El gato de Frankenstein

Había una vez una cabra montés ibérica —una bucarda de los Pirineos, para ser precisos— llamada Celia. Vivía protegida en el Parque Nacional de Ordesa, España, pues era nada menos que el último ejemplar de su especie, víctima de la cacería inmoderada. Un día, a principios de enero de 2000, ocurrió una desgracia: un árbol se vino abajo y aplastó a Celia.

Bucardo de los Pirineos (Capra pyrenaica pyrenaica). Dibujo de Joseph Wolf. Wikimedia Commons.

Un año antes del accidente, unos científicos previsores habían tomado una muestra de su cuero y habían guardado las células en nitrógeno líquido. Así que decidieron intentar algo insólito tratándose de una especie extinta: clonarla. Descongelaron las células y transfirieron el ADN de la bucarda a un cierto número de óvulos de cabras comunes, que luego implantaron en varias hembras híbridas de cabra doméstica y cabra montés española, una subespecie muy cercana al bucardo de los Pirineos. Varios embriones se perdieron, pero tras los cinco meses y medio que dura la gestación, una de las siete madres sustitutas seguía gestante.  Desafortunadamente, cuando los científicos la abrieron para que naciera el clon de Celia, éste vivió apenas unos minutos pues, como lo reveló la necropsia, el cabrito padecía graves anormalidades pulmonares, defecto que se ha encontrado en otros clones jóvenes.

Pese a todo, lo que se logró hacer con Celia mantiene vivas las esperanzas de que en el futuro sea posible, con ayuda de la biotecnología, reconstituir las poblaciones de muchas especies que hoy se hallan en peligro de extinción. Con esas esperanzas, dieciocho instituciones de ocho países participan en el Frozen Ark Project (Proyecto Arca Congelada), que mantiene 48,000 muestras de ADN de más de 5,500 especies, algunas de ellas extintas recientemente.

El carnaval de los (nuevos) animales

De los laboratorios a las granjas, de los acuarios a las universidades, Emily Anthes nos lleva a recorrer lo que llama “el país de las criaturas clonadas y las bestias biónicas”, donde se forja una parte importante de nuestro futuro.

Todos estos detalles los acabo de leer en Frankenstein’s cat (El gato de Frankenstein), libro en el que la periodista Emily Anthes hace un fascinante recorrido por las variadas maneras en que la biotecnología viene modificando la vida, el cuerpo y el destino de un creciente número de animales. Si el título del libro les evoca las sombrías páginas de la famosa novela de Mary Shelley, olvídenlo. El de Anthes es un texto alegre y luminoso; y su examen de las posibilidades que la biotecnología encierra para el futuro de los animales y de nuestra propia especie es positivo.

Anthes cubre un territorio amplísimo, desde cosas triviales, como la producción de pececillos fluorescentes y cucarachas teledirigidas, hasta proyectos verdaderamente significativos, como la generación de aves de corral incapaces de contagiarles la gripe aviar a sus congéneres, la creación de razas de ganado resistentes a un sinfín de enfermedades o, como lo cité arriba, el posible uso de la ingeniería genética para rescatar de la extinción a especies en peligro. Todo eso, pasando por perros y gatos que han vuelto a caminar gracias a los recursos de la ciencia, la cola protética del delfín Winter, la clonación del perro de rescate Trakr, o focas dotadas de microtransmisores que ayudan a estudiar el medio ambiente marino, la vida de los propios animales y sus relaciones ecológicas.

Destacaré un ejemplo que me cautivó. La leche materna humana es, en palabras de Anthes, “un potente elíxir antidiarreico”. Abundan en ella sustancias que refuerzan el sistema inmunitario del lactante y atacan a los gérmenes patógenos. Una de esas sustancias es la lisozima, enzima que tiene una poderosa actividad lítica sobre la pared celular de muchas bacterias. Aunque Anthes no lo menciona, la lisozima —descubierta nada menos que por Alexander Fleming en las secreciones nasales humanas— es quizá la más estudiada de las proteínas, fue la primera cuya estructura se determinó mediante cristalografía con rayos X y se la utiliza a menudo como modelo en la bioquímica proteica.

Alexander Fleming (1881-1955), descubridor de la lisozima (además, como todos lo recordamos, de la penicilina).

La cantidad de lisozima presente en la leche materna humana es muy superior a la que se encuentra en la de muchos otros mamíferos. Las fórmulas lácteas para bebés, elaboradas por lo general a partir de leche de vaca, tienen cuando mucho algunas trazas de lisozima. Dos investigadores de la Universidad de California, James Murray y Elizabeth Maga, decidieron buscar una manera de llevar los beneficios de esta enzima a bebés que no consumen leche materna y a niños que ya pasaron la edad de la lactancia. Para eso, introdujeron el gene de la lisozima humana en óvulos fertilizados de cabra y obtuvieron una hembra transgénica, Artemis, madre de un nuevo linaje de cabras que producen leche con un contenido de lisozima diez veces superior al normal, lo cual, al parecer, las beneficia a ellas mismas: sus ubres son más saludables y con menos signos de infección, según los primeros datos. “Estas cabras transgénicas representan uno de las primeras especies pecuarias genéticamente modificadas con el potencial de beneficiar al animal, al productor y al consumidor”, concluyeron en un reporte de investigación Maga, Murray otros científicos.

James Murray, Elizabeth Maga y una amiga transgénica. Foto: Dave Jones / UCDavis.

En septiembre de 2011, Murray y Maga solicitaron a la Administración de Alimentos y Drogas (FDA) de los EUA revisar la leche de las cabras transgénicas y declarar oficialmente que es segura para el consumo humano. Hasta el momento en que Anthes terminó de escribir su libro, hace unos cuantos meses, no había respuesta a la solicitud. Mientras tanto y por si las dudas, Murray y Maga han establecido un segundo rebaño de cabras en Brasil, país que se está convirtiendo en una potencia mundial en biotecnología agropecuaria.

Un mundo más humano

“El mundo se está volviendo más humano, creado cada vez más por nosotros, para nosotros”, dice Anthes. Muchas de las cosas que hemos hecho a través de los siglos afectan negativamente a los animales y a nuestra propia vida; otras los han beneficiado a ellos y a nosotros. “Los humanos somos una fuerza de la naturaleza —somos, en ciertos sentidos, la fuerza de la naturaleza— e influimos a los animales, nos lo propongamos o no. Así que, viendo hacia adelante, la verdadera pregunta no es si debemos conformar los cuerpos y las vidas de los animales, sino cómo debemos hacerlo: con qué herramientas, en qué circunstancias y para qué finalidad”.

En diciembre de 2005, un joven delfín se enredó por accidente en una trampa para cangrejos. Aunque fue rescatado, perdió la cola, por falta de irrigación sanguínea. Dotado de una cola prostética, Winter, como se le nombró, lleva hoy una vida prácticamente normal en el Clearwater Marine Aquarium, de Florida. Se ha escrito por lo menos un libro sobre su historia y en 2011 salió una película en la que el delfín hace su propio papel. Foto: Krissy Venosdale (Flickr Creative Commons).

“A menos que planeemos mudar a toda la humanidad a Marte y dejar que la Tierra se vuelva otra vez silvestre, quizá necesitemos ayudar a nuestros amigos de pelo y pluma a sobrevivir en un mundo que nos contiene”, dice la autora, con patente realismo. Para eso, es importante no caer en las “visiones apocalípticas” de tantos periodistas, políticos y expertos en ética que especulan con las peores posibilidades. “Luego de pasar un tiempo en el país de las criaturas clonadas y las bestias biónicas, estoy en condiciones de imaginarme un futuro alternativo, en el que la biotecnología traiga esperanza y promesa en vez de ansiedad y alarma”.

Ojalá que Frankenstein’s cat se traduzca pronto al español. Su amable exposición del tema contribuirá a informar a un público más que necesitado de entender qué es la biotecnología  y el enorme abanico de posibilidades que viene abriendo a paso veloz.

Emily Anthes es periodista especializada en el campo de la ciencia. Sus artículos han aparecido en Wired, Scientific American, Psychology Today, Slate y otras publicaciones. Vive en Nueva York, con su perro Milo. Pueden visitar su sitio en la red en este enlace.

Frankenstein’s cat: cuddling up to biotech’s new brave beasts fue publicado en marzo de este año por Scientific American / Farrar, Straus y Giroux.

Hueles a pura tierra mojada

El otro día el colega bloguero Joseph Stromberg sacó en Surprising Science un artículo en relación con ese aroma fresco y agradable —el olor a tierra mojada— que invade el aire después de la lluvia, sobre todo cuando ésta cae tras un período de sequía.

Gotas de lluvia sobre el follaje. Foto de Steve Garner (Flickr Creative Commons).

El distintivo aroma se conoce actualmente como petricor, palabra inventada en inglés —petrichor— por dos científicos australianos que allá por 1964 empezaron a estudiar en serio el fenómeno. Como lo recuerda Stromberg, los geólogos Isabel Joy Bear y R. G. Thomas acuñaron el término con las raíces griegas petra (piedra) e ikhor (el dorado fluido que corre por las venas de los dioses de la mitología griega), y lo usaron por primera vez en un artículo publicado en la revista Nature para dar a conocer sus primeros hallazgos.

Sus investigaciones llevaron a Bear y Thomas al descubrimiento de que uno de los componentes del peculiar aroma, el cual también podemos percibir muchas veces cuando volteamos tierra mojada en un jardín, proviene en parte de una mezcla de aceites secretados por algunas plantas durante la sequía. El aguacero mezcla varios compuestos de los aceites acumulados en las piedras y el suelo y los hace flotar en el aire.

“Guadalajara, Guadalajara, hueles a pura tierra mojada”. Escultura en Tlaquepaque, Jalisco. Foto de Sam Blackman (Flickr Creative Commons).

Dichos compuestos se combinan frecuentemente con otras sustancias, en particular con geosmina, un compuesto orgánico volátil producido por actinobacterias que habitan en el suelo. Estas bacterias filamentosas se multiplican en el suelo cuando las condiciones son húmedas y tibias; pero, cuando el suelo se seca, las bacterias producen esporas. Cuando esto último ocurre, las bacterias secretan geosmina. Más tarde, al primer aguacero, la fuerza de la lluvia lanza las esporas al aire y éste lleva la geosmina a nuestra nariz, que, por su parte, es extremadamente sensible a dicha sustancia: la persona promedio puede detectar cuatro nanogramos de geosmina en un litro de aire.

No todos los organismos que producen geosmina son actinobacterias. También hay cianobacterias y algunos otros organismos capaces de producirla. Pero la mayor parte de la geosmina en el olor a tierra mojada depende de la actividad de las actinobacterias.

Canguros. Foto de spaceodissey (Flickr Creative Commons).

El artículo de Stromberg me hizo recordar un dato curioso que leí no hace mucho en el libro Life of marsupials, de Hugh Tyndale-Biscoe (Sciro Publishing, 2005). Allá en Australia, cuando vuelven las lluvias luego de una larga sequía, los canguros responden de inmediato de manera peculiar: en estudios efectuados dos semanas después de unos buenos chubascos, 65 % de las hembras examinadas estaban en celo. Dado que se necesitan diez días para que los folículos ováricos maduren, los investigadores concluyeron que estaban ante una respuesta a la lluvia, no al crecimiento de comida que vendría después.

Tyndale-Biscoe especulaba que quizá el petricor estimula el estro en los canguros, aunque reconocía que esto no se ha investigado. A mí no me sorprendería que el petricor tenga ese efecto, puesto que presagia una época de abundancia de alimento, favorable para el desarrollo de las crías. Hace ya algunos años, en un libro de acuacultura que por desgracia he perdido, leí que los aceites ligados al petricor, liberados en el agua después de un chubasco, probablemente tienen un efecto semejante en ciertos peces, y me inclino a creer que sea por las mismas razones.

El amigo más viejo del hombre

Perro de bronce. Arte romano de la región del Cáucaso o el Mar Negro. Siglo I-III dC. Cortesía del Museo de Arte del Condado de Los Ángeles.

Todos los expertos están de acuerdo en que el primer animal domesticado fue el perro. Los restos más antiguos confirmados de un perro doméstico se encontraron en una tumba de hace unos 14,000 años, en Alemania. Eso quiere decir que la domesticación de los animales de los que salió el perro moderno —casi seguramente ciertos tipos de lobos grises— empezó bastante antes de que el hombre emprendiera en serio la agricultura, hace alrededor de 10,000 años.

Un grupo de investigadores de varias naciones publicó en 2011 un estudio sobre un cánido más semejante a un perro que a un lobo, cuyos craneo y mandíbula fueron desenterrados en una cueva de los Montes Altai, en Siberia. Los restos son de hace unos 33,000 años, es decir, anteriores al último máximo glacial, cuando los hielos cubrieron todo el norte de lo que hoy es Europa, así como el territorio de la actual Canadá y parte de los EUA. A su juicio, el craneo y la mandíbula satisfacen los criterios métricos de los perros del Neolítico y los posteriores, aunque sus dientes carniceros no son significativamente más pequeños que los de los lobos, ni las hileras de dientes están ordenadas como las de los perros neolíticos.

Concluyeron, entonces, que el espécimen representaba quizá un perro en una etapa muy temprana de domesticación —un perro “incipiente”— y no un lobo aberrante. Pero, dado que los restos del cánido son de antes del último máximo glacial, y los perros decididamente domesticados son de miles de años después, concluyeron también que el linaje representado por el perro incipiente de la cueva de Altai no sobrevivió ese tremendo fenómeno climático.

Escultura funeraria de un perro, elaborada en terracota. Proveniente de China. Dinastía Han oriental. Cortesía del Museo de Arte del Condado de Los Ángeles.

Después de cierto debate sobre si no se trataría más bien de un lobo con características morfológicas singulares, vino hace unos días un segundo reporte de otro grupo internacional de investigadores que aisló ADN del cánido de Altai y analizó 413 nucleótidos de la región de control mitocondrial. Su análisis —informan— revela que el haplotipo peculiar del perro de Altai es más próximo a los perros modernos y a los cánidos prehistóricos de América que al de los lobos de esa época. (Un haplotipo es un conjunto de variaciones del ADN, o polimorfismos, que tienden a heredarse juntos.)

Los autores subrayan, empero, que no hay que saltar a conclusiones y que falta mucho por averiguar.

Cuandoquiera que se haya iniciado la domesticación del perro, un factor muy importante parece haber sido la comida. En enero de este año se publicó en la revista Nature un artículo de otro grupo de investigadores que realizaron secuenciaciones genómicas completas de 60 perros (de 14 razas distintas) y 12 lobos de varias partes del mundo para hallar las variantes genéticas que probablemente representan aspectos del genotipo del perro afectados por la domesticación.

Cachorrito. Foto de Thomas Hawk (vía Flickr Creative Commons).

Encontraron que un paso decisivo en la domesticación de los perros fue la adaptación de sus ancestros a una dieta rica en carbohidratos, en contraste con la dieta carnívora de los lobos. Los perros tienen más copias que los lobos del gen AMY2B, que codifica las amilasas que hidrolizan los enlaces α(1-4)-glucósidos de oligosacáridos y polisacáridos,  primer paso de su digestión. Lo cual hace pensar que los cambios que les permiten a los perros incluir una buena proporción de carbohidratos en su dieta —mientras que los lobos sólo comen carne— quizá se iniciaron con el surgimiento de la agricultura y representan uno de los últimos pasos en un milenario proceso de domesticación.

Referencias

Ovodov ND, Crockford SJ, Kuzmin YV, Higham TFG, Hodgins GWL, et al. (2011) A 33,000-Year-Old Incipient Dog from the Altai Mountains of Siberia: Evidence of the Earliest Domestication Disrupted by the Last Glacial Maximum. PLoS ONE 6(7): e22821. doi:10.1371/journal.pone.0022821

Druzhkova AS, Thalmann O, Trifonov VA, Leonard JA, Vorobieva NV, et al. (2013) Ancient DNA Analysis Affirms the Canid from Altai as a Primitive Dog. PLoS ONE 8(3): e57754. doi:10.1371/journal.pone.0057754

Axelsson E, Ratnakumar A,  Arendt M-L, Maqbool K, Webster MT, Perloski M, et al. (2013) The genomic signature of dog domestication reveals adaptation to a starch-rich diet. Nature (publicado en línea el 23 de enero de 2013) . doi:10.1038/nature11837

El twitter de las bacterias

El calamar Euprymna scolopes aprovecha la bioluminiscencia de la bacteria Vibrio fischeri para camuflarse. El estudio de esa relación simbiótica llevó al descubrimiento de que las bacterias se comunican y coordinan sus acciones usando un lenguaje químico. Foto de Hans Hillewaert (vía PLoS).

Hace ya unas cuatro décadas que John Hastings y sus colegas describieron por primera vez el fenómeno que los biólogos llaman hoy en día percepción de quórum —en inglés, quorum sensing—. Ocurre que, por medio de señales bioquímicas, las bacterias pueden percibir su propia densidad de población. Si se reúne la densidad suficiente de células microbianas —si hay quórum— las bacterias se dan cuenta, ciertos genes se ponen en acción y las bacterias realizan en sincronización perfecta funciones a veces tan complejas que la comunidad microbiana semeja un organismo pluricelular.

Gracias a la percepción de quórum, una población bacteriana puede, por ejemplo, organizarse en una biopelícula: la colonia produce una especie de baba pegajosa —de hecho, una compleja matriz polimérica— con la que se adhiere al casco de un barco, a la dentadura de una persona, a los tejidos de un pulmón o a la superficie de ciertos aparatos médicos, para a continuación construir una estructura en la que se resguardan las bacterias. También mediante la percepción de quórum, un buen número de patógenos coordinan invasiones de tejidos y se ponen de acuerdo para liberar toxinas al unísono y activar factores de virulencia. Ciertas especies, cuando escasea el alimento, se valen de la percepción de quórum para construir cuerpos fructíferos y producir esporas a fin de que la colonia sobreviva.

La bacteria y el calamar

Hastings y colaboradores descubrieron la percepción de quórum en la bacteria bioluminiscente marina Vibrio fischeri. En el agua de mar, donde su densidad normal no es muy alta (unas 10² células por mililitro), la bacteria lleva una vida más bien oscura; pero es capaz de formar poblaciones muy densas (unas 10¹¹ células por ml) en los órganos luminosos de calamares como Euprymna scolopes, donde se encarga de generar la luz .

Al calamar le conviene. Por las noches, cuando los calamares adultos se congregan en gran número cerca de la superficie de las aguas someras para cazar y aparearse, su silueta pasa desapercibida para los predadores que nadan más abajo, pues los puntos de luz de sus órganos luminosos la confunden con el cielo estrellado. De hecho, el calamar es capaz de detectar la luz de la luna que brilla sobre el agua y compensarla regulando la cantidad de luz que emiten sus farolitos, con lo que evita proyectar una sombra visible para sus enemigos.

Así que el calamar les ofrece un festín de nutrientes a sus simbiontes microbianos para que le presten sus servicios de iluminación nocturna; por la mañana, terminada la parranda, expulsa a la mayoría al agua, para que coman en otra parte. El calamar, por su parte, se va a descansar enterrado en la arena. Si lo necesita, volverá a llenar de bacterias sus órganos luminosos, pero posiblemente le baste con la multiplicación de las que quedaron en éstos.

Para generar luz, Vibrio fischeri utiliza una enzima del variado grupo de las luciferasas. La luciferasa de V. fischeri es un heterodímero, es decir, una proteína formada por dos subunidades diferentes, a las que se denomina α y β. En  la reacción de luminiscencia, la luciferasa convierte un aldehído alifático (R-CHO), oxígeno y la forma reducida del cofactor flavín mononucleótido (FMNH₂) en el correspondiente ácido alifático, agua y FMN, con la producción concomitante de luz.

Se han hallado en el genoma de Vibrio fischeri ocho genes encargados de codificar las proteínas necesarias para que la bacteria pueda realizar la reacción de luminiscencia. Estos genes se organizan en dos operones. (Un operón es un conjunto de genes bacterianos que contribuyen a una misma función, ubicados muy cerca unos de otros y cuya expresión se gobierna de manera coordinada.) Uno de los operones tiene siete genes, todos ellos llamados lux pero distinguidos por letras que se agregan a este nombre: luxA, luxB, luxC, etc. Cuando nos referimos a este operón, lo llamamos luxICDABEG, para indicar el orden que guardan los siete genes en él. Los genes luxA y lux B codifican las subunidades α y β de la luciferasa; luxI codifica una proteína de 193 aminoácidos que cataliza la síntesis de la acil homoserina lactona (AHL). Los genes luxC, luxD y luxE codifican las enzimas que toman parte en la formación del aldehído de cadena larga. Por lo que toca a luxG, parece que ayuda a mejorar la capacidad de la bacteria de sintetizar flavín nucleótido. El otro operón, formado por un solo gen, luxR, codifica la proteína LuxR, que se acopla a la AHL y activa la expresión del operón luxICDABEG.

La señal bioquímica que inicia el proceso es un compuesto orgánico que la propia bacteria secreta en su entorno y que se difunde bastante libremente a través de la membrana bacteriana. A los compuestos que cumplen esta función en la percepción de quórum se los denomina autoinductores y, de hecho, antes de que lo llamaran percepción de quórum, el fenómeno se conocía con el nombre que le dio Hastings: autoinducción. El autoinductor de V. fischeri resultó ser una acil homoserina lactona. Luego se vino a descubrir que la generalidad de las bacterias Gram negativas emplea una o varias acil homoserina lactonas —hay toda una variedad de ellas— como autoinductores, en tanto que las bacterias Gram positivas emplean, por lo general, oligopéptidos modificados. También se han descubierto sistemas de señales mixtos.

La acción del autoinductor está sujeta a la densidad de la población bacteriana. En el agua de mar, la lactona que secretan las bacterias no se acumula; pero en el órgano luminoso del calamar, conforme la bacteria prolifera, la concentración del autoinductor va en aumento, hasta que abunda tanto que su influjo de vuelta a las células microbianas contrapesa la velocidad de secreción, con lo que se desencadenan los procesos bioquímicos que desembocan en la reacción de oxidación. Y se hace la luz.

El encendido es simultáneo. Como lo expresó en una charla TED sobre el tema una de las personas que más ha contribuido a esclarecer el fenómeno de la percepción de quórum, Bonnie L. Bassler, investigadora de la Universidad de Princeton: las bacterias “emiten sus votos químicos, los votos se cuentan y todo el mundo responde a la votación”.

Bonnie L. Bassler. Una de las cosas que ha descubierto es que, además de poseer un sistema de comunicación bioquímica propio de cada especie, las bacterias comparten un sistema de comunicación más general, lo que quiere decir que diferentes especies y hasta diferentes géneros de bacterias se pueden comunicar con un lenguaje químico universal, el “esperanto bacteriano”, como ella lo llama. Foto: Princeton Weekly Bulletin.

Cuando el enemigo se atrinchera

Una de las operaciones coordinadas que realizan cotidianamente las bacterias es la construcción de biopelículas. En éstas, los microorganismos se mantienen unidos mediante una matriz extracelular compuesta de exopolisacáridos, proteínas y, a veces, ácidos nucleicos. La biopelícula es como una fortificación militar que resguarda a las bacterias de una amplia variedad de amenazas: predadores, antibióticos, componentes del sistema de inmunidad del organismo infectado, cambios del pH, calor, etc. Muy a menudo, la biopelícula tiene canales para proporcionarle agua y nutrientes a los miembros de la colonia. En las profundidades de la biopelícula, parte de las bacterias pueden entrar en estado de latencia y volverse prácticamente inmunes a los antibióticos que sólo afectan a microbios en crecimiento activo.

En enero de este año, un grupo de investigadores médicos de las fuerzas armadas de los EUA publicó en BMC Infectious Diseases un estudio de 205 muestras microbiológicas clínicas tomadas de variadas regiones anatómicas de pacientes admitidos para tratamiento en el Centro Médico Militar Brooke entre 2004 y 2011. La intención del estudio fue averiguar la capacidad de las poblaciones microbianas para formar biopelículas in vitro. En el caso de pacientes con infecciones recurrentes, se evaluaron cepas seriales.

De las 205 muestras microbiológicas, 126 cepas (61.4 %) mostraron una capacidad de formar biopelículas in vitro igual o mayor que la de la cepa de Staphylococcus epidermidis que los investigadores usaron como referencia por ser una notable constructora de biopelículas. No me sorprende que Pseudomonas aeruginosa y Staphylococcus aureus hayan resultado las bacterias con el mayor número de cepas hábiles para la tarea, dada su fama de patógenos oportunistas y difíciles de erradicar. P. aeruginosa es notoria por sus devastadores efectos en pacientes de fibrosis quística.

A juicio de los investigadores, sus resultados confirman, entre otras cosas, que los patógenos con resistencia múltiple a medicamentos son las que más frecuentemente forman biopelículas y que las cepas obtenidas de pacientes con infecciones persistentes son en todos los casos constructoras de biopelículas.

Formación de una biopelícula de Escherichia coli en una manzana inoculada. Las manzanas fueron inoculadas y dejadas secar a 4°C por 72 horas antes de tomar la imagen. Fuente: Journal of Food Science, volumen 74, número 1, 2009.

Desde hace un tiempo se sabe que la percepción de quórum es esencial para el desarrollo de la infección pulmonar de P. aeruginosa, porque gobierna la adhesión, la formación de la biopelícula y la expresión del factor de virulencia. Tal vez la esperanza de las víctimas de este cruel patógeno sean las investigaciones sobre la percepción de quórum, que pueden mostrarnos una manera novedosa y eficaz de desorganizarles la fiesta a las bacterias nocivas, sobre todo a las que han aprendido a sobrevivir nuestros ataques con antibióticos.

¿Por qué quórum?

Como lo mencioné arriba, cuando Hastings y sus colegas hicieron las primeras observaciones del fenómeno, lo llamaron sencillamente autoinducción. ¿De dónde salió la idea de llamarlo percepción de quórum?

En un artículo publicado en 2001 en la revista Panacea, Mercè Piqueras explica que la expresión inglesa quorum sensing apareció por primera vez en una minirrevisión que W. Clairbone Fuqua, Stephen C. Winans y E. Peter Greenberg publicaron en 1994 en el Journal  of  Bacteriology. Según Greenberg, la expresión fue idea de una persona ajena al mundo de la microbiología, un abogado cuñado de Winans. En una reunión navideña, éste le expuso a su cuñado el tipo de investigación en que trabajaba. El cuñado le comentó que quorum sensing, a su juicio, expresaba mejor la idea de que las bacterias se dan cuenta de que han reunido el número suficiente para hacer algo. Y así quedó.

Referencias

A todos los lectores interesados les recomiendo ver el video de la charla TED que dio Bonnie Bassler en 2009. Está en inglés pero con traducción al español en subtítulos. Por si no lo vieron allá arriba, aquí está de nuevo el ENLACE.

Para la elaboración de esta nota he aprovechado las siguientes fuentes:

Bassler, Bonnie L., y Christopher M. Waters. «Quorum Sensing: Cell-to-Cell Communication in Bacteria.» Annual Review of Cell and Developmental Biology, 2005: 319-346.

Bassler, Bonnie L., y Richard Losick. «Bacterially Speaking.» Cell, nº 125 (2006): 237-246.

Nealson, K.H., y John W. Hastings. «Bacterial Bioluminescence: Its Control and Ecological Significance.» Microbiological Reviews 43, nº 4 (1979): 496-518.

Sánchez, Carlos J., y otros. «Biofilm formation by clinical isolates and the implications in chronic infections.» BMC Infectious Diseases 13, nº 47 (2013).

Schauder, Stephan, y Bonnie L. Bassler. «The languages of bacteria.» Genes and Development, nº 15 (2001): 1468-1480.

Schuster, Martin, C. Phoebe Lostroh, Tomoo Ogi, y E. P. Greenberg. «Identification, Timing, and Signal Specificity of Pseudomonas aeruginosa Quorum-Controlled Genes: a Transcriptome Analysis.» Journal of Bacteriology 185, nº 7 (2003): 2066–2079.

Tehrani, Golnaz Asaadi, y otros. «Molecular cloning and expression of the luciferase coding genes of Vibrio fischeri.» African Journal of Biotechnology 10, nº 20 (2011): 4018-4023.

Wingreen, Ned S., y Simon A. Levin. «Cooperation among Microorganisms.» PLoS Biology 4, nº 9 (septiembre 2006): 1486-1488.

Los nutrimentos

Brueghel, Boda campesina.

Un repaso rápido, antes de las fiestas.

La alimentación es el proceso mediante el cual tomamos del mundo exterior una variedad de sustancias contenidas en los alimentos las cuales son necesarias para la nutrición de nuestro organismo.

La nutrición es el conjunto de procesos por medio de los cuales el organismo transforma e incorpora las sustancias contenidas en los alimentos y que han de cubrir las necesidades estructurales y energéticas del propio organismo. Para decirlo de una manera muy, muy sencilla: la alimentación va del plato a la boca; de ahí en adelante empieza la nutrición.

Los nutrimentos (con frecuencia denominados nutrientes) son los elementos y compuestos químicos necesarios para el metabolismo de un ser vivo y que se obtienen del mundo circundante mediante la alimentación. Los organismos carentes de capacidad fotosintética (o quimiosintética) necesitamos adquirir del mundo exterior una gran variedad de nutrimentos. Los nutrimentos están contenidos en los alimentos, y el valor nutritivo de  éstos depende de los nutrimentos que aporten.

Desde el punto de vista químico, hay seis tipos de nutrientes, que enumero a continuación.

Carbohidratos

Mientras lees este artículo, dentro de tus neuronas miles de millones de moléculas de glucosa se rompen para proveer la energía que le permite trabajar a tu cerebro. La glucosa aporta casi toda la energía que el cerebro humano usa cotidianamente.

La glucosa es un carbohidrato. Entre los carbohidratos —o hidratos de carbono— figuran los monosacáridos, que son los azúcares más sencillos (como la glucosa); los disacáridos, azúcares compuestos de parejas de monosacáridos; y los polisacáridos, moléculas grandes compuestas de cadenas de monosacáridos. Hay tres monosacáridos importantes desde el punto de vista nutricional, todos los cuales contienen en su molécula el mismo número de átomos, de los mismos elementos, pero organizados de manera diferente. Estos tres monosacáridos son la glucosa, la fructosa y la galactosa, todos con la fórmula química C₆H₁₂O₆.

Dos monosacáridos pueden juntarse por una reacción de condensación para formar un disacárido, por ejemplo, la lactosa (el azúcar de la leche), formada de galactosa y glucosa. Pero cuando se unen muchas unidades de glucosa, a veces también con unidades de otros monosacáridos, se forman los polisacáridos, de los cuales tienen importancia en nutrición los polisacáridos digeribles (glucógeno y almidón) y la fibra dietética (celulosa, hemicelulosa, pectinas, gomas, etc.).

Entre los alimentos que contienen cantidades significativas de hidratos de carbono figuran los cereales, las raíces y tubérculos, las frutas dulces, la miel y las legumbres. La fibra dietética, en particular, se obtiene de los cereales integrales, las raíces y muchas verduras.

Lípidos

Al igual que los carbohidratos, los lípidos se componen de carbono, hidrógeno y oxígeno; pero hay una diferencia muy importante desde el punto de vista nutricional: como los lípidos tienen mucho más átomos de carbono y de hidrógeno en relación a los de oxígeno, son capaces de aportar más energía por gramo que los carbohidratos.

Aceite de oliva. Foto de Sikachu!

En la amplia y complicada familia de los lípidos figuran los triglicéridos (grasas y aceites), los fosfolípidos y los esteroles. De todos los lípidos, los más abundantes tanto en los alimentos como en el organismo son los triglicéridos. Los triglicéridos son lípidos compuestos de tres ácidos grasos ligados a un glicerol, que es un alcohol que le sirve de columna vertebral. La mayoría de los triglicéridos contienen más de un tipo de ácido graso.

Los fosfolípidos son semejantes químicamente a los triglicéridos, pero tienen un grupo fosfato y colina (o algún otro compuesto nitrogenado) en lugar de uno de los ácidos grasos. Uno de los fosfolípidos más conocidos es la lecitina, que tanto la naturaleza como la industria usan como emulsificador, pues los fosfolípidos tienen la peculiaridad de ser solubles lo mismo en agua que en grasa.

Finalmente están los esteroles, compuestos con una estructura de varios anillos. Entre ellos figuran el colesterol, los ácidos biliares, las hormonas sexuales y la vitamina D.

Los oficios biológicos que desempeñan los lípidos abarcan el almacenamiento de energía, el acarreo de electrones, funciones estructurales como componentes de las membranas celulares, absorción de luz y tareas de señalización y mensajería celular.

Entre los alimentos que aportan cantidades significativas de lípidos figuran la generalidad de los aceites vegetales, el cacahuate, el aguacate y los pescados grasos. Es muy recomendable eludir el consumo de alimentos con alto contenido de grasas saturadas y ácidos grasos trans.

Proteínas

Las proteínas se forman por largas cadenas de L-α-aminoácidos unidos entre sí por enlaces peptídicos. El ensamblado de las proteínas a partir de los aminoácidos se lleva a cabo siguiendo la información codificada en los genes. Las proteínas son el constituyente principal de las células y se necesitan para el crecimiento, la reparación y la continua renovación de los tejidos corporales. En el organismo las proteínas tienen funciones de lo más variadas: unas son componentes estructurales, otras son catalizadores biológicos (enzimas), algunas son hormonas, etc.

La carne, la leche, los huevos, las legumbres son buenas fuentes de proteína. Foto: USDA.

La mayoría de los microorganismos y las plantas pueden sintetizar biológicamente todos los aminoácidos necesarios para construir proteínas. Los organismos que carecemos de esa capacidad tenemos que obtener del medio externo los aminoácidos que no podemos sintetizar y a los cuales llamamos esenciales. Por eso, si la proteína ingerida contiene todos los aminoácidos esenciales en las proporciones necesarias y, además, es de fácil digestión, resulta de alto valor biológico.

Para los seres humanos, las fuentes más importantes de proteínas son la leche, las carnes y vísceras de animales, los huevos y las legumbres.

Vitaminas

Las vitaminas son micronutrientes orgánicos, sin valor energético, necesarios para el hombre en cantidades pequeñas, pero que deben ser aportadas por la alimentación para mantener la salud. Las vitaminas son químicamente muy heterogéneas, pero es costumbre clasificarlas por su solubilidad; desde este punto de vista, se dividen en hidrosolubles y liposolubles. Las hidrosolubles son las del complejo B y la vitamina C. Las liposolubles son la A, la D, la E y la K.

Esqueleto humano. Los nutriólogos recomiendan una ingesta apropiada de calcio y una buena cantidad de ejercicio físico para construir huesos fuertes. Foto: Wikimedia Commons.

Minerales

Hay unos veinte minerales esenciales para el hombre. Por las cantidades en que se necesitan y su presencia en los tejidos corporales, se dividen en dos grandes grupos: macrominerales (como calcio, fósforo, magnesio, sodio, entre otros) y microminerales o elementos traza (como hierro, cinc, yodo, selenio, cromo, entre otros). Todos son igualmente necesarios para la vida.

Agua

El agua —el nutriente olvidado— es también esencial para la vida y la salud. El agua representa más de la mitad del peso del cuerpo y en su mayor parte se encuentra en los tejidos metabólicamente activos. El agua participa en más funciones en nuestro organismo que ninguna otra sustancia. Una de sus funciones es ayudar a eliminar los desechos, en la orina, el sudor y las heces. El agua debe considerarse un genuino nutriente para nuestro cuerpo.

Aparte de beberla como tal, podemos obtener agua de ciertos alimentos, como caldos y sopas. Muchas frutas y verduras tienen un elevado contenido de agua.

Dieta equilibrada

Para que la dieta sea correcta y equilibrada, tiene que contener energía y todos los nutrimentos en las cantidades suficientes y las proporciones adecuadas para cubrir las necesidades del organismo y ayudar a mantener la salud. El hombre necesita ingerir unos cincuenta nutrimentos diferentes. Todos ellos están amplia y heterogéneamente repartidos en los alimentos. Una dieta equilibrada se basa en la combinación de alimentos variados.

Pero, ojo, nada de lo que digo aquí debe interpretarse como consejo médico o dietético; las personas que necesiten ese tipo de consejo o deseen ponerse a régimen deben consultar a un profesional en la materia.

Lecturas recomendadas

Burgess, Ann, y Peter Glasauer. Guía de nutrición de la familia. Roma: FAO, 2006.

Grande Covián, Francisco. Alimentación y nutrición. Barcelona: Salvat, 1984.

Whitney, Ellie, y Sharon Rady Rolfes. Understanding Nutrition. Belmont: Wadsworth, Cengage Learning, 2011.

Esta imagen es parte de una presentación de diapositivas sobre el tema de los nutrimentos. Para descargarla, pícale EN ESTE ENLACE. Una vez abierta, usa el ratón y las flechas de tu teclado para navegarla.

In memoriam Lynn Margulis (1938-2011)

Lynn Margulis. Foto: Javier Pedreira (Wikimedia Commons).

Hace un año, el 22 de noviembre de 2011, murió Lynn Margulis. Confieso que no me percaté de su fallecimiento sino varias semanas después, pasados ya los revueltos días del fin de cursos y las fiestas decembrinas. Es una pérdida lamentable, porque Margulis fue uno de los grandes espíritus científicos del último siglo.

Sus contribuciones a la biología están presentes hoy día hasta en los libros de texto escolares; pero no fue fácil que llegaran ahí. Cuando Margulis propuso, a fines de la década de 1960, la revolucionaria idea de que el cloroplasto y la mitocondria —respectivamente, el organelo que le permite a las células vegetales realizar la fotosíntesis y el que le permite a las células animales oxidar moléculas orgánicas— son descendientes de meras bacterias que se incorporaron por simbiosis a otras células primitivas, el rechazo fue casi universal. Quince veces, una revista científica tras otra se negaron a publicar su artículo. Margulis persistió y al fin lo publicó, en 1967, en el Journal of Theoretical Biology (firmado Lynn Sagan, pues la autora estaba casada entonces con el astrónomo Carl Sagan). Margulis luego le dio forma a su hipótesis en un libro hoy famoso: Origin of the Eukariotic Cells (1970). En los años siguientes, montones de estudios vinieron a confirmar la idea. Que las células animales y vegetales se originaron por simbiosis ya no es materia de controversia, constataría al fin la propia Margulis unos treinta años después.

En Acquiring Genomes, Margulis y Sagan citan un llamativo ejemplo de adquisición de recursos genéticos de un organismo por otro: las babosas marinas Elysia chlorotica, animales que adquieren la capacidad de fotosíntesis de las algas Vaucheria litorea que ingieren. Los plastidios de las algas son secuestrados en el epitelio digestivo del molusco, donde siguen fotosintetizando. Pero los cloroplastos sólo contienen ADN para codificar cerca del 10% de las proteínas necesarias para seguir funcionando. En 2008, Mary E. Rumpho y colaboradores resolvieron el misterio cuando probaron que un gen de fotosíntesis oxigénica, psbO, se expresa en el molusco y que su fuente es Vaucheria litorea, pues su secuencia es idéntica en los genomas respectivos del animal y el alga. Más aún, la babosa conserva el gen en sus células sexuales y lo pasa a su descendencia. Foto: PNAS.

Naturalmente, el descubrimiento incidiría en nuestra comprensión de la evolución de las especies biológicas. Ya en 1910, Constantin Mereschkowsky había propuesto un concepto de la evolución biológica que se conoció como teoría simbiogenética. El mecanismo primario de la evolución sería la simbiosis. Margulis se apoyó en esta idea, en sus propios descubrimientos y en los de otros investigadores para producir una renovada teoría de la evolución biológica, que expuso en libros como What is Life (1995), Symbiotic Planet (1998) y Acquiring Genomes (2002), el primero y el último escritos con su hijo Dorion Sagan. Argumenta en ellos —cito sus propias palabras, tomadas de Acquiring Genomes— que “la fuente principal de variación hereditaria no es la mutación aleatoria, sino que la variación importante trasmitida, que conduce a la novedad evolutiva, procede de la adquisición de genomas”.

“Aun cuando las mutaciones aleatorias hayan influido el curso de la evolución, su influencia fue ante todo por medio de pérdida, alteración y refinamiento. Una mutación otorga resistencia a la malaria pero también convierte eritrocitos sanos en los deficientes transportadores de oxígeno de la anemia de células falciformes. Otra mutación convierte a un espléndido recién nacido en un paciente de fibrosis quística o en una víctima de la diabetes juvenil. Una mutación hace que a la mosca de la fruta, ese volátil de ojos rojos, no le salgan las alas. Sin embargo, nunca una mutación ha hecho surgir una ala, un fruto, un tallo leñoso o una garra”, explica.

La evolución tiene una ruta principal muy diferente a la de las mutaciones aleatorias. “Conjuntos enteros de genes, e incluso organismos completos con su propio genoma, son asimilados e incorporados por otros”, sostiene Margulis. “El proceso conocido como simbiogénesis es el camino principal para la adquisición de genomas”.

Lean sus libros. Quizá quieran empezar por What is Life, el primero que yo leí y me fascinó. O empiecen por Symbiotic Planet, lleno de deliciosos detalles autobiográficos. Todos son buena ciencia, bien expuesta; y creo que a estas alturas todos están ya traducidos al español. Les darán mucho que pensar.

Galería de proteínas

Modelo tridimensional del aminoácido L-prolina. Imagen de Peter Murray-Rust. Wikimedia Commons.

En biología se subraya con frecuencia que forma y función son inseparables. La naturaleza ha diseñado un sinfín de configuraciones, a veces sumamente ingeniosas, para satisfacer todo género de necesidades funcionales de los organismos vivos.

La estructura de las proteínas lo ilustra de manera fascinante: cada proteína ha sido dotada de una configuración específica para que desempeñe una determinada función. Combinando tan sólo veinte α-aminoácidos —con la adición muy ocasional de otros dos, descubiertos en años recientes—, la química de la vida produce miles y miles de proteínas, que vienen en todos los tamaños y formas a cumplir los oficios más variados.

Fue el químico sueco Berzelius (1779-1848) quien bautizó a las proteínas; derivó el nombre del término griego proteios, que quiere decir “primario”. Se dice también que la palabra está relacionada con el nombre del dios Proteo, capaz de cambiar de forma a voluntad. Si Berzelius consideró esto último no lo sé, pero algo hay de proteico en las proteínas. Unas le dan rigidez estructural a las células mientras que otras gobiernan el flujo de materiales a través de las membranas o regulan la concentración de metabolitos. Las hay que transportan sustancias. Un grupo muy importante de proteínas, las enzimas, catalizan una variedad extraordinaria de reacciones químicas. Otras más intervienen en la transcripción y el funcionamiento de los genes. Y para efectuar todas estas tareas con precisión y eficiencia, las proteínas dependen de su arquitectura tridimensional, su forma.

Linus Pauling, sin duda uno de los químicos más importantes de la historia. En 1951, junto con Robert Corey y Herman Branson, propuso correctamente que la hélice α y la lámina β serían las formas principales de la estructura secundaria de las proteínas. Fotografía de Michael Collopy.

Hace ya casi seis décadas de que el químico estadounidense Linus Pauling (1901-1994) ganara el premio Nobel de química por sus investigaciones sobre la naturaleza del enlace químico y su aplicación a “la elucidación de la estructura de las sustancias complejas”, en palabras del Comité Nobel. De dichas investigaciones brotó el conocimiento de los principios que gobiernan la estructura secundaria de las proteínas más allá de la cadena polipeptídica. De entonces a nuestros días, al mismo tiempo que se ha descubierto una legión de proteínas, se han determinado con precisión los cuatro grandes niveles de complejidad estructural de estas biomoléculas.

Para nuestros días se ha acumulado ya tanta información al respecto que puede resultar abrumadora para el estudiante que la aborda por primera vez. Quizá por eso, los alumnos preguntan en ocasiones si no habrá algún compendio que presente la jerarquía estructural de las proteínas en forma completa pero condensada. Los buenos textos de bioquímica son por lo general la mejor opción, aunque inevitablemente pasan por alto muchos detalles, dado que su propósito es cubrir un territorio muy amplio de información básica. Lo que muchos estudiantes buscan es una especie de gran cuadro sinóptico, no prolijo pero sí detallado, y que se concentre en el tema.

Esquema de la hélice α. La cadena polipeptídica se pliega en una espiral que se sostiene gracias a los puentes de hidrógeno (puntos negros) entre el átomo de oxígeno del carbonilo de un aminoácido y el átomo de hidrógeno del grupo amino de otro aminoácido de la propia cadena. La superficie exterior de la hélice está cubierta por los grupos R, que se proyectan hacia afuera desde la hélice. Imagen tomada de Lodish, H.; Berk, A.; Zipursky, S.L., y otros. Molecular Cell Biology. 4a edición. Nueva York: W. H. Freeman. 2000.

Hace poco encontré un libro capaz de satisfacer esta necesidad. El químico y docente español David Arboledas Brihuega, que dedicara al asunto su tesis de grado, condensó en una monografía de algo más de 180 páginas prácticamente todo lo que el estudiante universitario necesita saber sobre la jerarquía de las estructuras proteínicas —desde sus constituyentes primarios, los α-L-aminoácidos, hasta la estructura cuaternaria de las proteínas—, con el agregado de un útil capítulo final en el que se repasan algunas de las técnicas de análisis y determinación estructural (espectroscopía, cristalografía, etc). El estilo es rápido y el lenguaje preciso. Las ilustraciones, sencillas y claras. Aun cuando a mí me hubiera gustado que se extendiera más en los aspectos funcionales de las varias estructuras proteínicas y que los ilustrara con más ejemplos, debo reconocer que el libro cumple bien su cometido en tanto tratamiento monográfico del tema: “proporcionar, de manera secuenciada, los principios básicos necesarios para el entendimiento de la organización estructural de las proteínas y su funcionalidad”, como propone el autor.

Titulado Jerarquía estructural de las proteínas, el libro de Arboledas Brihuega fue editado el año pasado por Editorial Club Universitario (ECU), de Alicante, España. Es la versión actualizada de una monografía más breve que el mismo autor publicó unos años antes en Bubok, editorial que vende libros descargables en PDF a un precio muy tolerable. La versión electrónica de la nueva monografía se puede comprar a través de Google Play (hay un enlace en la página de ECU) en los países que cubre ese servicio.

David Arboledas Brihuega es químico por la Universidad Complutense de Madrid, donde se especializó en bioquímica. Ha escrito varios libros, entre ellos una novela, y da clases de matemáticas, física, química y tecnología.

Agradezco al Markkula Center for Applied Ethics de la Universidad de Santa Clara su amable permiso para usar la fotografía de Linus Pauling.