Descubren señal química que vuelve sociable a los nemátodos

La presencia o ausencia de indol en la feromona atrae o repele a los que son hermafroditas.

El nemátodo Caenorhabditis elegans es un buen modelo biológico para hacer estudios básicos sobre el comportamiento social, especialmente los que involucran la alimentación, la densidad poblacional, el apareamiento y la agregación. Estudios recientes han demostrado que un grupo de moléculas, conocidas como los ascarósidos, regulan diversos aspectos del comportamiento del diminuto animal.

Los ascarósidos ascr#1, ascr#2 y ascr#3 han sido identificados como los principales componentes de las feromonas que promueven la agregación de los machos. Sin embargo, los hermafroditas, quienes conforman la mayor parte de la población de los nemátodos, son insensibles a bajas concentraciones de estos ascarósidos y son repelidos a concentraciones usadas por los machos para reunirse.

Con el fin de identificar las señales químicas que promueven la agregación de los hermafroditas, un grupo de investigadores, liderados por el bioquímico Frank Schroeder de la Universidad de Cornell, analizaron los compuestos generados tanto en nemátodos silvestres como en mutantes para la proteína DAF-22, la cual es requerida en la biosíntesis de las feromonas de estas especies. Según reportaron el 10 de Enero en PLoS BIology, los indol-ascarósidos ejercen un potente efecto atractivo en los nemátodos hermafroditas, sugiriendo que estos pequeños gusanos tienen un lenguaje químico de comportamiento social bastante complejo.

Schroeder y sus colaboradores identificaron muchos compuestos unidos al indol —una molécula derivada del tritófano— en los gusanos silvestres, pero no en los mutantes para el gen daf-22; siendo el indol unido al ascr#3 (icas#3), el más abundante de todos estos compuestos [Figura de portada].

Entonces, como había una diferencia sustancial (químicamente hablando) entre el ascr#3 y el icas#3, los investigadores quisieron saber si estas moléculas generaban respuestas diferentes en el nemátodo. Para ello, sintetizaron químicamente el icas#3 y otros ascarósidos indolados más como el icas#1 e icas#9, y los pusieron en el medio de cultivo. A concentraciones elevadas, estos indol-ascarósidos promovían la agregación de machos y hermafroditas. Pero cuando se repitió el experimento a bajas concentraciones, los icas#3 e icas#9 sólo promovieron la agregación de los hermafroditas mas no de los machos. El efecto de estos indol-ascarósidos es potente.

Los investigadores también analizaron que neuronas eran activadas por esta novedosa feromona. Lo que encontraron fue que los hermafroditas respondían al icas#3 aún en ausencia de las neuronas RMG, las cuales detectan las condiciones del entorno, integran la información y mandan la señal a los músculos para promover la agregación; por ejemplo, cuando hay abundancia de alimento. Sin embargo, cuando las neuronas ASK estaban ausentes, la respuesta no se daba.

Estos resultados contradicen lo encontrado en estudios previos. En estos se decía que los ascarósidos actúan tanto a nivel de las neuronas RMG como las ASK. Sin embargo, como podemos ver en el párrafo anterior, cada respuesta es mediada por un circuito neuronal diferente: los ascarósidos (feromonas que repelen a los hermafroditas) son reconocidos por las neuronas RMG y los indol-ascarósidos (feromonas que promueven la reunión de los hermafroditas) son reconocidos por las neuronas ASK.

Estos dos tipos de feromonas actúan en una coordinación magistral. Cuando está presente la icas#3, aún en presencia de ascr#3, los hermafroditas se agregan, siempre y cuando las concentraciones sean bajas. Sin embargo, cuando se incrementa la concentración de ascr#3, las hermafroditas se ven repelidas, aún icas#3 esté presente en el medio.

De estas observaciones podemos concluir que, cuando las densidades poblacionales son elevadas, la concentración de ascr#3 aumenta gradualmente. Esto provoca que los hermafroditas, quienes conforman la mayor parte de la población, se vean repelidas, reduciendo así la competencia por el alimento.

Además, los investigadores sugieren que los nemátodos tienen la capacidad de ajustar los niveles de feromonas liberados. Pueden promover la agregación liberando la versión no-indolada y así reunirse para reproducirse, o pueden reprimirla, liberando la versión indolada para evitar la competencia por el alimento. Estos resultados demuestran el alto nivel de complejidad en la comunicación social de los nemátodos.

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Referencias:

Srinivasan, J., von Reuss, S., Bose, N., Zaslaver, A., Mahanti, P., Ho, M., O'Doherty, O., Edison, A., Sternberg, P., & Schroeder, F. (2012). A Modular Library of Small Molecule Signals Regulates Social Behaviors in Caenorhabditis elegans PLoS Biology, 10 (1) DOI: 10.1371/journal.pbio.1001237

Weaver J (2012) New Signaling Chemicals Spur Worms to Seek Company. PLoS Biol 10(1): e1001240. doi:10.1371/journal.pbio.1001240

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Esperanza de vida de un ave dependería del tamaño de sus telómeros

Estudio realizado en pinzones cebra muestra una fuerte relación entre los telómeros y la longevidad.

Los telómeros son unos recubrimientos especiales ubicados en los extremos de los cromosomas. Cumplen con dos funciones importantes: i) evitar que estos extremos sean reconocidos como rupturas en el ADN, lo que llevaría a activar un mecanismo de reparación que los uniría con otros, provocando graves daños a la célula, y ii) proteger al ADN de la reducción que sufre cada vez que la célula se divide, porque, la enzima que copia el ADN, no puede replicar completamente uno de los extremos (la cadena retrasada donde se ubican los fragmentos de Okazaki) al no tener de donde sostenerse.

Durante nuestro desarrollo embrionario, tenemos activa una enzima llamada telomerasa que se encarga de reponer los telómeros perdidos durante la replicación del ADN. Sin embargo, una vez que nacemos y empezamos a crecer, se inactiva. Se cree que esta inactivación evolucionó como un mecanismo que reprime la formación de tumores. Lamentablemente, cuando los telómeros son muy cortos, ya sea por problemas genéticos o por su reducción a lo largo de la vida, la célula deja de dividirse y empieza a envejecer. He aquí su relación con el envejecimiento.

Es entonces donde sale a la luz la siguiente pregunta: ¿si tenemos unos telómeros más largos, viviremos más años? Si aplicamos la lógica, la respuesta sería afirmativa. Es más, hay estudios donde se ha encontrado cierta relación entre el tamaño de los telómeros y la esperanza de vida. Sin embargo, estos resultados no han sido concluyentes porque también hay otros estudios donde dicha relación no aparece.

Uno de los principales problemas es la forma como se aborda el estudio. En humanos, por ejemplo, los telómeros son analizados en personas de avanzada edad, para ver si su longitud tiene algo que ver con su longevidad. El problema es que no se puede hacer un estudio a largo plazo (desde que nace hasta que muere) porque tomaría más de 70 años en hacerlo. Otro dato que no se toma en consideración es que la mayor parte de los telómeros se pierden durante los primeros años de vida, y esta tasa varía entre una persona y otra, dando resultados sumamente dispersos y confusos. La exposición a agentes que propician la reducción de los telómeros (altas dietas calóricas, esfuerzo físico constante, agentes químicos en los alimentos, etc.) también juegan un rol importante en este efecto.

Ahora, un grupo de investigadores británicos, liderados por el Dr. Britt Heidinger de la Universidad de Glasgow, han estudiado el tamaño de los telómeros de un centenar de pinzones cebra durante distintas etapas de su vida, encontrando que la longitud que tiene a los 25 días de nacidos está muy relacionado con su esperanza de vida, según un artículo publicado el 9 de Enero en PNAS.

Heidinger estudiaron 99 pinzones cebra durante 9 años. Cada cierto tiempo les tomaban muestras de sangre para evaluar el tamaño de sus telómeros. Lo primero que observaron fue que la tasa de reducción fue mayor durante el primer año de vida, y ésta se aceleraba si las aves se reproducían.

Al terminar el estudio, los investigadores observaron que aquellos pinzones que tenían los telómeros más largos a los 25 días de nacidos, mostraban una mayor esperanza de vida. Esta correlación se perdía cuando se analizaba el tamaño de los telómeros después de ese momento.

Sin embargo, como pueden ver en el gráfico, la variación de lo resultados es muy grande. Si bien se observa cierta tendencia (a mayor es la longitud de los telómeros, mayor es la esperanza de vida), la variabilidad de los resultados hace que su índice de correlación no sea tan contundente como para dar por sentada la afirmación. Y si a esto le sumamos que factores externos de muerte como son las enfermedades, la depredación o la inanición han sido controlados, lo que ocurre en la naturaleza es mucho más complejo.

Tampoco indica que estos resultados sean aplicados a otros modelos biológicos, incluso a los humanos. Cada uno presentan una distinta tasa de pérdida de telómeros que está en función a su propia fisiología. Sin embargo, hay datos bastante buenos que pueden ser rescatados, por ejemplo, el hecho que la reproducción acelera la pérdida de los telómeros. Otro dato interesante es la confirmación de que ésta tasa es mayor durante los primeros meses de vida.

Bueno, concluiremos diciendo que si bien los telómeros juegan un rol importante en la senescencia celular, no podemos usarlos para predecir la esperanza de vida de un organismo porque éste depende de muchos factores, tanto internos como externos.

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Referencia:

Heidinger, B., Blount, J., Boner, W., Griffiths, K., Metcalfe, N., & Monaghan, P. (2012). Telomere length in early life predicts lifespan Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1113306109

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Planta carnívora atrapa su presa bajo el suelo

Usan hojas adhesivas subterráneas para atrapar y digerir nemátodos.

Estamos acostumbrados a pensar en las plantas como unos seres inmóviles e inofensivos. Sin embargo, las plantas carnívoras —que para Darwin eran las plantas más asombrosas en el mundo— no se ciñen a este estereotipo. Las adaptaciones morfológicas y fisiológicas que han adquirido a lo largo de su historia evolutiva, las convierten en unos organismos fascinantes.

Las manifestaciones más asombrosas son sus hojas especializadas que se convierten en trampas mortales, con la capacidad de digerir a sus presas y absorber los nutrientes, lo que les ha llevado, en algunos casos, a prescindir de la fotosíntesis. Esto lo hacen porque sus hábitats naturales se caracterizan por ser pobres en nutrientes elementales como lo son: el nitrógeno, fósforo, potasio, entre otros. No obstante, ésta no es la forma más económica de obtenerlos.

Las plantas carnívoras representan menos del 0.2% del total de plantas con flores descritas a la fecha. Esto se debe principalmente al costo energético que deben invertir para producir néctares y aromas atractivos para sus presas (Sarracenia purpurea), jarrones coloridos con patrones de radiación UV que sean reconocibles por los insectos (Nepenthes sp.), sustancias mucilaginosas (Drossera rotundifolia) o resinosas (Roridula gorgonias) que no dejen escapar el alimento una vez capturado, o incluso trampas que se activen por un sofisticado gatillo (Dionaea muscipula). Así como también desarrollar glándulas especializadas en producir enzimas digestivas.

Sin embargo, un estudio publicado hoy en PNAS sugiere que el porcentaje que representan las plantas carnívoras podría estar subestimado porque científicos brasileños, liderados por el biólogo Caio Pereira de la Universidad Estatal de Campinas, han descrito una planta del género Philcoxia que tiene la capacidad de capturar y digerir nemátodos usando unas hojas adherentes subterráneas.

El género Philcoxia, que pertenece a la familia Plantaginaceae, está compuesta por tres especies que crecen exclusivamente en los campos rocosos del centro de Brasil. Esta zona se caracteriza por ser muy rocosa y arenosa, con bajas cantidades de nutrientes pero bien iluminado, y con un régimen de lluvias estacionales. Todas estas condiciones favorecen la existencia de plantas carnívoras, por lo que hacía sospechar que las Philcoxia eran carnívoras.

Pero, a pesar que las Philcoxia presentaban características típicas de las plantas carnívoras, nunca se pudo determinar la estrategia empleada para capturar sus presas. La forma como obtenía sus nutrientes fue un gran misterio para los botánicos y ecólogos brasileños.

Todo cambio en el 2007 cuando el Dr. Peter Fritsch y sus colaboradores de la Academia de Ciencias de California y la Universidad Estatal de Campinas, descubrieron la presencia de nemátodos adheridos a las hojas subterráneas de Philcoxia minensis almacenadas en un herbario. Todo apuntaba a que esta planta era carnívora.

Para corroborar esta hipótesis, Pereira y sus colaboradores “alimentaron” a la planta con unos sabrosos nemátodos marcados con Nitrógeno-15 (un isótopo más pesado del nitrógeno que no se encuentra normalmente en los seres vivos). Al analizar sus hojas, observaron que los niveles de ¹⁵N alcanzaron el 5% y 15% del total a las 24 y 48 horas, respectivamente. Además, la concentración total de nitrógeno y fósforo también fue significativamente superior al promedio observado en las especies vecinas. Estos resultados demostraban que la planta asimilaba los nutrientes liberados por el nemátodo.

Al hacer un estudio enzimático de las hojas de P. nimensis observaron que las fosfatasas se encontraban muy activas, lo que indicaría que la planta digería sus presas por sí misma, descartando así que el proceso sea realizado por algún tipo de bacteria simbionte.

Lo reportado en este estudio es una estrategia única no descrita anteriormente. La P. nimensis, y posiblemente las otras dos especies de Philcoxia, usan unas hojas subterráneas adhesivas para atrapar los nemátodos que allí habitan. Luego, secretan enzimas que empiezan a digerir a la desafortunada presa para que finalmente asimilen los nutrientes generados.

Esta estrategia es bastante críptica en comparación a las otras. Esto porque sus hojas especializadas son bastante pequeñas (de 0.5 a 1.5mm de diámetro) y se encuentran escondidas bajo el suelo. Además, sus presas son microscópicas. Todo esto nos llevaría a pensar que podrían haber muchas más especies de plantas que se alimenten de algún tipo de microorganismo o que usen estrategias que no pueden ser apreciadas a simple vista, subestimando así el número total de especies de plantas carnívoras descritas en la actualidad.

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Referencia:

Pereira, C., Almenara, D., Winter, C., Fritsch, P., Lambers, H., & Oliveira, R. (2012). Underground leaves of Philcoxia trap and digest nematodes Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1114199109

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Planarias reformularían la función de los centrosomas

Sus células prescinden de ellos, pero su capacidad regenerativa y desarrollo embrionario no se ven afectados.

Los centrosomas son unos organelos esenciales en todas las células animales. Están formados por dos centriolos orientados perpendicularmente, cada uno compuesto de nueve tripletes de microtúbulos ordenados en forma cilíndrica y rodeados por una masa amorfa de proteínas llamada materia pericentriolar. Su principal función es organizar los microtúbulos tanto para dar forma, polaridad y movilidad a la célula como para generar el huso mitótico por donde migrarán los cromosomas durante la división celular. Los centriolos, además, son el punto de anclaje de los cilios (protuberancias celulares que sirven para dar movimiento).

Decimos que estos organelos son esenciales porque son casos muy peculiares en los cuales no están presentes en las células animales, por ejemplo: durante las primeras fases del desarrollo embrionario de ratones y en los estados avanzados de desarrollo en la mosca de la fruta. No obstante, un estudio publicado esta semana en Science demuestra que las células de las planarias carecen de centrosomas, sugiriendo que su mantenimiento a través del proceso evolutivo tenga poco o nada que ver con la división celular.

Las planarias son los maestros de la regeneración. Pueden perder cualquier parte de su cuerpo —incluso su cabeza— y volver a regenerarla rápidamente. Tal es su habilidad que el año pasado, un grupo de investigadores del Howard Hughes Medical Institute (HHMI), lograron regenerar una planaria completa a partir de una única célula. Todo el proceso se basa en divisiones celulares continuas y posterior diferenciación de tejidos gracias a que sus células mantienen la pluripotencia y totipotencia (neoblastos) durante toda su vida.

Estos gusanos planos carecen de centrosomas pero no de centriolos, los cuales están presentes en las células multiciliadas de su cuerpo. Como los centriolos son el núcleo de los centrosomas y estos, a su vez, son importantes para la división celular, un grupo de investigadores liderados por la Dra. Juliette Azimzadeh de la UC California decidieron revelar el papel que juega los centriolos en la regeneración de las planarias.

Para sus experimentos, Azimzadeh y sus colegas usaron la planaria Schmidtea mediterranea, a quien le bloquearon la expresión de las proteínas que conforman el centriolo usando ARNs de interferencia. Los investigadores observaron que este bloqueo afectaba la locomoción del animal porque los cilios no llegaban a desarrollarse. Sin embargo, su capacidad regenerativa no se vio afectada en lo más mínimo.

Por otro lado, al estudiar los embriones de S. mediterranea usando moléculas fluorescentes que se unen a las proteínas centriolares, los investigadores no observaron fluorescencia alguna. Estos dos resultados apuntaban a lo mismo: los centriolos, y por tanto, los centrosomas, no son necesarios para la división celular, la regeneración de tejidos o el desarrollo embrionario; sólo se ensamblan durante la diferenciación de las células ciliadas.

El estudio además reveló que, durante su evolución, las planarias perdieron genes necesarios para el ensamblaje y duplicación de los centrosomas, entre ellos los que codifican para las proteínas SPD-2/Cep192, CNN/CDK5RAP2 y Nek2; mientras que los genes esenciales para la formación de los centriolos se conservaron para ser expresados durante la diferenciación de las células multiciliadas.

Al estudiar otros gusanos planos más primitivos como el Macrostomum lignano, se observó que ellos presentaban genes homólogos a SPD-2/Cep192 y Nek2 y que los centriolos se ubicaban hacia los polos de sus células, lo que indicaría que los centrosomas aún estaban presentes en las primeras etapas evolutivas de las planarias.

Entonces, la conservación de los centrosomas en el resto de animales a lo largo de su evolución no sería porque cumplen un rol fundamental en la división celular, sino que, en realidad, su principal función sería coordinar procesos de desarrollo específicos aún desconocidos.

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Referencia:

Azimzadeh, J., Wong, M., Downhour, D., Alvarado, A., & Marshall, W. (2012). Centrosome Loss in the Evolution of Planarians Science DOI: 10.1126/science.1214457

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Físicos vuelven invisible un suceso en el tiempo

Usando materiales que modifican la velocidad de la luz crean un hoyo temporal donde cualquier suceso puede ser ocultado.

Tener una capa de invisibilidad temporal sería el sueño de cualquier asaltante de bancos o museos porque le permitiría hacer todas sus fechorías sin que nadie se diera cuenta de ello. Así que, para todos los malhechores que leen diariamente el blog les traigo una “excelente noticia”.

Físicos de la Universidad de Cornell (Estados Unidos) han demostrado experimentalmente que crear hoyos temporales es posible. Según un estudio publicado el 4 de Enero en Nature, el grupo de investigadores liderados por el Dr. Moti Fridman lograron ocultar sucesos durante 50 picosegundos (0.00000000000005 segundos).

Nosotros podemos ver objetos, y por lo tanto, sucesos gracias a la luz. La materia tiene la propiedad de interactuar con ella, ya sea absorbiéndola, reflejándola, dispersándola o refractándola. Entonces, si logramos modificar estas propiedades podríamos modificar la forma en cómo detectamos un determinado objeto.

Estoy seguro que muchos recordaremos haber visto en los dibujos animados o en el Chapulín Colorado la famosa “pintura invisible”. Bastaba untarte un poco de ella para desaparecer completamente. Bueno, si bien no existe dicha pintura, existen materiales artificiales (metamateriales) con índices de refracción negativos o que cambian a lo largo de toda su estructura, haciendo que la luz, en vez de chocar contra ella y dispersarse —como lo haría típicamente al toparse con cualquier objeto— lo rodee tal como lo hace una corriente de agua cuando hay una piedra en medio. La luz seguirá su rumbo como si no hubiera nada en frente, creando una capa de invisibilidad espacial.

Entonces, si pudiéramos crear un hueco en medio de un rayo de luz, ¿todo lo que esté o pase durante el tiempo que dure ese hueco sería invisible ante nuestros ojos?. Sí, porque la luz no interactuará con el objeto y, por lo tanto, no modificará ninguna de sus propiedades. Esto fue precisamente lo que hicieron los investigadores de la Universidad de Cornell.

Fridman y sus colegas usaron una lente de tiempo dividida (STL) y un medio dispersivo. Seguro se estarán preguntando ¿qué es una lente de tiempo? Bueno, si recuerdan sus cursos de óptica, las lentes normales (lentes ópticas) son dispositivos que convergen (concentran) o divergen (separan) los rayos de luz espacialmente. Las lentes de tiempo hacen lo mismo, pero no en el espacio, sino en el tiempo.

Sabemos que la luz visible está compuesta por diferentes longitudes de onda, cada una cae dentro de un rango de color específico. Así que este tipo de lentes hace que la luz cambie de color en diferentes momentos en el tiempo. La STL, por su parte, hace esto pero de dos formas, una mitad separa los colores azules y la otra los colores rojos, en diferentes momentos. Luego, la luz separada en colores pasa a través de un medio dispersivo el cual modifica la velocidad de la luz según su color.

El primer medio dispersor hace que los rayos de luz roja se vuelvan más lentos que los azules creándose un hueco. Todo lo que ocurra en este hueco será invisible porque no habrá luz que interactúe con el suceso. Luego, para regenerar el rayo de luz y sea apreciado como si nada hubiera pasado, el sistema se repite pero de forma inversa. El medio dispersivo esta vez hará que los rayos de luz azul sean más lentos y otra STL volverá a unir los rayos de luz para regenerar el original.

Este video lo explica de manera detallada:

Sin dudas es un bonito experimento que demuestra la factibilidad de crear una capa de invisibilidad temporal. El estudio ya había sido pre-publicado en el mes de Julio del 2011 vía ArXiv.org y el blog Aventura de la ciencia lo comentó en aquel entonces.

Como pueden ver los investigadores usaron un pulso de rayo láser verde el cual atravesó la lente de tiempo dividida y el medio dispersivo (fibra de modo simple) con el que lograron generar una capa de invisibilidad temporal de 50 picosegundos (50 veces la milésima de la millonésima de la millonésima parte de un segundo). El suceso que ocultaron durante este periodo de tiempo fue un pulso de luz con la capacidad de interactuar con el rayo láser. Los resultados mostraron que la amplitud del evento se redujo en más de 10 veces.

Ahora los físicos buscan combinar las capas de invisibilidad espacial con la temporal y lo creen poder hacer porque ambas actúan en dimensiones físicas diferentes. La principal aplicación que se le puede dar es mejorar la seguridad de la transmisión de información a través de las redes de fibra óptica, así que Fridman y sus colegas están buscando crear capas de invisibilidad temporal mucho más largas, del orden de los micro y, por qué no, de los milisegundos.

P.D: Siento desilusionar a mis lectores asaltantes que llegaron hasta este punto de la historia.

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Referencias:

Fridman, M., Farsi, A., Okawachi, Y., & Gaeta, A. (2012). Demonstration of temporal cloaking Nature, 481 (7379), 62-65 DOI: 10.1038/nature10695

Boyd, R., & Shi, Z. (2012). Optical physics: How to hide in time Nature, 481 (7379), 35-36 DOI: 10.1038/481035a

Video vía Scientific American Blogs.

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Esta entrada participa en el VI Carnaval de la Tecnología celebrado este mes en Scientia.

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Científicos hallan proteína de interferencia en microorganismo halófilo

Reconocen secuencias específicas de siete nucleótidos para silenciar la expresión del gen.

Hace algunos días vimos un video muy didáctico de lo que es un ARN de interferencia (ARNi). Los ARNi han sido ampliamente estudiados desde su descubrimiento en 1998 por Andrew Fire y Craig Mello, el cual les valió el Nobel de Fisiología en el 2006. Su función es regular la expresión de los genes después de que hayan sido transcritos de ADN a ARN mensajero (ARNm), en otras palabras, “apagan” o “silencian” determinados genes.

Están compuestos por unos cuantos nucleótidos —entre 21 y 23 la mayoría de las veces— que son complementarios a una región específica del ARNm, emparejándose con ellos y formando una porción de doble hebra que es degradada rápidamente por las nucleasas de la célula. 

Sin embargo, los ARNi no serían los únicos encargados de silenciar los genes a este nivel ya que un grupo de investigadores estadounidenses del Robert Wood Johnson Medical School, liderados por el Dr. Masayori Inouye, han descubierto una proteína capaz de reconocer y cortar secuencias específicas de siete nucleótidos en el ARNm con el fin de regular su expresión. Los resultados fueron publicados el 3 de Enero en Nature Communications.

Todo empezó en el 2003 cuando el mismo grupo de científicos descubrió una enzima —la MazF— en E. coli que era capaz de cortar el ARNm en regiones que portaban la secuencia ACA, silenciando así la expresión de estos genes. A estas enzimas las llamaron “interferasas”. A partir de entonces se hallaron más MazF homólogas en otras especies de bacterias, cada una con especificidades que variaban entre 3 y 5 nucleótidos.

Por ejemplo, las interferasas de Mycobacterium tuberculosis y Staphylococcus aureus reconocen secuencias específicas de cinco bases que regulan la expresión de genes asociados con su patogenicidad. No obstante, estas secuencias de reconocimiento son demasiado cortas como para silenciar la expresión de genes específicos tal como lo hacen los ARNi.

Cuando Inouye y sus colaboradores analizaron el genoma de Haloquadrata walsbyi, una arquea de forma plana y cuadrada que vive en ambientes extremadamente salinos (halófilo), encontraron un gen que codificaba una proteína homóloga a la MazF de E. coli. A este gen lo llamaron mazF-hw.

Las interferasas MazF funcionan bajo un sistema toxina-antitoxina. Esto quiere decir que hay otra proteína que regula el efecto silenciador de MazF. Esta proteína se llama MazE y los genes que los codifican están ubicados uno junto al otro (operón mazE-mazF).

En H. walsbyi también se encontró otro gen junto a mazF-hw al que llamaron mazY-hw, sin embargo la proteína que codificaba no presentaba homología con MazE.

Para hacer un estudio más profundo de la interferasa MazF-hw, el Dr. Yoshihiro Yamaguchi, autor principal del estudio, aisló el gen, lo puso en un vector (pColdII-mazF-hw) que es activado en presencia de IPTG y lo introdujo en E. coli. Hizo el mismo procedimiento el otro gen (pET-mazY).

[Para entender como se hace un vector y como se inserta un gen en una bacteria mirar el video BioUnalm for dummies #2]

Al analizar el crecimiento de la E. coli transformada observó que MazF-hw era tóxico para ella (no había crecimiento) a menos que MazY estuviera presente (ver Figura C). Esto demostraba que MazY-hw y MazE cumplían la misma función a pesar de no presentar homología.

Con el fin de determinar cuál era la secuencia específica que MazF-hw reconocía, los investigadores purificaron la proteína y la estudiaron in vitro. Para ello usaron como sustrato el ARN del fago MS2 y los ARN ribosomales de bacterias (16S y 23S) y levaduras (18S y 28S). Los resultados mostraron que MazF-hw sólo cortaba el ARN del fago MS2 y lo hacía en un sólo punto. Además, cuando se ponía junto a MazY-hw, su capacidad de corte era inhibida. Esto demostraba dos cosas: i) había una secuencia de reconocimiento única en el ARN del fago que no estaba presente en los ARN ribosomales y ii) MazY-hw es la antitoxina de MazF-hw.

Usando herramientas bioinformáticas predijeron que la secuencia de reconocimiento y corte debía tener como mínimo seis bases. Las candidatas eran las secuencias UUACUC y UACUCA. Para determinar cuál era, diseñaron dos pequeñas moléculas de ARN de 13 bases donde estarían inmersas estas dos secuencias. Sin embargo, la MazF-hw no fue capaz de cortarlas. Entonces, diseñaron otras secuencias añadiendo distintos nucleótidos a cada uno de los extremos de las seis bases centrales y determinaron que la MazF-hw reconocía y cortaba una secuencia específica de siete nucleótidos (UUACUCA) y lo hacía con una especificidad superior al 99%. Además se determinó que el corte lo hacía después de la segunda U.

Las implicancias de este descubrimiento son grandes. Es la primera vez que se identifica una secuencia de reconocimiento y corte tan larga. En promedio, esta secuencia se repite cada 16,000 nucleótidos dentro de H. walsbyi, en otras palabras, no es muy frecuente y sólo estaría presente en unos pocos genes.

Al analizar los ~2,600 genes de H. walsbyi se encontró la secuencia UUACUCA en 183 de ellos: 170 presentaban una copia, 12 dos copias y sólo una presentaba tres copias de la secuencia mencionada. Como la sensibilidad del ARNm a ser cortado por la MazF-hw es proporcional al número de copias de la secuencia de reconocimiento, sólo un gen estaría fuertemente regulado por esta proteína.

El gen boa era el que presentaba las tres copias. Este gen codifica para un regulador de la bacteriorodopsina, quien es la encargada de usar la energía de la luz para bombear protones y generar ATP. Al hacer los estudios in vitro observaron que la interferasa MazF-hw era inhibida a concentraciones de 10mM de MgCl₂ y 400mM de NaCl. Sin embargo estos microorganismos requieren de concentraciones de 3M de NaCl para vivir y puede resistir hasta 2M de MgCl₂, lo que indicaría que MazF-hw no se encuentra activa en condiciones normales de desarrollo.

Entonces, ¿en qué momento funciona?. La H. walsbyi vive feliz flotando sobre la superficie de aguas saturadas de sales, capturando la luz del sol para producir ATP. Pero cuando los niveles de sal se reducen (estado hipo-osmótico) debido a las lluvias o el desborde de un río, las H. walsbyi pierden su capacidad de flote y se hunden, su capacidad de producir ATP se reduce porque los rayos solares no la alcanzarán con la misma eficiencia. Entonces, como la concentración de sal del entorno disminuye, la MazF-hw se activa y la bacteriorodopsina deja de ser producida (al fin y al cabo, ya no le es útil).

La activación de la MazF-hw puede desempeñar un rol importante en la respuesta de H. walsbyi a las condiciones duras del entorno: los sistemas toxina-antitoxina se caracterizan por ello. Sin embargo, aún queda otra pregunta por resolver: ¿Por qué MazF-hw fue tóxica para E. coli?

Al analizar todos los genes de E. coli se encontró la presencia de la secuencia UUACUCA en 223 de ellos, de los cuales cuatro son esenciales para su crecimiento (lolDi, rplC, rpmD y rpoB). La explicación sería que MazF-hw degrada los ARNm de estos genes evitando así que la bacteria se desarrolle.

Como conclusión tenemos que MazF-hw es una proteína que regula la expresión genética a nivel del ARNm, pero a diferencia de otras proteínas similares descritas anteriormente, su especificidad es mucho mayor, tanto así que podría regular la expresión de unos pocos gen (incluso uno sólo). Por otro lado, las interferasas no son enzimas de restricción porque no actúan a nivel del ADN.

Ahora los científicos apuntan a buscar más genes homólogos a MazF-hw, tal vez con secuencias de reconocimiento mucho más largas las cuales mejorarían enormemente su especificidad, hasta el punto de llegar a comportarse como los ARN de interferencia, los cuales reconocen secuencias de 22 bases en promedio.

Además, los investigadores apuntan al desarrollo de interferasas específicas para inactivar genes humanos que se encuentran sobreexpresados en ciertas condiciones patológicas (cánceres o enfermedades metabólicas). También se podrían diseñar interferasas que permitan bloquear el desarrollo de virus y bacterias patógenas de plantas con el fin de desarrollar variedades de cultivos resistentes a enfermedades. Sin dudas, se ha abierto un nuevo campo de investigación que espera ser aprovechado.

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Referencia:

Yamaguchi, Y., Nariya, H., Park, J., & Inouye, M. (2012). Inhibition of specific gene expressions by protein-mediated mRNA interference Nature Communications, 3 DOI: 10.1038/ncomms1621

Imagen: H. Walsbyi (Bolhuis et al., 2004).

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Desarrollan técnica para detectar esporas de ántrax en sobres cerrados

Científicos usaron una variante de la espectroscopía Raman.

Desde el 11 de Septiembre del 2001, Estados Unidos ha reforzado las medidas de seguridad de sus aeropuertos y servicios postales ante la amenaza de cualquier atentado terrorista. Una forma típica de ataque es a través de agentes infecciosos sumamente virulentos y cuyo tratamiento es ineficiente o inexistente (bioterrorismo). Tal es el miedo que hace poco se ha puesto una moratoria a la publicación de dos artículos —uno en Science y otro en Nature— sobre el desarrollo en el laboratorio de una cepa de la gripe H5N1 sumamente virulenta.

El problema es que las técnicas empleadas para detectar cualquier tipo de espora o partícula viral dentro de sobres y cartas son ineficientes. La resolución obtenida o la interferencia con otros compuestos presentes dentro (Ej.: papeles, polvo y otros químicos no peligrosos) dificultan el trabajo.

Un grupo de investigadores estadounidenses liderados por el Dr. Rajan Arora de la Universidad de Wisconsin han logrado detectar la presencia de esporas de ántrax dentro de sobres cerrados usando una variante de la espectroscopía Raman según un artículo publicado el 3 de Enero en PNAS.

De manera sencilla, la espectroscopía Raman se basa en el cambio de la frecuencia de los fotones de luz al interactuar con las moléculas. Esto dependerá de la rotación y vibración de los enlaces. Cada molécula tiene un patrón específico de dispersión que permite identificarlo. El problema es que el papel y todo lo que haya dentro de los sobres interfieren con la luz incidente y la señal emitida por el componente de interés disminuyendo considerablemente su intensidad o creando un ruido de fondo.

La solución llegó en el 2002 cuando Scully et al. mejoraron la intensidad de la señal usando la espectroscopía de dispersión anti-Stokes Raman coherente (CARS). Esta técnica genera un estado de máxima coherencia molecular que se da cuando las moléculas oscilan a una amplitud máxima y todas al unísono. En el presente estudio, Arora y sus colaboradores combinaron CARS con la microscopía Raman coherente para reducir la interferencia del medio y aumentar la rapidez de detección de esporas de ántrax dentro de sobres cerrados. Para ello usaron pulsos cortos de dos rayos láser combinados y enfocados sobre la muestra permitiendo obtener un espectro de dispersión de buena resolución.

Para demostrar la eficacia de la técnica, los investigadores pusieron dentro de unos sobres cerrados un poco de ácido dipicolínico (DPA), el principal componente de las esporas del ántrax, y lograron identificar claramente su patrón de dispersión. Para complicar la cosa, mezclaron el DPA con polvo de tiza, para ver si la técnica era capaz de diferenciarlos. Como era de esperarse, la microespectroscopía CARS lo pudo hacer aunque la intensidad de la señal se redujo de manera considerable. Además, la técnica no sólo permitió identificar los componentes sino determinar su ubicación y hasta concentración dentro del sobre.

La velocidad de análisis es de aproximadamente 100ms por campo de observación, no muy rápida como para analizar un sobre entero de forma instantánea. Sin embargo, esta técnica puede emplearse junto a otras como la microscopía óptica de transmisión para hacer el CARS sólo en regiones sospechosas del sobre.

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Referencia:

Arora, R., Petrov, G., Yakovlev, V., & Scully, M. (2012). Detecting anthrax in the mail by coherent Raman microspectroscopy Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1115242108

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