formados en el citoplasma de X. laevis fueron grandes, sin importar de quien fuera la cromatina y, por el contrario, los núcleos formados en el citoplasma de X. tropicalis fueron siempre pequeños, a pesar de tener la cromatina de X. laevis, que era mucho más grande. [Ver figura a]:

Con este experimento demostraron que no era la cantidad de ADN el que regulaba el tamaño del núcleo, sino, el responsable era algún factor presente en el citoplasma. Así que Levy & Heald extrajeron todas las proteínas presentes en cada extracto citoplasmático y encontraron que dos proteínas se expresaban de manera diferente en las dos especies: la importina-α y la NTF2. Ambas proteínas participan en el proceso de importación nuclear (transporte de proteínas, factores de transcripción y otras moléculas hacia el interior del núcleo). En X. laevis, la importina-α se expresaba más y la NTF2 se expresaba menos que en X. tropicalis. Entonces, la importina-α podría estar relacionada directamente con el aumento de tamaño del núcleo, mientras que la NTF2, con su reducción, actuando de manera antagónica.

Para demostrar esto hicieron un segundo experimento. Esta vez usaron el extracto citoplasmático de X. tropicalis al cual le añadieron diferentes concentraciones de importina-α. Los investigadores observaron que al añadir importina-α, el núcleo aumentaba ligeramente su tamaño, pero, no tanto como el de X. laevis. Sin embargo, cuando añadieron importina-α más un inhibidor de la NTF2, el núcleo creció tanto como en X. laevis. [Ver Figura b].

En otras palabras, el mecanismo de importación nuclear podría estar relacionado directamente con el tamaño del núcleo, mientras que las importinas-α promueven el transporte de componentes al interior del núcleo, las NTF2 las restringen. Pero, recordemos que este es un estudio in vitro, con muchos parámetros controlados.

Por ejemplo, Levy & Heald también encontraron otro factor que afectaba el tamaño del núcleo. Cuando añadieron al extracto citoplasmático de X. tropicalis una proteína llamada lámina B3, el núcleo también aumentaba su tamaño. Esto puede sugerir que las importinas-α deben su efecto sobre el núcleo al permitir un mejor y mayor transporte de las láminas al interior del núcleo. Las láminas nucleares son las responsables de la matriz nuclear (la armazón del núcleo). Sin embargo, ni las plantas ni las levaduras tienen láminas, así que esto cuestionaría un poco lo encontrado por Levy & Heald.

Para terminar, este estudio sin células ha permitido identificar ciertos factores involucrados en el tamaño del núcleo, faltaría diseñar experimentos para probarlos en tejidos vivos, ya que hay más factores que podrían afectar el tamaño del núcleo tal como las interacciones célula-célula, la presión osmótica del entorno, la presión misma que ejercen las células vecinas que restringen el tamaño de las células, la pared celular en plantas. Una forma de lograr estos estudios in vivo sería con el uso de ARN de interferencia que silencien los genes responsables de la expresión de las importinas, NTF2, láminas, y otras proteínas asociadas a la membrana nuclear.

Referencias:

Levy, DL; Heald, R. 2010. Nuclear Size Is Regulated by Importin α and Ntf2 in Xenopus. Cell. 143(2); 288-298. DOI: 10.1016/j.cell.2010.09.012

Nature. DOI: 10.1038/468513a

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Animación molecular, cuando el cine llega a la biología

Hace unos cuatro años, Bio Visions, un grupo de científicos, profesores, estudiantes y profesionales de la animación de la Universidad de Harvard crearon, lo que para mí es la animación más asombrosa de la biología, llamada “La vida interna de la célula”.

Una de las cabezas de este proyecto es el Dr. Robert A. Lue, profesor de Biología Celular y Molecular y director de la carrera de Educación en Ciencias de la Vida en la Universidad de Harvard, quien ha sido uno de los pioneros en esta rama de la animación computarizada: la animación molecular; la cual usa toda la tecnología alcanzada por la industria del cine para mostrar al público que es lo que ocurre dentro de nosotros a una escala y resolución que, ni con los microscopios más potentes, podríamos alcanzar.

Ver de esta manera la biología nos abre una nueva perspectiva, donde la enseñanza será la más favorecida. A veces es muy difícil explicar el mecanismo de acción de el sistema inmune, o la forma como las mitocondrias hacen la respiración y generan energía, o como se lleva a cabo la fotosíntesis; ya que a pesar que existan excelentes diagramas del proceso, con muchos colores como para hacerlos más didácticos, es muy difícil imaginar como se llevan a cabo esos procesos en un ambiente tridimensional… y en movimiento!.

Otra de las grandes exponentes de la animación molecular es la Dra, Janet Iwasa, quien luego de obtener su PhD en la UC San Francisco trabajando en la dinámica de la actina en el citoesqueleto, obtuvo una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias para estudiar por tres meses en la Escuela Gnomon de Efectos Visuales, que es donde los más grandes animadores de Hollywood se capacitaron. A diferencia de sus compañeros de clase que se pasaban horas diseñando monstros y naves espaciales, ella lo hacía diseñando moléculas. Por ejemplo, muchas de las proteínas en 3D que encontramos en el PDB (Base de Datos de Proteínas) han sido diseñadas por ella.

Pero si hay alguien al quien debe llamarse el Steven Spielberg de la animación molecular es el Dr. Drew Berry del Instituto de Investigación Médica Walter & Eliza Hall en Melbourne, Australia. Su trabajo ha llegado a ser expuesto en el Museo de Arte Modernos en Nueva York y en el Centro Pompidou en París.

Regresando a Bio Vision, el mes pasado estrenaron su segunda obra de arte: “Mitocondria: Potenciando la célula” [el cual lo pueden ver directamente desde su página web: http://biovisions.mcb.harvard.edu/] Este video nos muestra como las células convierten los nutrientes en energía de una forma nunca antes vista, ni yo como biólogo me imaginaba que fuera de esa manera.

Pero, ¿como diseñan una proteína en 3D en un programa de animación? Seguro, los que manejan animación 3D saben que se pueden hacer diseños usando coordenadas (X, Y, Z). cientos de proteínas que están depositadas en el PDB ya tienen sus estructuras 3D definidas, esto gracias al uso de la cristalografía de rayos X y la Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear. El PDB para diseñar las estructuras también usan coordenadas y son estas mismas las cargadas a un programa de animación en 3D, como Autodesk® Maya® que es el más usado por los animadores moleculares. Luego, una vez cargada la estructura 3D de la proteína hay que darle movimiento.

Para darle movimiento a las proteínas, biomoléculas y otras estructuras celulares, se basan en investigaciones realizadas usando métodos de marcación de proteínas con moléculas fluorescentes – que emiten luz al ser excitadas con radiación UV – y fotos o videos desarrollados con microscopios especiales que permiten distinguir esa fluorescencia que emiten las moléculas. De esta manera, transforman esos datos obtenidos en movimiento.

Claro que debemos tener en cuenta que los colores son ficticios ya que muchas de esas estructuras, bueno, casi todas esas estructuras y moléculas no tienen color porque su tamaño es mucho menor a la longitud de onda de la luz visible (400 – 700nm).

Bueno aquí un video desarrollado por The NY Times que muestra las entrevistas realizadas a estos animadores moleculares:

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Mitad gusano, mitad calamar

Esto suena a ciencia ficción… y en realidad parece ser uno de esos aliens diseñados por aquellos cineastas que imaginan las formas más insólitas de vida extraterrestre. Pero, este animal es tan real que vive en las profundidades del mar de Célebes cerca a la costa este de Borneo.

Imagen: ©Laurence Madin/WHOI

Este animal, que tiene el cuerpo de gusano y una cabeza llena de tentáculos como una anémona o un calamar es, en realidad, un gusano segmentado del grupo de los anélidos, tal como las lombrices de tierra o las sanguijuelas. Posee 10 apéndices cerca a su cabeza, los cuales pueden ser tan largos como su propio cuerpo (10cm), donde dos de ellos son usados para alimentarse (los más enroscados en la imagen).

El nombre científico de esta especie es Teuthidodrilus samae y fue descubierta por el equipo de Karen Osborn en el año 2007, usando submarinos manipulados a control remoto en una zona denominada el Triángulo de coral, la cual es un área sumamente rica en especies marinas y actualmente se encuentra amenazada por la sobrepesca y la contaminación.

Vía Science Shot & NESR.

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Una mirada rápida al brote de cólera en Haití

Haití es uno de los países más pobres y con la peor calidad de vida en el mundo, más aún después del terremoto del pasado mes de enero y el huracán Tomas a inicios del presente mes, que han dejado el país devastado, con falta de agua limpia y los sistemas básicos de salubridad deteriorados. Todo esto ha permitido que la bacteria causante del cólera (Vibrio cholerae) encuentre un ambiente agradable para desarrollarse, incrementando los casos de cólera en el país y dificultado enormemente su contención.

Este brote de cólera fue detectado el pasado 21 de octubre en la región de Artibonite, y actualmente ya se han reportado, de manera oficial, más de 20000 casos y 1100 muertes; aunque, como en todo brote infeccioso, los datos oficiales se alejan mucho de los datos reales. Lo que si se sabe es que la infección se está expandiendo rápidamente en todo el país, incluso está llegando al país vecino, el cual comparte la misma isla, República Dominicana.

Mapa interactivo por la OPS: http://bit.ly/bZm5el

Desde el año 1970, donde hasta ese entonces la tasa de mortalidad del cólera era superior al 50%, se implementó la rehidratación oral temprana como un buen método de control de la infección, ya que daba al paciente el tiempo suficiente para ser tratado con distintos fármacos, de esta manera se redujo la mortalidad hasta el 1%. Sin embargo, de todos los casos presentados en Haití, el 20% es agudo, los cuales se caracterizan por constantes diarreas y una rápida deshidratación del cuerpo que, a falta de agua limpia para rehidratar, los pacientes mueren a las pocas horas de haber contraído la infección.

En Haití, la tasa de mortalidad al inicio del brote infeccioso fue de casi el 9%, el cual bajo a un 4 a 6% desde que se iniciaron los tratamientos más efectivos, aún así, es una tasa muy alta.

Pero, ¿como se inició el brote de cólera? Una de las hipótesis que se maneja es que la infección fue traída por brigadas de mantenimiento de paz de la ONU que venían de Nepal. Pero, lo más probable sea que las mismas condiciones en las que quedó el país después del terremoto sirvió como un medio de cultivo para estos Vibrios que suelen vivir, de manera natural, en las heces de humanos y aguas contaminadas.

Es también la destrucción del país lo que limita el tratamiento de los infectados, los hospitales no se dan abasto, la gente vive en malas condiciones, muchos servicios básicos están inhabilitados; todo esto hace pensar a los epidemiólogos que se esperarán más de 200 mil casos para el próximo año, aunque otros piensan que este valor está subestimado, y que en realidad serán más de medio millón de casos.

Por suerte para algunos países, menos República Dominicana, el brote de cólera está contenido por barreras naturales como lo es el mar al estar confinado a una isla; sin embargo sigue siendo una potencial amenaza para la salud pública mundial, ya que no olvidemos que en el año 1991, el Perú tuvo el primer brote de cólera del continente en más de 100 años, y este brote se esparció por varios países de la región, 16 en total (menos, los países del caribe), siendo los más afectados Ecuador y Colombia. En ese brote se reportaron al menos 392 mil casos con 2900 defunciones.

Así que hay que estar atentos a la evolución del brote infeccioso, ya que si llega con más fuerza a República Dominicana, un país con bastante turismo, el cólera puede diseminarse por otros países del mundo, tal como lo hico la gripe AH1N1 el año pasado.

Referencias:

Nature. http://bit.ly/gE1W1J

OPS. http://www.fao.org/docrep/meeting/004/ab416s.htm

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Una breve historia de los combustibles fósiles

Un interesante video que nos muestra de manera resumida lo que han sido estos últimos 300 años de los combustibles fósiles, desde su descubrimiento, su aporte en la revolución industrial, la economía capitalista y lo que vendrá más adelante. Este video fue hecho al mismo estilo que “La historia de las cosas” o “La historia de la electrónica”

Si no dominan muy bien el inglés, les recomiendo que activen el Closed Caption.

Vía Visual News.

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Si tienes asma y terminas una relación, ¡no entres al Facebook!

Aunque usted no lo crea... Un pequeño artículo publicado en The Lancet nos da una alarmante noticia: el Facebook podría estar relacionado con los ataques de asma.

El caso es bastante particular y hasta un poco hilarante. Resulta que un chico, asmático el pobre, terminó con su enamorada dejándolo en un fuerte estado depresivo. Estudios previos ya habían reconocido al estrés psicológico como una de las causas de los ataques de asma.

La chica, como era de esperarse, cambio su estado de “Tiene una relación con el chico” por “La chica ahora esta soltera” y, además, lo eliminó de sus amigos de Facebook mientras que agregaba a nuevos chicos como amigos. El chico, algo obsesionado, se creó una cuenta falsa y logró que la chica lo acepte como amigo y así poder ver sus fotos y comentarios en su perfil.

Cada vez que el chico accedía al perfil de la chica, a través de su cuenta falsa, sufría de disnea (dificultad de respirar normalmente). La mamá al ver esto, le pidió a su hijo que midiera sus flujos espiratorios antes y después de conectarse al Facebook. Como era de esperarse, el flujo cayó en más del 20 % después de entrar al Facebook. 

Con ayuda de un psiquiatra lograron que el chico ya no ingrese más al Facebook y, sorprendentemente, los ataques de asma pararon. Al parecer el conectarse al Facebook, por la carga emocional que traía, era un detonante de las exacerbaciones de asma. Este caso indica que el Facebook y otras redes sociales pueden ser una nueva fuente de estrés psicológico y pueden representar un factor de las exacerbaciones en asmáticos deprimidos.

Referencia:

The Lancet. doi:10.1016/S0140-6736(10)62135-6

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Una bacteria puede cambiar el color de un insecto

En el reino animal, los colores son de suma importancia tanto para las relaciones intra-específicas (apareamiento, estado de desarrollo, etc.) como para las relaciones inter-específicas (depredación, parasitismo, etc.) Un áfido ha sabido valerse de  esto, gracias a que durante su evolución, ha adquirido genes de un hongo que le permiten sintetizar sus propios carotenoides (moléculas responsables del color rojizo-amarillo en los áfidos), siendo los únicos animales que los pueden sintetizar de manera natural. [Ver artículo pasado en BioUnalm].

Tal como se había reportado en aquel estudio, la presencia o ausencia de estos genes de origen fúngico, eran los responsables de dar el color rojo o verde a los áfidos de la especie Acyrthosiphon pisum. Sin embargo, ese no es el único mecanismo que afecta la coloración de estos áfidos según reportó el Dr. Tsutomu Tsuchida el día de ayer en Science.

Tsuchida y sus colaboradores encontraron en Francia que las ninfas de ciertos áfidos eran rojas al inicio de su ciclo de vida, pero una vez que maduraban y se hacían adultas, cambiaban su coloración a verde. Es como si un bebé que nace negrito, a medida que va creciendo, se va volviendo rubio, bastante raro ¿cierto?.

Cuando Tsuchida et al. hicieron un estudio para determinar que bacterias endosimbiontes – bacterias que viven dentro sin causar daño, y hasta con beneficio mutuo – habitaban a los áfidos, encontraron dos tipos de especies muy conocidas y reportadas anteriormente: Hamiltonella y Serratia, ambas protegen al áfido contra la invasión de larvas parásitas de una avispa. Pero se llevaron una gran sorpresa cuando también encontraron un género de bacterias que no habían sido reportadas anteriormente, las Ricketsiellas.

Como pueden ver en la figura, en presencia tanto de Rickettsiella como Hamiltonella las ninfas rojas se convertían en adultas verdes (A). Para ver si en realidad eran las Rickettsiellas las responsables y no las otras, a un grupo le quitaron las Hamiltonella (B) usando antibióticos específicos que no atacaban a las Rickettsiellas y vieron que las adultas también se volvían verdes. Sin embargo, cuando quitaron a las Rickettsiellas, las adultas se mantenían rojas. Así quedó demostrado que eran estas bacterias las responsables del cambio de color en estos áfidos, y eran más verdes cuanto más Rickettsiellas habían en su interior.

Pero, ¿de qué manera las Rickettsiellas afectaban la coloración de los áfidos? Para responder esta pregunta, los investigadores aislaron los pigmentos de los áfidos para ver si había algún tipo de variación en ellos, y se dieron con la sorpresa que, a pesar de ser verdes, los niveles de pigmentos rojos seguían siendo lo suficientemente altos como para ser rojos. Así que analizaron el nivel de expresión del gen tor, el cual es responsable de la producción de pigmentos rojos y, como era de esperarse, no había variado con respecto a los áfidos rojos normales.

Sin embargo, también se dieron cuenta que la cantidad de pigmentos verdes había aumentado hasta en más de cuatro veces con respecto a los verdes normales, fue así que llegaron a la conclusión que las Ricketsiellas poseían algún tipo de mecanismo que permitía la sobre-expresión de genes relacionados con la síntesis de los pigmentos verdes (quinonas policíclicas y afininas), y que el color verde que poseían estos áfidos, era en realidad una combinación desigual entre pigmentos rojos y verdes.

Aún no se ha determinado en que afecta este cambio de coloración a estos áfidos, tal vez tenga que ver con la resistencia a sus depredadores y parásitos, ya que, los áfidos verdes son preferidos por las avispas para depositar sus huevos, mientras que los rojos eran preferentemente devorados por las mariquitas. Con esto queda demostrado que no sólo son nuestros propios genes los que guían nuestra fisionomía y morfología, hay muchos factores más involucrados.

Referencia:

Tsuchida, T., Koga, R., Horikawa, M., Tsunoda, T., Maoka, T., Matsumoto, S., Simon, J., & Fukatsu, T. (2010). Symbiotic Bacterium Modifies Aphid Body Color Science, 330 (6007), 1102-1104 DOI: 10.1126/science.1195463

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¿A quién pretendes engañar?

Vamos a jugar… Encuentren 7 diferencias entre estas dos imágenes…

Todos conocen el caso de la falsa coral o “serpiente rey escarlata” (Lampropeltis elapsoides), una serpiente inofensiva y cobarde que imita los colores de la súper venenosa serpiente de coral (Micrurus fulvius) para poder salvar su vida. Sin embargo, para un buen ojo, su disfraz no es de los mejores ya que el color amarillo es más grueso que en una coral original y, además, la disposición de sus colores no es la misma, ya que en las corales es el amarillo y no el negro quien flanquea a los otros dos colores.

Pero, a pesar de ser una imitación no muy precisa, ¿como han podido seguir vigentes y no sucumbir ante la selección natural? Un artículo que será publicado en la revista The American Naturalist lo explica. La principal pregunta que salta a la vista es que si son los colores de la falsa coral, y no la disposición o el tamaño los que disuaden a coyotes, osos y águilas, sus principales depredadores.

Fue así que para comprobar esto, los biólogos David Kikuchi y David Pfennig de la Universidad de Carolina del Norte llevaron a cabo un interesante experimento en campo. Ellos diseñaron modelos de falsas corarles en arcilla y variaron el tamaño y disposición de los colores para ver hasta que punto los depredadores eran engañados.

Cuando recogieron los modelos en arcilla, observaron que las que tenían la banda amarilla más ancha que las negras y rojas, estaban llenas de arañazos y mordiscos. De alguna forma, los depredadores si pueden distinguir entre una coral verdadera y una falsa, concluyendo que no es suficiente tener los mismos colores para engañarlos. La banda amarilla es la más angosta en una coral verdadera, y los depredadores pueden distinguir ese detalle. Pero, tal como las falsas corarles lo han demostrado, basta con que la banda amarilla sea mas delgada que las otras para poderlos engañar.

Sin embargo, otra interesante observación que hicieron fue que, en aquellos lugares donde eran más abundantes las serpientes de coral, las imitaciones debían ser más precisas, o sea, las bandas amarillas debían ser un poco más angostas.

Es por esta razón que, a pesar de no ser buenas imitaciones, se han mantenido vigentes ya que han evolucionado sólo aquellas señales necesarias como para disuadir a sus depredadores, y dependerá de su poder discriminativo y las habilidades cognitivas del depredador.

Vía Science Now.

The American Naturalist. doi: 10.1086/657041

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Una manera sencilla de ver la física

Seguro para muchos, la física es una de las cosas más complicadas que puede haber y por eso no es muy popular que digamos, tal vez sea cierto, pero es porque no la han visto de esta forma…
La relatividad de Einstein… basándose en unas observaciones súper complicadas, Einstein concluyó que dos objetos perciben el tiempo de maneras diferentes…

Según la gravedad de Newton, dos objetos cualquiera en el universo, se atraen mutuamente con una fuerza proporcional a su masa…

Para describir diferentes fenómenos, los físicos usan diferentes unidades: Pascales, para medir la presión aplicada sobre una determinada área, por ejemplo, cuando te paras sobre la alfombra; Culombios, para medir la carga eléctrica, por ejemplo, cuando arrastras los pies en la alfombra; y… Decibelios, para medir la intensidad sonido, por ejemplo, cuando te gritan por pisar la alfombra sin limpiarte antes los zapatos…

Y, la mejor de todas…
La calvicie presenta un grave problema que va contra las leyes de la física, ya que el cabello no puede desaparecer así por así, ya que según Antoine Lavoisier “la materia no crea ni se destruye, solo se transforma”… esto explicaría mejora “la teoría de la calvicie”…

Sin dudas, son unas ilustraciones geniales, desarrolladas por el reconocido artista estadounidense Christoph Niemann. Les recomiendo que vean todas sus obras en el siguiente link:
http://niemann.blogs.nytimes.com/

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Aplicación de la biología sintética en plantas medicinales

Muchas drogas usadas en la industria farmacéutica, como por ejemplo: antibióticos, analgésicos, antimaláricos, etc. derivan de metabolitos secundarios producidos por las plantas, los cuales han sido modificados mediante la adición de un átomo para potenciar su actividad biológica, mejorar su captación y solubilidad en las células y reducir sus efectos secundarios. Es por esta razón que la halogenación de los productos naturales, o sea, la inserción de átomos de Cloro, Bromo, o Iodo en su estructura química, trae consigo profundos efectos en la farmacocinética del compuesto.

Sin embargo, las plantas no tienen la capacidad de producir principios activos halogenados, así que este proceso debe hacerse de manera sintética, usando equipos sofisticados, solventes sumamente tóxicos y aumentando los costos de producción.

Por suerte, tenemos una gran reserva de enzimas capaces de halogenar compuestos químicos complejos – comúnmente conocidas como las halogenasas – en las bacterias que habitan los suelos. Fue así que la Dra. Sarah O´Connor  y sus colegas del Departamento de Química del MIT, introdujeron halogenasas de las bacterias a las plantas para producir principios activos halogenados. Los resultados de este estudio fueron publicados hoy en Nature.

O’Connor et al. se enfocaron en la “vinca de Madagascar” (Cathrantus roseus), una planta medicinal muy usada para tratar diversos males, tales como la diabetes, la malaria o la enfermedad de Hodking; y de donde se extraen dos importantes sustancias anticancerígenas, la vincristina y la vinblastina, usadas en el tratamiento de la leucemia; para realizar sus experimentos.

Esta planta produce una gran variedad de alcaloides indol monoterpénicos. La ruta metabólica de producción de estos compuestos se inicia con la conversión del triptófano (un aminoácido esencial) en triptamina. Luego, forma un intermediario llamado estrictosidina de donde derivan más de 100 tipos diferentes de alcaloides.

Entonces, O’Connor se preguntó si estas halogenasas bacterianas podrían funcionar si son introducidas en las plantas. De ser así, podrían transformar un triptófano en un tritófano halogenado y este en una triptamina halogenada, luego formar una estrictosidina halogenada, para finalmente generar más de 100 tipos diferentes de alcaloides halogenados.

Estudios previos ya habían demostrado la capacidad de la enzima Triptófano descarboxilasa – que cataliza el paso de triptófano a triptamina – para usar al triptófano halogenado como sustrato, y formar la triptamina halogenada. Entonces, sólo quedaba por introducir un enzima capaz de halogenar el tritófano, ya que esta no se encuentra de manera natural en las plantas.

O'Connor et al. usaron dos enzimas halogenasas bacterianas: la PirH (que inserta el cloro o el bromo en la posición 7 del triptófano) y la RebH (que inserta sólo el cloro en la posición 5 del triptófano). Los genes de estas dos enzimas fueron insertados en el genoma de C. roseus usando vectores de transformación y expresión genética de plantas (pCAMBIA 1300) y a Agrobacterium rhizogenes como transmisor del vector [Próximamente en BioUnalm for dummies].

Como era de esperarse, los cultivos de plantas con las halogenasas bacterianas tuvieron la capacidad de formar triptamina halogenada usando como sustrato sólo el triptófano, tal como en una planta natural. Sin embargo, la enzima estrictosidina sintasa, que cataliza el paso de la triptamina a estrictosidina, no reconoció como sustrato a la triptamina halogenada. A diferencia de la enzima triptófano descarboxilasa, que era una enzima promiscua (ya que puede usar el triptófano con o sin halógeno como sustrato), la estrictosidina sintasa era más específica por su sustrato. Entonces, O’Connor diseñó una enzima estrictosidina sintasa mutante capaz de reconocer a la triptamina halogenada como sustrato. El gen de esta nueva enzima llamada STRvm fue introducida en la planta también usando un vector de transformación genética.

Fue así que las plantas con las halogenasas y la STRvm fueron capaces de producir una gran variedad de alcaloides halogenados. Sin embargo, los rendimientos de producción de alcaloides halogenados (26ug/g de tejido) fue 15 veces menor al rendimiento de producción de alcaloides normales (420ug/g de tejido), lo cual se debe a que el triptófano halogenado ya no es reconocido por otras enzimas esenciales para la planta, como aquella encargada de la producción de las auxinas, una hormona vegetal que promueve el crecimiento de las células. La morfología de las raíces de las plantas productoras de alcaloides halogenados era más delgada y pequeña que su contraparte silvestre.

A pesar de esto, hay mucho potencial en este hallazgo, porque, a diferencia de la manera tradicional de como se obtenían los metabolitos secundarios usando la biología sintética, donde eran los genes de las plantas los introducidos en las bacterias, para que sean ellas las que produzcan el principio activo deseado; esta vez se hace de manera contraria.

Este proceso tiene grandes ventajas, ya que la síntesis de un metabolito secundario en una planta se lleva a cabo en muchos pasos, y cada paso esta catalizado por una enzima diferente, donde muchas de ellas aún son desconocidas. Por ejemplo: la síntesis del alcaloide indol monoterpénico más sencillo, la ajmalicina, requiere de al menos 14 enzimas diferentes, de las cuales, sólo dos son conocidas. reconstruir esta vía metabólica en una bacteria sería un trabajo extremadamente difícil y requeriría de una ingeniería metabólica sumamente avanzada, por esta razón, sería más sencillo añadir algunas pocas enzimas a las plantas, para incrementar la variedad de compuestos que producen.

Referencia:

Runguphan, W., Qu, X., & O’Connor, S. (2010). Integrating carbon–halogen bond formation into medicinal plant metabolism Nature, 468 (7322), 461-464 DOI: 10.1038/nature09524

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Científicos logran capturar un poco de antimateria

Muchos recordarán aquel Best Seller de Dan Brown “Ángeles y Demonios”, donde roban un cuarto de gramo (0.25gr) de antimateria del CERN contenido en dentro de un frasco con un campo magnético que evitaba que se aniquile con la materia tradicional y genere una gran explosión capaz de acabar con el Vaticano. A decir verdad, por ser una novela ficticia, este hecho está muy alejado de la realidad, ya que hasta ahora no se ha podido contener ni un poquito de antimateria.

Poder capturar y mantener por un buen periodo de tiempo una cantidad sustancial de antimateria, es de suma importancia para poder probar las simetrías fundamentales que son la clave del modelo estándar de la física de partículas.

Es así que el día de hoy, después de 5 años de arduo trabajo e investigación, científicos del CERN reportaron en la versión online de Nature la captura de 38 átomos de antihidrógeno (la versión en antimateria del átomo del hidrógeno) por más de 170 milisegundos en una trampa magnética. Ahora ven, cuan alejado de la realidad estaba en libro de Dan Brown, donde 0.25 gramos de antimateria, que son trillones de trillones de átomos, estaban confinados en un campo magnético por un tiempo indefinido (bueno, 24 horas cuando la trampa magnética funciona sólo a baterías).

Para los poco entendidos, todos conocen el átomo de Hidrógeno, el cual tiene un protón – de carga positiva – en el núcleo y un electrón –de carga negativa – girando alrededor de él. El antihidrógeno es su inversa, un antiprotón (protón con carga negativa) en el núcleo y un positrón (electrón con carga positiva) girando alrededor de él.

Pero, ¿que buscaban los científicos con este trabajo? Ellos querían comparar los niveles de energía del hidrógeno contra el antihidrógeno, a través de técnicas espectrométricas. Todos los átomos absorben longitudes de onda específicas, entonces, sus “gemelas malvadas” ¿absorberán las mismas longitudes de onda? Si es así, la antimateria obedecería las mismas leyes que la materia, como la gravedad y respuesta a las mismas fuerzas electromagnéticas.

¿Como lo consiguieron? Usaron un dispositivo llamado ALPHA, que en el año 2002 fue capaz de producir miles de átomos de antihidrógeno. La forma como lo hicieron fue desacelerando antiprotones generados al golpear un rayo de protones contra una pared metálica y combinándolos con positrones obtenidos del decaimiento radiactivo del Sodio-22 (isótopo radiactivo del Sodio).

Pero, no es tan fácil como suena. Los antiprotones y positrones emergen en forma de gases incandescentes, donde se mezclan de manera aleatoria a altas velocidades. En esta mezcla aleatoria, algunos positrones se pueden encontrar con unos antiprotones en el camino, quedar “enganchados” y formar un antihidrógeno. Sin embargo, este antihidrógeno se aniquila instantáneamente al encontrarse con la materia que circunda el lugar.

El gran avance que se logró en el CERN fue primero enfriar las antipartículas y luego atraparlas en campos eléctricos producidos por un dispositivo llamado Trampa de Penning. Este dispositivo posee un electrodo de oro de forma cilíndrica puesto dentro de una cámara de vacío. Luego inyectan los antiprotones y positrones en direcciones opuestas, el campo magnético ayuda a que estas dos antipartículas se peguen y formen el antihidrógeno. Sin embargo, capturar este antihidrógeno es un trabajo sumamente difícil, en primer lugar porque es un átomo neutro (no posee carga eléctrica) y por lo tanto no responde bien a un campo magnético, y en segundo lugar, a pesar de ser “enfriados”, aún son lo suficientemente calientes, o sea, siguen moviéndose a una gran velocidad lo que dificulta su captura.

Recordemos que el hidrógeno es un gas, incluso a temperaturas tan bajas como –230°C, y por ser un gas, sus átomos se mueven a grandes velocidades. Y el movimiento de las partículas significa calor.

Para superar estos inconvenientes, los científicos del CERN pusieron la trampa de Penning dentro de una trampa de Ioffe-Pritchard, la cual esta formada por un octopolo (un campo magnético formado cuatro dipolos usando 8 electrodos). Esta trampa tiene la peculiaridad de generar un campo magnético más fuerte en las paredes que en el centro de la cámara de vacío, lo que facilita la captura de los antihidrógenos. Aún así solo pudieron capturar tan solo 38 antiátomos, pero, por un tiempo suficiente (172 milisegundos) como para poder realizarle “un interrogatorio” a la antimateria.

Si bien fue un gran avance, no se ha podido realizar el experimento planteado. Para poder hacer un estudio espectrométrico, se necesitan al menos 100 átomos atrapados al mismo tiempo. Pero, si capturar 38 átomos fue una tarea sumamente difícil, imaginen 100!.

Para terminar, aquí les pongo una breve reseña de lo que ha sido la historia de la antimateria:

1931: Paul Dirac predice la existencia de la antimateria.

1932: Los positrones son descubiertos en el Instituto Tecnológico de California.

1955: Los antiprotones son descubiertos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) en California.

1956: Los antineutrones son descubiertos por científicos del LBNL.

1965: El antideuterion (un antideuterio sin su positrón) es creado en el CERN y en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York.

1995: Se observan los primeros antihidrógenos en el CERN.

2002: Se crean cerca de 50000 átomos de antihidrógeno en el CERN.

2010: 38 átomos de antihidrógeno son capturados en el CERN.

Referencias:

Nature News. doi:10.1038/468355a

Nature. doi:10.1038/nature09610

Science NOW. http://bit.ly/9PrQdj

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No eres lo que comes

Todos nacemos estériles, o sea, sin ningún bicho en nuestro tracto digestivo. Los primeros colonizadores de nuestra flora intestinal llegan rápidamente por vía materna, y son ellos quienes nos ayudarán a digerir mejor las comidas, producir ciertas vitaminas – y también algunos gases no deseados – y a prevenir la colonización por bacterias patogénicas. Una vez que llegamos a ser adultos, tendremos miles de especies diferentes de bacterias habitando nuestro tracto digestivo.

Pero, ¿de qué dependerá la variedad y el número de especies de nuestra microbiota intestinal? ¿Será similar al de otras especies relacionadas? ¿Dependerá de la dieta? Varios estudios resumidos en un artículo que salió en el 2008 en la revista Nature Reviews Microbiology, demostraron que la microbiota intestinal depende de muchos factores tales como la dieta, la geografía, la fisiología del hospedero, el estado de salud y las características del mismo intestino; lo cual trajo consigo una gran discordancia con las relaciones filogenéticas y evolutivas de los hospederos.

Según los informes publicados hasta ahora, la microbiota intestinal dependerá principalmente de la dieta del hospedero, o sea, animales que coman lo mismo tendrán una mayor similaridad de especies viviendo en su tracto digestivo. Suena bastante lógico, ¿verdad?. Pero, para muchos estos resultados no han sido concluyentes porque las muestras fueron tomados de animales en cautiverio que viven en zoológicos. Por ejemplo, un estudio determinó que los humanos, los bonobos, y dos de las tres especies de gorilas estaban agrupado en un clado omnívoro, junto a los lémures, un elefante y un armadillo, mientras que los chimpancés y los orangutanes estaban agrupados en un clado diferente junto al zorro volador. En otras palabras, todo mezclado.

Entonces, para determinar cual es el principal factor que determina la diversidad de especies en la microbiota de – en este caso – homínidos, investigadores de la Universidad de Yale, liderados por el biólogo evolucionista Howard Ochman, recolectaron 26 muestras de heces de los lugares nativos donde habitan tres sub-especies de chimpancés, dos especies de gorilas, una especie de bonobo, y dos de humanos – uno de Arizona y el otro de África Central. A decir verdad, los investigadores nunca fueron a África, todo las solicitudes hicieron por teléfono… Caca’s Delivery.

Los investigadores usaron técnicas de secuenciamiento de alta cobertura (para mejorar la resolución de las secuencias y reducir los errores y espacios vacíos) del gen que codifica para un ARN ribosomal altamente conservado en las bacterias, que permite identificarlas por especies.

Como era de esperarse, todos mostraban diferencias en cuanto al tipo de bacterias y al número de especies que contenían en su microbiota intestinal. Pero, para observar mejor las semejanzas y diferencias entre ellos, agruparon a los hospederos en función a las relaciones entre las bacterias que en ellos habitan, elaborando un árbol filogenético, y lo compararon con el árbol filogenético elaborado con secuencias de su ADN mitocondrial, el mismo que se usó para elaborar el árbol de la vida.

Los resultados fueron sorprendentes. A diferencia de los estudios previos, donde la microbiota intestinal dependía de la dieta y agrupaba a las especies de manera distinta a sus relaciones evolutivas; este estudio obtuvo un árbol basado en la microbiota intestinal similar al árbol evolutivo de los primates. Aunque, si bien la longitud de las ramas eran diferentes, la estructura básica (la disposición de los individuos en el árbol) era similar.

Filogenia de los primates en función al ADN mitocondrial (a) y en función a la composición
de su microbiota (b). En las líneas grises se ve una gran concordancia entre los dos árboles.

En base a estos árboles, la microbiota humana está más relacionada con la de las dos de las tres sub-especies de chimpancés (celeste y azul claro) que con la microbiota de los gorilas (amarillo y naranja). Este estudio nos sugiere que tal vez la dieta no tenga mucho que ver en la composición de la microbiota de los animales, ya que, por ejemplo, los dos humanos que viven en dos lugares completamente diferentes (uno en una ciudad y el otro en medio de la jungla) prácticamente comparten las mismas bacterias del tracto digestivo.

Sin embargo, aún no se tiene en claro porqué se relaciona tan perfectamente la composición de la microbiota con las relaciones evolutivas de las especies, tal vez sea la fisiología del sistema digestivo, muy similar en los primates, el principal factor que afecta la diversidad microbiana del tracto gastrointestinal, y por lo tanto, de nuestro microbioma.

Referencia:

Ochman, H., Worobey, M., Kuo, C., Ndjango, J., Peeters, M., Hahn, B., & Hugenholtz, P. (2010). Evolutionary Relationships of Wild Hominids Recapitulated by Gut Microbial Communities PLoS Biology, 8 (11) DOI: 10.1371/journal.pbio.1000546

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