El curioso caso de la enzima que funciona una sola vez

Las enzimas son la base del metabolismo celular, gracias a ellas las células pueden generar la energía necesaria para vivir, producir los bloques de construcción de sus membranas y organelos, duplicar su material genético cada vez que se dividen, sintetizar hormonas y otras moléculas señalizadoras, degradar las toxinas, y hacer muchas cosas más. En otras palabras, las enzimas son unas macromoléculas capaces de llevar a cabo una serie de reacciones químicas que de manera natural no se podrían realizar o necesitarían una gran cantidad de energía para hacerlo.

Para serles sincero, hasta ahora yo creía que las enzimas llevaban a cabo muchas reacciones antes de degradarse, siendo su reusabilidad una de sus principales características. En un artículo publicado esta semana en Nature, un grupo de investigadores norteamericanos han descrito el mecanismo de acción de una de las enzimas que participan en la síntesis de la vitamina B1 (Tiamina Pirofosfato), descubriendo que ésta sólo realiza una única reacción para después quedar inutilizable. En otras palabras, se trata de una enzima suicida.

La vitamina B1 es un cofactor esencial en todos los seres vivos. Para su síntesis se requiere de dos precursores: una pirimidina y un tiazol azufrado. El mecanismo de síntesis de la pirimidina está muy bien entendido; sin embargo, la gran interrogante que queda es de dónde proviene el azufre del tiazol.

Cuando aislaron y estudiaron los intermediarios que participan en la síntesis del tiazol, los científicos observaron que una enzima era purificada conjuntamente con tres de ellos. Esta enzima es conocida como la THI4p (tiamina tiazol sintasa). Cuando la analizaron bajo el espectrómetro de masas se dieron con la sorpresa que su peso era de 34 Daltons (Da) menor a lo predicho a partir de la secuencia genética que la codifica. Sin embargo, cuando la enzima no era funcional debido a una mutación, ya no se observaba estos 34Da de déficit. Esto indicaba que esta modificación era clave en el funcionamiento de la enzima.

Para analizar con mayor profundidad el sitio activo, Chatterjee y sus colaboradores partieron la enzima en muchos pedacitos con la ayuda de una quimiotripsina —un tipo de proteasa que rompe los enlaces peptídicos de las proteínas. Cuando estudiaron la porción de la proteína que contenía al sitio activo vieron que habían dos cisteínas (CyS) juntas en las posiciones 204 y 205. Las cisteínas son aminoácidos que se caracterizan por tener el grupo “tiol” (R-SH), que junto con la metionina, son los dos únicos aminoácidos azufrados.

Con estas dos pistas —las cisteínas adyacentes y el déficit de 34Da— los investigadores sospechaban que el azufre del tiazol provenía de una de estas dos cisteínas. Por si no se dieron cuenta, el azufre pesa 32Da y el hidrógeno 1Da, entonces el grupo SH₂ que pasa al tiazol pesa 34Da, justo los que se pierden de la enzima. Esto lo confirmaron cuando al sitio activo le hicieron un tratamiento con a una acetamida (un compuesto que se une a los residuos -SH de la cisteína). Cuando la enzima estaba mutada, la acetamida (CM) se unía a las dos cisteínas, algo que no ocurría cuando la enzima era funcional.

Fragmento correspondiente al sitio activo. CC corresponde a las cisteínas. WT es la versión normal o silvestre y R301Q es la versión mutada. Las acetamidas (CM) sólo pueden unirse a la versión mutada porque el azufre de la cisteína-205 no puede pasar al tiazol. Cuando el azufre de la Cys-205 se pierde, se forma una dehidroalanina, la cual reacciona con el azufre del Cys-204 formando un enlace cíclico que no puede reaccionar con la acetamida.

Para saber cuál de los dos azufres era el que pasaba al tiazol, los investigadores mutaron y remplazaron las cisteínas por serinas. Los resultados mostraron que sólo el cambio de la Cys-205 por la serina provocaba una pérdida de la función enzimática. Esto indicaba que era la Cys-205 la que donaba su grupo SH₂ al tiazol. Una vez que la cisteína-205 perdía su azufre, se convertía en una dehidroalanina formando un enlace cíclico con el grupo –SH de la cisteína-204, evitando su unión a la acetamida.

Chatterjee et al. también descubrieron que la THI4p era dependiente de el Hierro (II) (Fe²⁺). Cuando las bacterias que portaban este gen los pusieron en un medio mínimo (M9), la síntesis de vitamina B1 se reducía considerablemente. La función se restauraba una vez que se agregaba el hierro (II) al medio. Los investigadores determinaron que el hierro (II) activa el grupo tiol y se da en condiciones anaeróbicas porque se oxida con gran facilidad formando FeO (óxido ferroso).

Finalmente, Chatterjee y sus colegas observaron que la enzima THIp4 no se regeneraba y no se podía volver a usar una vez que perdía su azufre. Todas las enzimas que participan en la biosíntesis de la vitamina B1 se expresan en cantidades muy bajas; sin embargo, la THIp4 está sobreexpresada. Cuando analizaron las proporciones de THI4p y vitamina B1, estas eran iguales (1:1) —cada enzima producía un tiazol.

Este caso, si bien es bastante inusual, no es el primero. En el año 1985 Demple et al. descubrieron a la primera enzima suicida. Se trataba de la proteína Ada, una metiltransferasa que repara las O⁶-metilguaninas y los metilfosfotriésteres del ADN cuando sufren algún tipo lesión. Como su nombre lo dice, repara el daño transfiriendo el grupo metil de una cisteína de su sitio activo. En este caso, la enzima inactiva que queda funciona como un inductor de su propio gen, generando más proteínas Ada que reparan más lesiones.

Sin embargo, queda por investigar si la THIp4 inactiva también tiene un efecto inductor similar a la proteína Ada. Lo cierto es que hay casos en que las enzimas pueden funcionar tan sólo una vez, contradiciendo nuestra creencia de que todas las enzimas pueden reusarse muchas veces antes de degradarse.

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Referencia:

Chatterjee, A., Abeydeera, N., Bale, S., Pai, P., Dorrestein, P., Russell, D., Ealick, S., & Begley, T. (2011). Saccharomyces cerevisiae THI4p is a suicide thiamine thiazole synthase Nature, 478 (7370), 542-546 DOI: 10.1038/nature10503

Esta entrada participa en la VIII Edición del Carnaval de Química celebrado en el excelente blog Caja de Ciencia.

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Ácidos grasos en la sangre de la pitón birmana promueven el aumento de la masa cardiaca

Mientras leía el artículo que comentaré a continuación, se me vino a la cabeza aquella peculiar imagen de la obra El Principito, donde se puede apreciar a una serpiente devorando a un elefante. Creo que todos hemos visto aquel documental donde se ve a una serpiente devorando una presa cuyo tamaño excede al de su propia cabeza. Si bien estas serpientes no pueden masticar, cuentan con una mandíbula adaptada a este tipo de presas y músculos sumamente fuertes que la empujan hacia el estómago, para que los jugos gástricos del reptil empiecen el lento proceso de digestión el cual puede tomar varias semanas.

Un ejemplo de este tipo de serpientes son las pitones birmanas, que con sus ~6 metros de largo y ~90 kilos de peso son una de las más grandes del mundo. Como muchas serpientes constrictoras, una vez que cazan a su presa —principalmente aves y pequeños mamíferos, excepto elefantes, por si les quedó la duda— las asfixia y las engulle enteritas. Esto creo que todos lo sabemos.

Sin embargo, algo que recién me acabo de enterar es que las pitones birmanas tienen la capacidad de aumentar el tamaño de su corazón hasta en un 40%, en las 48 a 72 horas posteriores a su ‘pequeño’ banquete [Figura A].

El aumento de su masa cardiaca puede deberse a dos causas: i) un aumento en el tamaño de las células del tejido cardiaco (hipertrofia cardiaca) o ii) un aumento en el número de células del tejido cardiaco (hiperplasia cardiaca). La respuesta es la primera alternativa —no se evidenció un aumento en el número de células.

La hipertrofia cardiaca es un problema que aqueja a un buen número de personas en el mundo. Las causas pueden ser tanto fisiológicas como patológicas. Por ejemplo, el embarazo o el ejercicio generan una hipertrofia cardiaca debido al esfuerzo que hace el corazón para bombear más sangre al cuerpo o para hacerlo de manera más rápida. Este esfuerzo promueve el ensanchamiento de la pared muscular del ventrículo izquierdo (encargado de bombear la sangre a todo el cuerpo) gracias al aumento de la masa de los miocitos (células cardiacas). Por otro lado, ciertas mutaciones provocan la activación del programa genético del desarrollo fetal y el corazón empieza a crecer tal como lo haría en un feto. No obstante, el aumento de la masa cardiaca nunca supera el 20% y, además, este valor es alcanzado en varias semanas. Entonces, ¿qué hace que las pitones birmanas aumenten su masa cardiaca, el doble que en los humanos, en tan sólo 3 días?

Para responder a esta pregunta, un grupo de investigadores estadounidenses liderados por la bioquímica Cecilia Riquelme y la Dra. Leslie Leinwand de la Universidad de Colorado analizaron los componentes presentes en la sangre de las pitones birmanas, justo después de alimentarse. Una vez aislados, los probaron en ratones para ver si tenían el mismo efecto en ellos. Los resultados fueron publicados hoy en Science.

Al analizar el plasma sanguíneo de las pitones birmanas recién alimentadas, Riquelme y sus colaboradores observaron un incremento considerable en la concentración de ácidos grasos. Este mismo incremento en mamíferos sería fatal porque estos lípidos suelen depositarse y acumularse en el tejido cardiaco no-adiposo, obstruyendo los vasos sanguíneos, aumentando la presión arterial y el esfuerzo realizado por el corazón para bombear la sangre, que a la larga puede generar un infarto u otro problema cardiaco grave. Sin embargo, en las pitones no se observó este efecto.

Los investigadores descubrieron que esto se debía a que las pitones mostraban un aumento considerable en la expresión de un transportador de ácidos grasos llamado CD36, así como también, en los niveles de expresión de las enzimas involucradas con la oxidación de estos lípidos. Además, para evitar el efecto perjudicial de los radicales libres generados por la oxidación de los ácidos grasos, los investigadores encontraron niveles altos de la enzima superóxido dismutasa-2 (SOD2). Con todos estos datos, los Riquelme et al. pudieron concluir que había la presencia de ciertos compuestos químicos en la sangre de la serpiente que promovían el transporte y la oxidación de los ácidos grasos dentro del tejido cardiaco que provocaban el crecimiento de las células.

Pero, ¿estos factores son exclusivos de estas serpientes o son comunes en otros animales? La respuesta llegó cuando Riquelme y sus colegas trataron a un grupo de ratones con el plasma obtenido de las pitones recién alimentadas y observaron que en ellos también había un incremento en su masa cardiaca. La pregunta que saltaba a la vista ahora era: ¿qué componente del plasma sanguíneo es el responsable de este efecto sobre el corazón, será algún factor de transcripción, proteína o los mismos ácidos grasos?.

Cuando los investigadores trataron el plasma de las pitones con la proteinasa K (una enzima que degrada las proteínas) y volvieron a inyectarla en los ratones, el efecto fue el mismo al del experimento anterior. De esta manera Riquelme y su equipo descartaron que se tratase de alguna proteína, factor de transcripción u hormona la responsable del incremento de la masa cardiaca. Sin embargo, cuando bloquearon la expresión de transportadores de ácidos grasos en los ratones, el efecto ya no fue observado. Se trataba de un lípido!.

Un análisis cromatográfico del plasma sanguíneo de las pitones arrojó la presencia de tres ácidos grasos en grandes cantidades: el Ac. mirístico, el Ac. palmítico y el Ac. palmitoléico. Entonces, ¿serán ellos los responsables?.

Para dar una respuesta a esta nueva interrogante, los investigadores desarrollaron una solución basada en estos tres componentes y la administraron en las pitones y en los ratones. Los resultados fueron similares a los obtenidos a partir del plasma sanguíneo —en ambos casos hubo un aumento de la masa cardiaca.

Todos estos resultados apuntan a lo mismo: el crecimiento cardiaco postprandial (después de la comida) se debe a una hipertrofia (aumento de la masa celular) debido a la activación del transporte de ácidos grasos y la oxidación de los mismos inducidos por los ácidos mirístico, palmítico y palmitoléico, y su efecto puede ser reproducido en ratones y tal vez en otros mamíferos. En otras palabras, es lo mismo que le pasó a Peter Parker, en este caso no fue el veneno de una araña radiactiva que le dio súper poderes al Hombre Araña, sino el plasma de una pitón satisfecha que le dio un corazón más grande a un ratón.

Sin embargo, debemos ser prudentes con estos resultados. Si bien la fisiología cardiaca de los mamíferos es bastante similar, los efectos no podrían ser los mismos. Los estudios recién comienzan pero de reproducirse en humanos, se podrían encontrar una forma rápida de mejorar el funcionamiento del corazón y evitar la acumulación de grasas en los vasos sanguíneos, para así reducir la tasa de mortalidad debido a problemas cardiacos.

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Referencia:

Riquelme, C., Magida, J., Harrison, B., Wall, C., Marr, T., Secor, S., & Leinwand, L. (2011). Fatty Acids Identified in the Burmese Python Promote Beneficial Cardiac Growth Science, 334 (6055), 528-531 DOI: 10.1126/science.1210558

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Se revela agente causante del síndrome de la nariz blanca de los murciélagos

Durante el invierno de los años 2006 y 2007, una extraña enfermedad conocida como el síndrome de la nariz blanca (WNS: white-nose syndrome) empezó a diezmar a las poblaciones de murciélagos que hibernaban en las cuevas de los alrededores de la ciudad de Albany (Nueva York, EEUU). La tasa de mortalidad de esta extraña afección alcanzaba el 90% y, por si fuera poco, ya empezaba a ser detectada en colonias que vivían en regiones ubicadas a 2,000Km de distancia de su sitio original, poniendo en alerta a los conservacionistas y ecólogos norteamericanos.

En el año 2009, el Dr. David Blehert y sus colaboradores del Centro Nacional de Salud para la Vida Silvestre de los Estados Unidos, descubrieron la presencia de un hongo oportunista psicrófilo —capaz de vivir a bajas temperaturas— en los murciélagos afectados por el WNS. Este hongo pertenecía a la especie Geomyces destructans. Sin embargo, hay una controversia sobre si es G. destructans el responsable directo de la enfermedad o no. Esto se debe a que, en la mayoría de mamíferos, los hongos oportunistas como éste se presentan en aquellos animales que tienen el sistema inmunológico comprometido*. Por otro lado, las infecciones por G. destructans en poblaciones de murciélagos europeos no causa la reducción de sus poblaciones.

* Por ejemplo, en los humanos con el sistema inmunológico comprometido como aquellos infectados por el VIH, o que están recibiendo algún tipo de supresor inmunológico para tratar una enfermedad autoinmune como el lupus o la esclerosis múltiple, suelen presentar infecciones fúngicas causadas por el hongo oportunista Candida albicans.

Para poner fin a esta controversia, el Dr. David Blehert y su equipo llevaron a cabo un experimento controlado en el cual infectaron intencionalmente con G. destructans a un grupo de murciélagos sanos para así determinar si es este hongo el responsable directo del síndrome de la nariz blanca o no. Los resultados aparecen publicados hoy en Nature.

Primero, Blehert et al. capturaron murciélagos enfermos y sanos de diferentes cuevas de Nueva York y Wisconsin, respectivamente. También adquirieron una cepa certificada de G. destructans (ATCC MYA-4855) y la cultivaron en el laboratorio por 60 días. Para el primer experimento, los investigadores usaron estos cultivos fúngicos para infectar, de manera intencional, a un grupo de murciélagos sanos.

Los resultados obtenidos fueron los esperados. Las lesiones en los murciélagos sanos comenzaron a aparecer a los 83 días de haber sido infectados con las conidias de G. destructans. A los 102 días, todos los murciélagos presentaban el síndrome de la nariz blanca. De esta manera, se demostró que el hongo era el responsable de la enfermedad y que su presencia no se daba como consecuencia de algún otro factor externo ya que, al estudiar detenidamente a los murciélagos de este experimento, no se encontraron evidencias de algún otro tipo de patología.

El segundo experimento consistía en determinar si el hongo podía ser contagiado. Para ello desarrollaron dos experimentos: en uno pusieron dentro del mismo recinto a un grupo de murciélagos sanos junto a otros infectados; mientras que en el otro, pusieron a los murciélagos sanos e infectados en dos jaulas separadas a 1.3cm de distancia, evitando un contacto directo entre ellos.

A los 102 días de iniciado el experimento, el 90% de los murciélagos sanos que estuvieron en contacto con los infectados fueron contagiados y desarrollaron la enfermedad, algo que no se observó en los murciélagos sanos separados físicamente de los infectados. Estos resultados demostraron que el agente responsable de la enfermedad podía ser transmitido por contacto directo mas no a través del aire.

Sin embargo, los investigadores se sorprendieron al ver que la tasa de mortalidad de los murciélagos que fueron infectados en el laboratorio fue sumamente baja (menor al 20%). En el mundo natural, la tasa de mortalidad alcanza el 90%, es más, todos murciélagos enfermos que fueron colectados de las cuevas de Nueva York murieron en el transcurso de los experimentos [Ver figura de la izquierda]. ¿Qué estaba pasando?

Al analizar los datos de Centro Nacional de Salud para la Vida Silvestre [ver figura de la derecha] observaron que las lesiones aparecían durante el otoño, justo antes de que los murciélagos entraran en el periodo de hibernación. Por otro lado, la tasa de mortalidad no se incrementaba sino hasta fines del mes de Enero. Esto indicaría que la mortalidad recién empieza a manifestarse a los 120 días de la infección. En el laboratorio, los análisis duraron sólo hasta el momento en que se observó el desarrollo de la enfermedad en los murciélagos tratados, o sea 102 días. Es por esta razón que las tasas de mortalidad son tan diferentes entre la condición controlada y la silvestre —los experimentos culminaron antes de que la tasa de mortalidad empezara a ascender.

Los investigadores creen que este hongo oportunista pudo provenir de algún animal exótico que fue introducido al territorio norteamericano, ya que el origen de la enfermedad se da en un único lugar. Por otro lado, los efectos patológicos causados por G. destructans en los murciélagos refleja un comportamiento similar al observado cuando una especie nativa es expuesto a un agente infeccioso de otra región. Las especies nativas, al no haber estado en contacto nunca con estos hongos en tiempos pasados, no presentan defensa alguna contra ellos. Es más, se cree que este hongo es endémico de Europa, porque en esta parte del mundo, los murciélagos son inmunes a G. destructans. Así que aún queda mucho por investigar.

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Referencia:

Lorch, J., Meteyer, C., Behr, M., Boyles, J., Cryan, P., Hicks, A., Ballmann, A., Coleman, J., Redell, D., Reeder, D., & Blehert, D. (2011). Experimental infection of bats with Geomyces destructans causes white-nose syndrome Nature DOI: 10.1038/nature10590

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La hora del día afecta el potencial carcinogénico de la radiación UV

Ya se acerca el verano, los días playeros y la exposición excesiva a la radiación solar en busca del bronceado perfecto. Creo que todos conocemos los potenciales efectos carcinogénicos de los rayos solares, debido específicamente a la radiación ultravioleta (UVR), especialmente la del tipo B (UVB), presente en él.

La radiación solar que llega al planeta está compuesta por la radiación luminosa (la luz), la radiación infrarroja (el calor) y la radiación ultravioleta. Los UVR son de tres tipos: A, B y C, que se diferencian por su longitud de onda —A (400 – 320nm), B (320 – 280nm) y C (280 – 200nm). Cuanto menor es la longitud de onda mayor es su energía. Por suerte, toda la radiación UVC y la mayor parte de la UVB no alcanza la superficie de nuestro planeta porque es retenida por el ozono de la atmósfera. Pero, la UVB que llega atravesarla tiene la energía suficiente como para provocar daños en el ADN, los cuales pueden ser de dos tipos: formando dímeros de pirimidina tipo ciclobutano (CPD) y los fotoproductos 6-4 (6-4PPs); ambos causados por la radiación UVB.

Por suerte, contamos con un mecanismo de reparación del ADN capaz de identificar las regiones dañadas, escindirlas y reemplazarlas por una secuencia correcta. Este mecanismo está compuesto por seis factores diferentes, donde la proteína XPA (xeroderma pigmentoso del grupo A) es la responsable de reconocer las zonas dañadas.

En el año 2009, un grupo de investigadores de la Universidad de Carolina del Norte (EEUU) liderados por Tae-Hong Kang y el Dr. Aziz Sancar encontraron que los niveles de expresión de XPA en el cerebro de ratones variaban de acuerdo a la hora del día, alcanzando un pico máximo entre las 4:00 y 6:00pm y un pico mínimo entre las 4:00 y 6:00am. Un año después, el equipo observó que el mismo efecto también se daba en el hígado. Estos datos indicaban que la expresión de XPA estaban sincronizados de acuerdo al reloj biológico de los ratones.

Ahora, Sancar y sus colaboradores quisieron saber si este mismo efecto se daba en la piel, ya que este tejido es el que se encuentra más expuesto a la radiación UVB, que es considerada como la principal causa del desarrollo del cáncer de piel, uno de los más frecuentes en el mundo. Los investigadores encontraron que XPA reducía sus niveles de expresión a las 4:00am y aumentaba a las 4:00pm, mientras que la división celular y la replicación del ADN se comportaba de manera inversa, siendo mayor durante las primeras horas de la mañana. Estos resultados indicarían que la mayor tasa de replicación del ADN se da precisamente en el momento en que las células están menos protegidas a los efectos mutagénicos de la radiación UVB, aumentando el riesgo de desarrollar cáncer de piel. Los resultados fueron publicados el 24 de Octubre en Proceedings of National Academy of Sciences.

Sancar y su equipo primero cuantificaron los niveles de expresión de XPA a distintas horas del día, encontrando que ésta aumentaba para el atardecer (4:00pm) y disminuía antes del amanecer (4:00am). Para determinar si la expresión de XPA estaba sincronizada con el reloj biológico del organismo, también cuantificaron los niveles de expresión de la proteína Criptocromo-1 (CRY1). Esta proteína tiene la función de bloquear la expresión de los genes controlados por el reloj biológico. Como era de esperarse, los niveles de CRY1 alcanzaba un pico máximo a las 4:00am y uno mínimo a las 4:00 —resultado opuesto a XPA— demostrando así que XPA estaba sincronizado con el reloj biológico del organismo. Por otro lado, los investigadores observaron que la proliferación celular, relacionada directamente con la duplicación del ADN, fue mayor al amanecer que al atardecer.

En base a estos primeros resultados, se podría suponer que si se producen daños en el ADN a las primeras horas del día, precisamente cuando el ADN se replica más veces y el efecto protector de XPA es menor, las probabilidades de desarrollar cáncer serían mucho mayores. Para corroborar esta hipótesis, Sancar y sus colegas irradiaron con UVB a dos grupos de ratones, por tres días a la semana, durante 25 semanas. A un grupo lo irradiaron a las 4.00am y al otro a las 4.00pm. Los resultados fueron más que evidentes: los ratones irradiados a las 4.00am desarrollaron cáncer de piel mucho más pronto (a las 19 semanas) que los irradiados a las 4.00pm (a las 21 semanas); además, el número y tamaño de los tumores desarrollados en los ratones AM fue el doble de ratones PM [Ver imagen de portada].

Los resultados fueron confirmados cuando se hicieron las mismas pruebas en ratones mutantes para el gen CRY1. Estos ratones, que tenían el reloj biológico inactivo, presentaban las mismas tasas de desarrollo de cáncer de piel sin importar la hora a la cual fueron irradiados.

A diferencia de los humanos, los ratones son animales nocturnos, así que su reloj biológico será inverso al nuestro. Fisiológicamente hablando, nuestro reloj biológico funciona de manera similar al de los ratones, entonces se podría deducir que a nosotros nos afectaría más la radiación UVB durante las tardes que durante las mañanas. Sin embargo, sería muy prematuro hacer este tipo de afirmación ya que la sincronización del reloj biológico puede variar de persona a persona (cronotipos), de acuerdo al tipo de actividades que uno realice. Sin dudas, este sería un tema muy interesante para estudiar.

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Referencia:

Gaddameedhi, S., Selby, C., Kaufmann, W., Smart, R., & Sancar, A. (2011). Control of skin cancer by the circadian rhythm Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1115249108

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Un avance hacia el desarrollo de plantas resistentes a las inundaciones

Cuántas veces habré visto que cuando la gente riega las plantas que adornan su sala o jardín, llenan el macetero de agua hasta inundarlas por completo, con la loca idea de que “mantengan la humedad por varios días y no se mueran de sed”. No hay dudas que las plantas necesitan de agua para poder vivir —todos los organismos vivos la necesitamos—; sin embargo, las plantas también pueden llegar a ahogarse. Ahora imaginen este mismo problema a gran escala, o sea, una inundación producida por algún fenómeno climático, por ejemplo: el Fenómeno de El Niño, los monzones y tifones, los maremotos y tsunamis, etc.

Las inundaciones, que cada vez se hacen más frecuentes, son un grave problema para la agricultura. Cada año se pierden cientos de terrenos de cultivo debido a ellas. Cuando las plantas quedan sumergidas bajo el agua, los niveles de oxígeno se reducen drásticamente. Muchos creen que las plantas sólo generan el oxígeno que nos permiten tener un aire fresco y limpio. Ellas, como todo organismo compuesto por células eucariotas, también consumen oxígeno para producir la energía necesaria para desarrollar sus funciones biológicas básicas, tales como: crecer, generar flores y frutos para reproducirse, producir taninos para defenderse, etc.

Sin embargo, hay plantas que viven perfectamente sumergidas bajo el agua, el claro ejemplo de ello es el arroz. En el año 2006, un grupo de investigadores de la Universidad de California (EEUU)identificaron a la proteína Sub1A (Submergence 1A) como la responsable de su adaptación. Esta proteína se activaba gracias a la presencia del etileno —una hormona volátil de las plantas. Cuando las plantas están sometidas a bajas concentraciones de oxígeno (hipoxia) sintetizan una mayor cantidad de etileno. El año pasado, investigadores de la Universidad de Kiel (Alemania) identificaron al factor de transcripción RAP2.2 como responsable de la tolerancia a los bajos niveles de oxígeno cuando era sobreexpresado en la planta modelo Arabidopsis thaliana. Este factor es responsable de activar una serie de genes que permiten soportar la hipoxia.

Si bien se sabía que este factor de transcripción era homólogo a Sub1A y que también se activaba en respuesta al etileno, el mecanismo de acción no estaba completamente dilucidado. En un artículo publicado en Nature, científicos europeos han revelado los procesos fisiológicos que se llevan a cabo en respuesta a la hipoxia al estudiar el factor de transcripción RAP2.12 —homólogo al factor RAP2.2— cuya secuencia se encuentra altamente conservada en las plantas superiores.

Cuando la planta está en condiciones normales (ambiente aerobio) RAP2.12 se expresa todo el tiempo en las membranas de las células de las hojas, principalmente. Sin embargo, cuando la planta se encuentra sumergida en el agua (hipoxia), RAP2.12 migra hacia el núcleo de las células y ahí activa la expresión los genes de respuesta a la hipoxia. Cuando la planta regresa a un ambiente aerobio (reoxigenación), RAP2.12 desaparece del núcleo y de toda la célula por al menos una hora.

Para ver el efecto de RAP2.12 sobre la respuesta fisiológica de la planta a la hipoxia, el equipo liderado por el fisiólogo vegetal Francesco Licausi sobreexpresaron el gen At1g53910 —el cual codifica para RAP2.12— con ayuda de un promotor viral (p35S). El resultado fue que la planta mostró una mayor tolerancia a la hipoxia y una rápida recuperación cuando los niveles de oxígeno volvieron a ser los normales, demostrando así que este factor de transcripción cumple un papel importante en esta adaptación fisiológica.

Pero, lo más interesante fue que cuando modificaron el extremo inicial (también conocida como región N-terminal) del factor RAP2.12, ya sea suprimiendo los 13 primeros aminoácidos o añadiéndole un pequeño péptido llamado Hemaglutinina (HA), la planta perdía su capacidad de respuesta a la hipoxia. Estos cambios no afectaban los niveles de expresión de RAP2.12 en condiciones aerobias. Sin embargo, en condiciones hipóxicas, no se observó la presencia de RAP2.12 en los núcleos de las células, lo que indicaría que los genes de respuesta a la hipoxia no eran activados.

Estos resultados indicaban que la región N-terminal de la proteína cumplía un rol importante en su funcionamiento y que, de alguna manera, había un cambio a nivel postraduccional en ella ya que los niveles de ARN mensajero no eran afectados en ninguno de los casos.

Un análisis posterior demostró que, en condiciones aerobias, RAP2.12 interactuaba con la proteína de unión al Acetil-CoA (ACBP), la cual se expresa precisamente en la membrana celular. Esto hace suponer que durante una inundación (bajos niveles de oxígeno) el factor RAP2.12 se desprende de ACBP y migra hacia el núcleo de las células, activando los genes de respuesta a hipoxia. Sin embargo, en el núcleo también se da un cambio estructural en la región N-terminal de RAP2.12. Gracias a la acción de la enzima Metionina aminopeptidasa (MetAP), el primer aminoácido —que en todas las proteínas es la metionina— es cortado y eliminado. Entonces, el segundo aminoácido, que en este caso es una cisteína (Cys), pasa a ser ahora el primero. La Cys tiene la facilidad de oxidarse y ser reconocido por una Arginina transferasa (ATE). La arginina tiene la capacidad de ubiquitinarse. Finalmente, la ubiquitinación actúa como una señal de degradación de la proteína que los proteosomas no desaprovechan. De esta manera, cuando los niveles de oxígeno se restituyen, RAP2.12 empieza su camino hacia su degradación y la planta deja de expresar los genes de respuesta a la hipoxia.

Este mecanismo es conocido como la regla del N-terminal, la cual establece que la vida media de una proteína dependerá del aminoácido presente en su extremo inicial.

Este trabajo puede tener grandes implicancias para la agricultura ya que ha permitido identificar los componentes claves en la respuesta a los bajos niveles de oxígeno que pueden ser provocados por una inundación. Si se logra identificar los genes homólogos en especies de plantas cultivadas y se regula su expresión de manera adecuada, puede haber una revolución en la agricultura, sobre todo en aquellos países que son azotadas constantemente por lluvias torrenciales, desbordes, monzones, tifones y huracanes.

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Referencia:

Licausi, F., Kosmacz, M., Weits, D., Giuntoli, B., Giorgi, F., Voesenek, L., Perata, P., & van Dongen, J. (2011). Oxygen sensing in plants is mediated by an N-end rule pathway for protein destabilization Nature DOI: 10.1038/nature10536

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Se encuentra un virus tipo Ébola en España

A los virólogos, cuando les hablan del Ébola, tal vez se les ponga la piel de gallina, y no es para menos, ya que es considerado por los expertos como el virus más letal de todos, capaz de producir una fiebre hemorrágica tan violenta que puede matar hasta el 90% de los infectados. Por otro lado, no existe tratamiento ni vacuna alguna contra el Ébola, aunque se viene trabajando en ello. Tal es su peligrosidad, que pocos laboratorios en el mundo cuentan con instalaciones adecuadas para manipularlo (Laboratorios con Nivel de Bioseguridad 4).

El Ébola pertenece al grupo de los Filovirus, el cual está compuesto por dos géneros: los Ebolavirus (EBOVs) y los Marburgvirus (MARVs). Todos los Filovirus pueden infectar a los primates incluyendo a los humanos —con excepción del Ébola-Reston (REBOV), que al parecer sólo infecta a monos. El contagio se da por simple contacto directo con fluidos corporales de los infectados y puede ser transmitido de monos a humanos.

El principal reservorio y vector de los Filovirus son los murciélagos frugívoros, los cuales se creían que estaban restringidos sólo al continente africano. Sin embargo, en el año 2002 se observó una extraña muerte masiva de colonias de un murciélago insectívoro llamado Miniopterus schreibersii, cuyo hábitat natural son las cuevas de la península ibérica. En el año 2009 se descubrió que la causa de la muerte era la infección por un virus que parecía estar muy relacionado a los EBOVs africanos. Ahora, en un estudio publicado en PLoS Pathogens, un grupo de investigadores españoles del Centro Nacional de Microbiología del Instituto Carlos III han reportado que dicho virus corresponde a un nuevo tipo de Filovirus, genéticamente distinto a los EBOVs y MARVs, siendo el primer Filovirus endémico detectado en Europa.

Cuando ocurrió la muerte masiva de murciélagos en el año 2002, los investigadores se dirigieron a la cueva del Lloviu en Asturias (España) para recolectar distintos tipos de muestras con el fin de determinar las causas de este suceso. A simple vista no parecía haber algo extraño en los murciélagos, pero cuando analizaron sus órganos internos bajo el microscopio se llevaron la sorpresa que sus tejidos pulmonares estaban llenos de linfocitos y macrófagos, síntoma característico  de un tipo de neumonía viral [Figura de portada]. Los investigadores hicieron una prueba genética llamada PCR para poder identificar al virus responsable de la infección llevándose una gran sorpresa cuando la prueba para los Filovirus salió positiva.

Al secuenciar y comparar este pequeño fragmento de ADN obtenido gracias a la PCR con las secuencias de otros Filovirus, encontraron una alta similaridad (>70%) con los del Virus del Ébola de Zaire (ZEBOV). Sin embargo, esta similaridad se debe a que el fragmento de ADN obtenido por PCR corresponde a una secuencia altamente conservada en los Filovirus.

Para determinar la similaridad real, los investigadores secuenciaron todo el genoma del virus, el cual se trataba de una hebra simple de ARN de 19,000 bases (19Kb) compuesta por siete genes. El estudio reveló que este nuevo Filovirus, al que llamaron virus de Lloviu (LLOV), presentaba características distintivas con respecto a otros Filovirus, sobre todo en la secuencia promotora única de sus genes. La inclusión de LLOV al árbol evolutivo de los Filovirus permitió calcular la época en la cual aparecieron los primeros Filovirus —hace unos 150,000 años. Por otro lado, los EBOVs y los MARVs se separaron hace unos 70,000 años y los EBOVs y los LLOVs hace unos 7,500 años [Aquí me parece que hay un error en el artículo, el cual me he tomado la atribución de corregir para escribir este post. En el artículo las fechas están invertidas, siendo primero la divergencia entre LLOVs y EBOVs, cuando en los árboles filogenéticos y en la comparación de las secuencias genéticas vemos que esto no es así. Espero estar en lo correcto].

Si bien aún no se tiene un entendimiento profundo de la forma cómo pasan los Filovirus de los murciélagos a los primates, se ha reportado que en el último brote de ZEBOV en la República Democrática del Congo hubo un contacto entre los infectados y los murciélagos. Los EBOVs y los MARVs son asintomáticos cuando infectan a los murciélagos africanos, en cambio los LLOVs fueron encontrados en las colonias de M. schreibersii muertas. Esto no quiere decir que hay una relación causal entre ellos porque en los murciélagos saludables y en murciélagos de otras especies que cohabitan con M. schreibersii, no se encontró presencia de LLOVs en sus tejidos.

Por otro lado, la distribución geográfica de los murciélagos portadores de los EBOVs, MARVs y LLOVs no llegan a superponerse —los dos primeros se distribuyen en la región sub-Sahariana y las Filipinas, mientras que los últimos se distribuyen en la península ibérica. Estos datos sugieren que los LLOVs no han sido importados de África, sino que podrían ser endémicos de Europa.

Los resultados muestran que los Filovirus y los mamíferos han co-evolucionado por miles de años y su distribución geográfica es más amplia de lo que se creía. Por esta razón, los investigadores sugieren que se hagan más estudios enfocados en la diversidad y distribución de los Filovirus con el fin de determinar si podría haber algún tipo riesgo para los humanos ya que los Filovirus tienen una gran facilidad para infectar a los primates.

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Referencia:

Negredo, A., Palacios, G., Vázquez-Morón, S., González, F., Dopazo, H., Molero, F., Juste, J., Quetglas, J., Savji, N., de la Cruz Martínez, M., Herrera, J., Pizarro, M., Hutchison, S., Echevarría, J., Lipkin, W., & Tenorio, A. (2011). Discovery of an Ebolavirus-Like Filovirus in Europe PLoS Pathogens, 7 (10) DOI: 10.1371/journal.ppat.1002304

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Manteniendo a los endosimbiontes bajo control

Casi todos los animales tienen bacterias viviendo en su interior, gracias a ellas los pandas pueden alimentarse del bambú, los humanos pueden sintetizar la vitamina K y los pulgones pueden cambiar el color de su piel. Pero las bacterias no son organizaciones benéficas que sólo reparten favores, ellas también se ven beneficiadas al recibir protección y nutrientes por parte de su hospedero, generándose así una estrecha relación llamada endosimbiosis.

Sin embargo, por más beneficiosas que sean y a pesar de estar ‘autorizadas’ para vivir dentro de los animales, las bacterias no dejan de ser agentes biológicos extraños capaces de activar algún tipo de respuesta inmunológica. Para evitar esto, las bacterias endosimbiontes y sus hospederos deben haber evolucionado conjuntamente a través de cambios genéticos que les permiten adaptarse mutuamente. Por ejemplo, una característica común de las bacterias endosimbiontes es la pérdida de los genes que codifican para los lipopolisacáridos (LPS), unas moléculas altamente tóxicas que se expresan en la membrana externa de ciertas bacterias —las Gram negativas.

La mayoría de los estudios sobre las adaptaciones endosimbióticas se orientan hacia los cambios ocurridos a nivel de la bacteria, mas no en el hospedero. En un estudio publicado hoy en Science, un grupo de investigadores franceses de la Universidad de Lyon estudiaron la estrecha relación que hay entre un gorgojo y su bacteria endosimbionte, enfocándose en las adaptaciones acarreadas por el insecto para mantenerlas controladas y confinadas en regiones específicas de su cuerpo.

Los gorgojos (Sitophilus sp.) mantienen una estrecha relación simbiótica con una bacteria Gram negativa denominada SPE (Sitophilus primary endosymbiont ó endosimbionte primario del gorgojo). Esta asociación es relativamente reciente —data de hace unos 20 millones de años— comparada con otras asociaciones insecto-bacteria, como la de Buchnera y los áfidos que se dio hace unos 200 millones de años. La asociación es tan reciente que la bacteria puede generar una respuesta inmunológica si es inyectada directamente en la hemolinfa (la sangre de los insectos).

Los endosimbiontes se encuentran confinados dentro de unas células especializadas llamadas bacteriocitos los cuales se agrupan para formar los bacteriomas. Estas estructuras tienen la capacidad de activar la expresión de un péptido antimicrobiano llamado coleoptericina-A (ColA). Los investigadores observaron que la ColA estaba presente en prácticamente todos los tejidos del gorgojo, incluso dentro de los bacteriomas y en el citoplasma de las bacterias, lo cual era extraño porque se suponía que era un péptido antimicrobiano.

Cuando administraron la ColA en cultivos aislados de SPE del gorgojo del arroz y del maíz, los investigadores observaron que las bacterias adquirían una extraña forma alargada. Esta característica era similar a la observada en otras asociaciones endosimbióticas, por ejemplo: la que se da entre los Rhizobium y las legumbres. En el caso de los Rhizobium, el alargamiento se da porque una molécula de la legumbre conocida como NCR (péptidos ricos en cisteína específicos del nódulo), inhiben la división de la bacteria mas no la replicación de su ADN. Los investigadores observaron que la ColA también presentaba la misma  función. Entonces, las bacterias en vez de dividirse y multiplicarse fuera de control, se alargaban a medida que acumulaban más copias de ADN, manteniendo controlado su número.

Aquí se puede observar claramente un ejemplo de evolución convergente, donde dos péptidos completamente diferentes, presentan la misma función en animales y plantas.

Pero, quedaba una interrogante más por resolver: ¿qué pasaría si los gorgojos no tuvieran la ColA?. Para responder a esta pregunta, los investigadores bloquearon la expresión de este gen usando un ARN de interferencia. Cuando la ColA no estaba presente, las SPE ya no presentaban formas alargadas y lograban ‘escapar’ de su confinamiento en los bacteriomas, diseminándose por otros tejidos. Sin embargo, esta fuga de prisioneros no era fatal para el gorgojo.

Con estos resultados se puede concluir que los gorgojos se han adaptado a sus simbiontes manteniendo activa la coleoptericina-A, un péptido con la capacidad de controlar el número de bacterias simbiontes y evitando que se diseminen por todo su cuerpo, manteniéndolas confinadas en estructuras especializadas llamadas bacteriomas.

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Referencia:

Login, F., Balmand, S., Vallier, A., Vincent-Monegat, C., Vigneron, A., Weiss-Gayet, M., Rochat, D., & Heddi, A. (2011). Antimicrobial Peptides Keep Insect Endosymbionts Under Control Science, 334 (6054), 362-365 DOI: 10.1126/science.1209728

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Mejorando el diseño de los circuitos lógicos genéticos

Uno de los principales objetivos de la biología sintética es el desarrollo de sensores biológicos con la capacidad de generar una respuesta lógica —o “inteligente”— en función al estímulo recibido. Pongamos un ejemplo para ilustrar mejor esta idea:

Tenemos un individuo que ha sido infectado por un microorganismo patógeno. Lo que normalmente se hace es tomar una muestra del paciente —ya sea sangre, orina, líquido cefalorraquídeo, o algún otro fluido corporal— para hacerle una serie de ensayos en el laboratorio con el fin de identificar al agente infeccioso. Una vez identificado, se le administra un determinado fármaco que controle la infección y elimine al organismo indeseado. Todo este proceso demanda mucho tiempo y puede llegar a costar mucho dinero.

Imaginen ahora que cuentan con un biosensor capaz de realizar todo este proceso en un solo paso. Este hipotético biosensor, el cual fue desarrollado gracias a la biología sintética, es capaz de reconocer al agente infeccioso a través de antígenos específicos liberados por él. Además, en función al antígeno reconocido, el biosensor activa una ruta metabólica que sintetiza el antibiótico específico contra este patógeno, terminando así con la infección. Y una vez cumplido su trabajo, se autoelimina.

En teoría, esto se puede realizar a través del uso de moléculas señalizadoras, factores de transcripción y genes, que pueden ser conectados para formar un circuito lógico, tal como los que se encuentran en cualquier dispositivo electrónico. Un circuito lógico no es más que la unión y conexión de varias operaciones lógicas donde una señal de entrada (input) genera una respuesta (output), definida por una operación específica (gate).

En los últimos años, muchos investigadores e ingenieros han desarrollado circuitos lógicos biológicos usando bacterias y moléculas de ADN. El principio es bastante sencillo. Un estímulo es reconocido por una molécula señalizadora que activa la expresión de un gen, el cual puede codificar para un factor de transcripción o una molécula represora. Estas moléculas, a su vez, pueden activar o reprimir la expresión de otros genes, creándose así un circuito lógico genético.

Sin embargo, hay dos inconvenientes que afectan el desarrollo de esta tecnología: la interacción de los circuitos genéticos con los propios genes y moléculas del organismo que lo transporta (ruido genético), el cual puede generar reacciones cruzadas; y el número limitado de señales químicas capaces de formar parte de un circuito genético. En un estudio publicado en Nature Communications, investigadores del Imperial College London liderados por el profesor Martin Buck, han desarrollado dos circuitos lógicos genéticos modulares (AND y NAND) que han logrado superar estos inconvenientes.

Antes de describir el trabajo, definiremos que son los operadores lógicos AND y NAND. Digamos que tenemos dos estímulos diferentes (I₁ e I₂). En la operación lógica AND, sólo se generará una respuesta cuando los dos estímulos están presentes al mismo tiempo. Por el contrario, en la operación lógica NAND, la respuesta se dará sí y solo sí ninguno de los dos estímulos esté presente.

Para implementar estas operaciones lógicas a nivel genético, el Dr. Baojun Wang —autor principal del trabajo— y sus colegas usaron el sistema de respuesta hipersensible y patogenicidad (Hrp) de la bacteria Pseudomona syringae. Este sistema está conformado por tres componentes: HrpR, HrpS y HrpL. ¿Cómo funciona?. Cuando HrpR y HrpS se expresan y se juntan activan un factor de transcripción conocido como σ⁵⁴. Este factor de transcripción reconoce la región promotora HrpL, activándola y expresando los genes que conforman un sistema de transporte de proteínas, importante para la virulencia de la bacteria.

Lo que hizo Wang fue poner los componentes HrpR y HrpS bajo el control de dos promotores diferentes (P₁ y P₂), que se activan sólo en presencia de sus moléculas inductoras (I₁ e I₂); y en el otro extremo, el gen reportero —también conocido como output (gfp: proteína fluorescente verde)— estará bajo el control del promotor HrpL. Entonces, si I₁ e I₂ están presentes, HrpR y HrpS podrán ser  expresados, activando al factor σ⁵⁴ que se unirá a la región promotora HrpL, permitiendo la expresión del gen reportero. Sin embargo, si sólo está presente uno o ninguno de los inductores, no se podrá formar el factor σ⁵⁴ y no se podrá expresara la gfp.

Este pequeño circuito lógico fue probado en distintas cepas de E. coli, funcionando correctamente en la mayoría de ellas. Como inductores usaron tres mecanismos ampliamente conocidos: i) el IPTG, que induce el promotor P_lac, ii) la arabinosa, que induce el promotor P_BAD y, iii) la homoserin-lactona (AHL), molécula responsable de la comunicación bacteriana que activa el promotor P_lux. También probaron distintas secuencias RBS (secuencias reconocidas por los ribosomas al momento de traducir el ARNm), las cuales presentan eficiencias de traducción variables. Estas secuencias RBS sirvieron para ajustar los niveles de expresión de los componentes del circuito lógico (HrpS, HrpR y GFP).

Con este experimento, Wang y sus colaboradores demostraron que se podía reducir el efecto del ruido genético mediante el uso de mecanismos de regulación que naturalmente no se encuentran en determinados organismos, y  que también se podían desarrollar circuitos genéticos a manera de módulos, que pueden ser “introducidos” o “quitados” del organismo, tal como las tarjetas de video, sonido o red de una computadora. Los investigadores creían que el desarrollo de estos módulos podría facilitar la formación de circuitos lógicos mucho más complejos.

Para demostrar este segundo supuesto, Wang y sus colegas desarrollaron el operador lógico NOT. Para ello usaron el promotor del fago lambda P_lam que regula la expresión del gen reportero gfp. Este promotor esta activo todo el tiempo a menos que esté presente su molécula represora cI. Luego, conectaron este pequeño operador lógico al primero (AND) —al que le reemplazaron el output gfp por el represor cI— para así obtener el operador lógico NAND.

En este segundo caso, cuando los dos inductores se encuentran presentes, el factor σ⁵⁴ activa el promotor HrpL permitiendo la expresión del represor cI. El represor inactivará la expresión del gen reportero gfp —no habrá un output. Pero, si sólo está presente uno o ninguno de los inductores, el represor cI no podrá expresarse y el output seguirá expresándose.

Bueno, desarrollar pequeños circuitos lógicos es una tarea relativamente sencilla, el reto viene cuando se pretende hacer circuitos lógicos mucho más complejos, capaces de reconocer diferentes estímulos, por ejemplo: agentes infecciosos, sustancias contaminantes, toxinas, células cancerosas, etc. Para ello, primero debemos tener un profundo entendimiento de los procesos de transducción de señales que se llevan a cabo dentro de las células, en la cual participan una serie de proteínas que reaccionan mediante fosforilaciones y desfosforilaciones, ubiquitinaciones y desubiquitinaciones. Sin embargo, podemos decir que estamos viviendo una época donde se están sentando las bases de la biología sintética y la computación molecular. Con lo rápido que avanza la ciencia, tal vez dentro de algunos años obtengamos los primeros biosensores basados en circuitos lógicos integrados.

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Referencia:

Wang, B., Kitney, R., Joly, N., & Buck, M. (2011). Engineering modular and orthogonal genetic logic gates for robust digital-like synthetic biology Nature Communications, 2 DOI: 10.1038/ncomms1516

Esta entrada participa en el III Carnaval de la Tecnología celebrado en el blog Idea Secundaria.

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Si eres un coral, es mejor que te mantengas alejado de las algas

Los corales son estructuras simbióticas sumamente complejas, compuestas tanto por animales del grupo de los cnidarios como por pequeños microorganismos fotosintéticos del grupo de las zooxantelas (algas dinoflageladas). Esta comunidad biológica tiene la peculiaridad de acumular el calcio disuelto en el mar para formar estructuras rígidas de formas características, la cual es usada por los biólogos marinos para poder clasificarlas.

En los últimos años, los investigadores han notado que las comunidades de corales —o arrecifes— se están reduciendo gradualmente. La principal causa es un fenómeno conocido como el blanqueamiento del coral [ver imagen de portada], en el cual las zooxantelas mueren o “rompen el contrato” con los corales porque estos ya no pueden suplirles de los componentes necesarios para poder vivir. Como consecuencia, los corales pierden su pigmentación y los nutrientes derivados de la fotosíntesis de sus compañeros simbiontes, muriendo irremediablemente.

Los corales son sumamente sensibles a cualquier cambio en las condiciones de su entorno. El aumento de la temperatura de los mares a causa del calentamiento global, la acidificación de los océanos por el exceso de CO₂ ambiental, los huracanes y ciclones, la sobre pesca y la eutrofización, son las principales causas de este fenómeno.

Por si fuera poco, a medida que los arrecifes de coral se reducen, las comunidades de macroalgas van ocupando su lugar empezando a dominar lo que antes era su territorio. Un claro ejemplo de este cambio de fase biológica se observó en los arrecifes jamaiquinos, los cuales en la década de 1970’s estaban cubiertos de un 40% a un 70% por corales y menos de un 10% por macroalgas. La sobre pesca y los huracanes que azotaron las costas caribeñas en la década de los 1980’s, invirtió estos porcentajes —ahora las macroalgas cubren el 90% de los arrecifes de Jamaica.

Estos fenómenos promueven una interacción más cercana entre las algas y los corales; sin embargo, el efecto que ejerce uno sobre el otro no está completamente entendido. Ciertos estudios sugieren que las algas tienen un efecto perjudicial sobre los corales, considerándolas como contribuidoras de su blanqueamiento.

En un estudio publicado hoy en Proceedings of the National Academy of Sciences, un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia (USA) liderados por el ecólogo Douglas Rasher y el Dr. Mark Hay demostraron que ciertas especies de algas liberan unas sustancias químicas hidrofóbicas que provocan el blanqueamiento del coral, reduciendo su capacidad de fotosíntesis y ocasionalmente causándoles la muerte, lo que explicaría por qué las comunidades de corales no se pueden regenerar en dichas zonas.

Los investigadores colectaron ocho especies comunes de macroalgas y tres especies de corales de los arrecifes de Fiji. Después de un periodo de aclimatación en el laboratorio, las pusieron en contacto unas con otras obteniéndose un total de 24 experimentos. Las algas y los corales estuvieron en contacto durante 20 días. Al cabo de este tiempo, Rasher y sus colegas observaron un blanqueamiento considerable de los corales y una reducción en la eficiencia de la fotosíntesis, en el 50% y 80% de los experimentos, respectivamente. Además, en la tercera parte de los tratamientos los corales habían muerto por completo.

Como estos efectos se observaban en zonas donde había un contacto directo entre el alga y el coral, los investigadores manejaban dos hipótesis: i) las algas desgastaban la superficie de los corales (abrasión) o, ii) las algas secretaban algún tipo de sustancia química perjudicial para el coral.

Para corroborar (o refutar) la primera hipótesis, Rasher y su equipo usaron una sustancia plástica inerte de consistencia y estructura similar a la de las algas y las pusieron en contacto con los corales esperando observar algún efecto abrasivo. Después de 16 días de experimentación, los investigadores no observaron nada extraño (no hubo ni blanqueamiento ni reducción de la eficiencia de la fotosíntesis). De esta manera, la hipótesis quedó descartada.

Entonces, el segundo paso fue extraer las sustancias hidrofóbicas secretadas por las algas. Una vez obtenido el extracto, éste fue embebido en el gel plástico usado en el experimento anterior y se puso en contacto con  los corales. Al cabo de 20 días, se observó claramente un blanqueamiento y una reducción de la eficiencia de la fotosíntesis en los corales, similar al obtenido como si se hubieran usado las algas directamente. Los extractos de las especies C. fastigiata y G. filamentosa fueron las que tenían el mayor efecto alelopático.

Las sustancias alelopáticas obtenidas de estas dos algas fueron purificadas y analizadas mediante técnicas cromatográficas. Los resultados arrojaron que se trataban de terpenos loliolides. Estos compuestos son hidrofóbicos, o sea tienen una bajísima solubilidad en el agua, lo cual facilita su retención en la interfase alga-coral. Estos terpenos no son liberados por la lisis de las células del alga, simplemente son secretadas a través de la superficie de su membrana celular y su efecto sólo se da cuando hay un contacto directo entre ellos.

No se sabe exactamente como evolucionaron estas sustancias en las algas, pero se cree que ya estaban presentes desde hace mucho tiempo atrás. Las algas usaban estos terpenos como un mecanismo de defensa contra microorganismos patógenos marinos. Por cosas del destino, estas sustancias también resultaron ser tóxicas para los corales, los cuales empezaron a entrar en contacto directo con las algas debido a su reducción durante las últimas décadas. Las algas se vieron favorecidas por esta coincidencia y por selección natural retuvieron esta característica. En otras palabras, los corales pueden ser unas víctimas fortuitas de la acción antimicrobiana de las algas.

Ahora queda por investigar el mecanismo de toxicidad de estos terpenos sobre los corales con el fin de desarrollar alguna estrategia que permita contrarrestar dicho efecto, para así poder regenerar las comunidades de corales, muy importantes para mantener el equilibrio y la diversidad biológica de los ecosistemas marinos.

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Referencia:

Douglas B. Rasher, E. Paige Stout, Sebastian Engel, Julia Kubanek, & Mark E. Hay (2011). Macroalgal terpenes function as allelopathic agents against reef corals Proceedings of the National Academy of Sciences doi:10.1073/pnas.1108628108

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Sin dudas, el mejor abstract…

No, no es broma. Este artículo ha sido enviado al Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical y lo pueden encontrar disponible para su revisión vía ArXiv.org. El artículo corresponde a uno de los tantos que se están pre-publicando en ArXiv.org concerniente a las posibles explicaciones de los datos obtenidos por el experimento OPERA y el CERN sobre los neutrinos súper lumínicos. Creo que no encontrarán un resumen más concreto y completo que este.

Vía | Improbable Research.

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Los microARNs y su contribución a la evolución del cerebro humano

A nivel genético, los humanos y los simios somos muy parecidos, tanto así que con los chimpancés compartimos el 96% de nuestro genoma. Este porcentaje asciende a un 99% si sólo consideramos el 1.5% del genoma que codifica para algún tipo de proteína (ADN codificante). Prácticamente, la tercera parte de nuestros genes son idénticos y una típica proteína humana difiere tan sólo en dos aminoácidos a su par en el chimpancé, de las cuales la mayoría son neutras —un aminoácido es reemplazado por otro con propiedades químicas similares que no llega a afectar la función de la proteína.

Todos estos datos indican que la mayor parte de las diferencias genéticas entre humanos y simios se encuentra a nivel del ADN que no llega a formar proteínas (ADN no codificante). Este ADN se caracteriza por poseer las secuencias encargadas de regular la expresión de los genes, tales como: los ARN de interferencia, los microARNs o los riboswitches.

Sin embargo, a pesar de la alta similaridad genética que hay entre humanos y chimpancés, a nivel fenotípico somos muy diferentes, especialmente en nuestras habilidades cognitivas, por ejemplo: el lenguaje articulado o el uso y desarrollo de herramientas. Los científicos suelen preguntarse ¿cómo han evolucionado esta habilidades en un periodo de tiempo relativamente corto —entre 6 y 7 millones de años?.

Como acabamos de mencionar, las diferencias se encuentran principalmente a nivel del ADN no codificante. Las mutaciones en las regiones reguladoras de los genes generan cambios en los niveles de expresión de determinadas proteínas que afectan el comportamiento de un determinado tejido. En estudios previos, los científicos compararon y observaron grandes diferencias en la expresión de determinados factores de transcripción tanto en el hígado como en el cerebro. Un sólo factor de transcripción puede regular la expresión de muchos genes de manera coordinada, así que cualquier cambio a este nivel podría ser una de las explicaciones para la rápida evolución de los humanos.

En un nuevo estudio publicado en PLoS Genetics, un grupo de investigadores chinos liderados por Hai Yang Hu del Instituto para las Ciencias Biológicas de Shanghái, bajo la asesoría del reconocido genetista Svante Pääbo del Instituto Max Planck de Alemania, han estudiado la expresión de pequeñas secuencias de ARN reguladoras —los microARNs (miARN)— y han comparado su efecto sobre la expresión genética en los cerebros de humanos, chimpancés y macacos, con el fin de  determinar su contribución a la evolución de la capacidad cognitiva humana.

Los miARNs son pequeñas secuencias de ARN compuestas por 21 a 23 nucleótidos con la capacidad de regular la expresión genética a nivel del ARN mensajero (ARNm). Los miARNs se unen a secuencias complementarias en el ARNm, formando una doble hebra que activa la función de un complejo enzimático conocido como RISC (complejo silenciador inducido por ARN), el cual se encarga de degradar al ARNm, inhibiendo así la expresión del gen codificado por él.

Hu y sus colaboradores analizaron los miARNs expresados en dos regiones cerebrales distintas: la corteza prefrontal y el cerebelo; a partir de muestras obtenidas del Banco de Tejidos de la Universidad de Maryland. De los 325 miARNs presentes tanto en los humanos como en los chimpancés, el 11% de ellos se expresaban de manera distinta. Este porcentaje fue mayor al comparar los miARNs de los humanos y los macacos (31%). Se identificaron además 13 miARNs que eran específicos del linaje humano y 8 del linaje de los chimpancés.

Si bien Hu y sus colegas demostraron que hay miARNs que no se expresan de la misma manera en los cerebros de humanos y chimpancés, faltaba determinar qué efecto tenían de estas diferencias sobre la función cerebral. Para responder a esta pregunta, los investigadores analizaron la expresión de los genes regulados por estos miARNs en el cerebro. Hu et al. observaron que entre un 2% y 4% de los ARN mensajeros y un 4% y 6% de las proteínas de la corteza prefrontal del cerebro de los humanos no se expresaban de la misma manera que en los chimpancés.

La expresión de un gen involucra dos pasos: la transcripción (paso de ADN a ARN mensajero) y la traducción (paso de ARN mensajero a proteína). Como los miARNs regulan la expresión de los genes después de la transcripción, las cantidades de ARN mensajero y de proteínas se verán afectadas por ellos. Además, es incorrecto pensar que los miARNs sólo se encargan de bloquear la expresión de un determinado gen, éstos también pueden promover la expresión de otros genes de manera indirecta, por ejemplo, bloqueando la expresión de proteínas represoras o de enzimas que forman parte de rutas metabólicas antagónicas.

Finalmente, los científicos se enfocaron en el estudio de 5 de los 13 miARNs específicos del linaje evolutivo humano: miR-184, miR-487a, miR-383, miR-34c-5p y miR-299-3p. Lo primero que saltó a la vista fue que los genes regulados por estos miARNs estaban involucrados en la activación de diversas funciones neuronales, por ejemplo: la transducción de señales, la transmisión sináptica y la proliferación y diferenciación de las neuronas. Los datos fueron corroborados cuando se introdujeron estos miARNs en líneas celulares derivadas del neuroblastoma humano (un tipo de tejido nervioso cancerígeno) y se observó un incremento en la expresión de los genes predichos.

Estos resultados sugieren que los cambios en la expresión de los miARNs en la corteza prefrontal del cerebro, una región que controla funciones cognitivas sumamente complejas, tales como: el pensamiento abstracto y la planificación, ha provocado cambios significativos en la expresión de proteínas involucradas con el desarrollo neuronal, contribuyendo así con el desarrollo de funciones cognitivas más sofisticadas con respecto a nuestros parientes evolutivos más cercanos —los chimpancés.

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Referencia:

Hu, H., Guo, S., Xi, J., Yan, Z., Fu, N., Zhang, X., Menzel, C., Liang, H., Yang, H., Zhao, M., Zeng, R., Chen, W., Pääbo, S., & Khaitovich, P. (2011). MicroRNA Expression and Regulation in Human, Chimpanzee, and Macaque Brains PLoS Genetics, 7 (10) DOI: 10.1371/journal.pgen.1002327

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