Carnitina: las falsas promesas

Imagen de fisicoculturista. Anuncio de 1936.

Imagen de Velvet Tangerine (Flickr Creative Commons).

Tanto se ha promovido, que algunos atletas de veras creen que ingerir suplementos de carnitina los ayudará a quemar más grasa, ahorrar glucógeno y mejorar su rendimiento. Asimismo, hay personas que toman suplementos de carnitina con la esperanza de que les ayude a bajar de peso.

Pero, de acuerdo con los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de los EUA, veinte años de investigaciones no han arrojado evidencia firme de que los suplementos de carnitina puedan mejorar el desempeño físico de sujetos saludables, en dosis que van de 2 a 6 gramos por día, administradas por entre 1 y 28 días.

Qué es

Carnitina es el nombre genérico de varios compuestos, entre ellos la L-carnitina, la acetil-L-carnitina y la propionil-L-carnitina. (La L se refiere al isómero levógiro de la sustancia, que es el biológicamente activo en nuestro organismo.) La carnitina tiene un papel importantísimo en el metabolismo energético y desempeña funciones como la protección de la estructura de las membranas celulares. Pero se considera un nutrimento no esencial por la sencilla razón de que, en la aplastante mayoría de los casos, el organismo humano saludable fabrica todos los días carnitina suficiente para satisfacer sus necesidades.

Los niños y adultos en buen estado de salud —dicen los NIH— no necesitan ingerir carnitina, pues el hígado y los riñones la producen en las cantidades requeridas a partir de los aminoácidos lisina y metionina. Además de esta biosíntesis endógena, un buen número de alimentos, como la carne o los lácteos, aportan carnitina, la cual se absorbe casi por completo en el intestino delgado.

En el organismo, la carnitina facilita el paso de los ácidos grasos de cadena larga a través de la membrana de la mitocondria a fin de que puedan oxidarse para producir energía. Los fabricantes de suplementos insinúan que si hay más carnitina disponible, se oxidará más grasa y habrá más energía; pero los estudios demuestran que no es así.

Carne cocinada

La carne y otros alimentos de origen animal son fuentes de carnitina. Unos 225 gramos de bistec de res (cocinado) contienen entre 60 y 160 miligramos de carntina. Una taza de leche contiene 8 miligramos. Foto: powerplantop (Flickr Creative Commons).

Por ejemplo, un estudio publicado en enero de 2007 en el European Journal of Applied Physiology mostró que complementar el ejercicio aeróbico con la ingesta de L-carnitina no mejora el desempeño en el ejercicio. Otro estudio, publicado en febrero de 2008 en el International Journal of Sport Nutrition and Exercise Metabolism mostró que ingerir hasta 3 g por día de glicina propionil-L-carnitina por ocho semanas, al mismo tiempo que los sujetos realizaban entrenamiento aeróbico, fue ineficaz para aumentar el contenido de carnitina en los músculos y no tuvo efecto significativo alguno en el desempeño aeróbico o anaeróbico.

Como lo resumen los expertos Jack H. Wilmore y David L. Costill en su libro Fisiología del esfuerzo y del deporte (Editorial Paidotribo, 2007), aunque la carnitina es importante en el metabolismo de los ácidos grasos, la mayoría de los estudios demuestra que la suplementación ni aumenta el almacenamiento de carnitina en los músculos ni mejora la oxidación de los ácidos grasos ni ahorra glucógeno ni retrasa la manifestación de la fatiga durante el ejercicio.

Riesgos

Por otro lado, en su literatura para los profesionales de la salud, los NIH advierten que, en dosis de aproximadamente 3 g por día, los suplementos de carnitina pueden provocar nausea, vómito, cólicos, diarrea y un “olor a pescado”. En personas que padecen uremia puede provocar debilidad muscular; también puede desencadenar ataques en personas propensas. Aparte de eso, las personas que toman suplementos que supuestamente mejorarán su rendimiento atlético o les ayudarán a bajar de peso deben saber que algunos de esos productos están contaminados con sustancias ilegales —por ejemplo, esteroides— que no se mencionan en la etiqueta. Las consecuencias de ingerirlos pueden ser muy dañinas.

Hay ciertos padecimientos, sí, en que la L-carnitina se usa como medicamento. Por ejemplo, la Administración de Alimentos y Drogas (FDA) de los Estados Unidos ha aprobado su uso para tratar la deficiencia de carnitina en pacientes sometidos a diálisis. Hay ciertos desórdenes funcionales que algunas autoridades médicas consideran que quizá resulte apropiado tratar, al menos en parte, con carnitina.

Pero usar la carnitina para combatir una deficiencia específica es algo muy diferente de su presunta eficacia como suplemento dietético. Y en caso de enfermedad, no hay que olvidar los riesgos de automedicarse. Para empezar, el diagnóstico lo tiene que establecer un profesional de la salud y, segundo, todo tratamiento médico se tiene que realizar, precisamente, bajo la dirección de un médico.

Referencias

Lee, J.K.; Lee, J.S.; Park, H.; Cha, Y.S.; Yoon, C.S.; Kim, C.K. (2007). Effect of L-carnitine supplementation and aerobic training on FABPc content and beta-HAD activity in human skeletal muscle. Eur J Appl Physiol. 99(2):193-9.

Smith, W.A.; Fry, A.C.; Tschume, L.C.; Bloomer, R.J. (2008). Effect of glycine propionyl-L-carnitine on aerobic and anaerobic exercise performance. Int J Sport Nutr Exerc Metab. 18(1):19-36.

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El bajo costo (energético) de ser primate

Muchos mamíferos llevan una vida muy acelerada. Los conejos son un ejemplo típico: maduran sexualmente en más o menos seis meses y se reproducen unas cuatro veces al año. Tras una gestación de un mes, cada camada produce entre cinco y ocho gazapos que pronto empiezan a corretear por todas partes, con una esperanza de vida de siete a ocho años, cuando mucho.

mandril

Mandril. Foto de Steve Wilson (Flickr Creative Commons).

En contraste, la generalidad de los primates llevamos una vida mucho más pausada. Tardamos años en madurar sexualmente, la gestación de nuestros críos dura varios meses y pocas veces producimos más de uno o dos por embarazo. Nuestra esperanza de vida se mide en decenios, y el envejecimiento, por lo común, llega poco a poco. Como dicen en Italia, piano piano va lontano.

Pero eso no es todo. Ahora resulta que, desde el punto de vista del consumo diario de energía, los primates salimos alrededor de 50 % más baratos que otros mamíferos placentados de tamaño equivalente, es decir, gastamos solamente la mitad de las calorías por día. Así lo indica un estudio dado a conocer el pasado 13 de enero en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Los autores consideran que los resultados de su estudio dan sustento a la idea de que la longevidad de los humanos y otros primates, así como nuestro ritmo reproductivo más pausado y nuestro envejecimiento menos rápido, probablemente se expliquen por un metabolismo más lento.

A mitad de precio

El doctor Herman Pontzer, profesor de antropología del Hunters College de Nueva York, y un grupo de investigadores de varias universidades de los Estados Unidos y Europa examinaron 17 especies de primates en zoológicos, en santuarios y en condiciones naturales. Para nuestra especie incluyeron tanto a personas occidentales comunes y corrientes como a una comunidad de cazadores y recolectores, la comunidad africana Hadza. Por medio de una técnica que permite medir con gran precisión la producción diaria de dióxido de carbono, determinaron el número de kilocalorías quemadas por cada primate en un lapso de diez días.

“Los humanos, los chimpancés, los mandriles y otros primates gastamos solamente la mitad de las calorías que serían de esperarse para un mamífero de la misma talla”, explica Pontzer. “Para ponerlo en perspectiva: un ser humano, aun si lleva una vida físicamente muy activa, tendría que correr un maratón diario para acercarse al gasto promedio diario de energía de un mamífero de su tamaño”. Los chimpancés estudiados tendrían que añadir unos 48 kilómetros a sus recorridos diarios —más de diez veces lo que viaja en promedio un chimpancé silvestre por día— para gastar tantas calorías como otros mamíferos de talla equivalente.

Bleskina en Singapur

Sólo los atletas de alto rendimiento en períodos de entrenamiento o competición gastan tantas calorías por día como los mamíferos no primates de talla equivalente. En la foto, Ekaterina Bleskina, de Rusia, celebra su victoria en la carrera femenil de 100 metros con vallas en los Juegos Olímpicos Juveniles de 2010, celebrados en Singapur. Foto oficial obtenida vía Flickr Creative Commons.

¿Qué ocurre en el caso de los atletas de alto rendimiento? “En períodos de entrenamiento y competición intensos, el gasto diario de energía de un atleta es superior al de quien no lo es. Pero aun el extremo gasto energético diario de un atleta humano no es la gran cosa si lo comparamos con el de otros mamíferos”, me respondió Pontzer cuando se lo pregunté por correo electrónico. “Por ejemplo, los atletas de alto rendimiento en entrenamiento gastan entre 4,700 y 6,000 kilocalorías por día. Parece muchísimo, pero una gacela saltarina de 43 kg quema 5,800 kcal por día durante su vida cotidiana normal. Así que, aun en los casos más extremos, los humanos apenas nos acercamos a los niveles normales de gasto energético cotidiano de la generalidad de los mamíferos placentados”, subrayó.

Asimismo, la medición del gasto energético total diario entre poblaciones en cautiverio y las que viven en condiciones naturales no indica que las primeras gasten menos calorías, al menos en las muestras estudiadas. Esto sugiere que la actividad física tiene menos efecto en el consumo energético diario de lo que se creía antes. En vez de bajos niveles de actividad física, la magnitud de la diferencia entre el gasto energético diario de los primates y el de otros mamíferos placentados “sugiere una reducción sistémica en el metabolismo celular”, dice el estudio. La observación abarca a los dos grupos humanos que se estudiaron.

Tamaño económico

Por supuesto, aparte de los primates, hay otros mamíferos placentados de notable longevidad, como los elefantes. Le pregunté a Pontzer qué ocurre en ese caso. “Hay una relación bien conocida entre el gasto energético y el tamaño del cuerpo, la ley de Kleiber”, respondió el investigador. “El gasto energético diario aumenta con la masa 0.75. Dado que el exponente, 0.75, es menor que 1.0, esta relación nos dice que el gasto energético diario por gramo de tejido es menor en animales más grandes. Esta relación entre masa corporal y gasto de energía se ve tanto en primates como en mamíferos no primates, pero en el caso de los primates la relación se ha ido por debajo de la relación que se ve en la generalidad de los mamíferos”.

Elephant

Elefante africano. Foto de Valerie (ucumari) (Flickr Creative Commons).

“Un ritmo más lento de consumo de energía por gramo de masa corporal quiere decir también que cada célula del animal más grande quema menos energía que la célula del animal pequeño”, añadió Pontzer. “Esto es parte de las razones por las que los animales grandes viven más tiempo que los pequeños. De modo semejante, la extrema reducción del gasto energético que se observa entre los primates explica el drástico aumento de la duración de su vida”.

Tal indica el estudio que vengo comentando. “El ritmo al que los organismos crecen, se reproducen y envejecen debe reflejar a fin de cuentas su gasto energético fisiológico; el desarrollo de tejido nuevo (sea propio o de la progenie) y el mantenimiento y reparación del organismo, todo requiere de una inversión metabólica”, se lee en el artículo. “Los ritmos metabólicos marcadamente bajos de los primates explican sus ritmos característicamente lentos de crecimiento, reproducción y envejecimiento”.

Referencia:
Pontzer, H., et al. (2014). Primate energy expenditure and life history. Proceedings of the National Academy of Sciences. http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1316940111

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.

Lluvia sobre las hojas

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.

Escultura en Tlaquepaque

“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.

Kangaroos

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

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.

Chinese earthenware dog

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.

puppy

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 Eyprymna scolopes aprovecha la bioluminiscencia de la bacteria Vibrio fischeri para camuflarse. Foto de Hans Hillewaert (vía PLoS).

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.

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 propia de cada especie, las bacterias comparten un sistema de comunicación más general, lo que quiere de 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.

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.

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 fischeriAfrican 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.

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.

De ratones y genes

Randy Jirtle

El doctor Jirtle, con algunos de los ratones agutí del experimento.

En 2003, Randy Jirtle y Robert Waterland demostraron que, más allá de lo que establece el genoma, está lo que ordena el epigenoma, es decir, el conjunto de apagadores químicos que le dicen a los genes si actuar o quedarse quietos.

Específicamente, probaron que suplementar con colina, betaína, ácido fólico y vitamina B12 la dieta de ratonas agutí preñadas reduce la incidencia del pelaje amarillo entre sus crías. Cosa muy buena, porque los ratones agutí de pelaje amarillo son susceptibles a la obesidad, la diabetes y el cáncer.

En una presentación sobre genómica nutricional que hice recientemente para un grupo de mis alumnos, incluí los experimentos de Jirtle y Waterland. (Si quieren descargarla, aquí está el enlace: Nutrigenética y nutrigenómica.) Se despertó el interés y llovieron las preguntas. ¿Quién mejor para responderlas —me dije— que uno de los autores de la investigación?

Así que les pedí a los alumnos que escribieran sus preguntas y las subieran al wiki que tenemos para nuestro trabajo colaborativo. De ellas escogí, condensé y traduje cuatro; y luego, con la esperanza de que pudiera dedicarles un rato, se las remití al doctor Jirtle, quien ya gentilmente me había permitido el uso de una de sus fotografías en una nota anterior de esta misma bitácora. Resultado: Jirtle con toda amabilidad respondió a cada una de las preguntas, lo cual mis alumnos y yo le agradecemos sinceramente.

Reproduzco aquí nuestro diálogo electrónico, segura de que le será útil a otros interesados en el tema.

Ratones

Ratones agutí de varios pelajes. Los de pelaje amarillo son susceptibles a la obesidad, la diabetes y el cáncer. Waterland y Jirtle redujeron la incidencia de este fenotipo adicionando la dieta de las madres preñadas con donantes de grupos metilo.

Pregunta: Entiendo que factores ambientales presentes durante la concepción o la preñez pueden activar o silenciar la expresión de un gene en las crías. Pero ¿puede ese efecto dar marcha atrás más tarde, después del nacimiento de las crías, o es permanente? Por ejemplo, ¿los ratones saludables tienen que mantener la misma dieta que sus madres para permanecer saludables?

Jirtle: Los ratones pardos y esbeltos no tienen que mantener una dieta altamente adicionada con donantes de grupos metilo (digamos, colina, ácido fólico, vitamina B12 y betaína) para mantenerse saludables de adultos. Lo que no se sabe, sin embargo, es si el mayor riesgo que tienen las crías amarillas de sufrir diabetes, obesidad y cáncer pudiera reducirse alterando su dieta después del nacimiento. Son estudios que falta hacer.

Pregunta: ¿Cómo fue que escogieron una dieta rica en donantes de grupos metilo para las hembras preñadas?

Jirtle: Se sabía que el promotor alternativo para controlar el gen agouti en la partícula intracisternal tipo A (IAP), secuencia arriba, del ratón agutí, se inactiva por metilación de ADN. Puesto que los grupos metilo necesarios para metilar los residuos de citosina en el ADN vienen de nuestros alimentos, postulamos que podríamos aumentar la probabilidad de inactivar la IAP y aumentar el porcentaje de ratones pardos adicionando la dieta de la madre con compuestos donantes de grupos metilo. Eso es lo que observamos y reportamos en nuestro estudio de 2003 (Waterland y Jirtle 2003, Mol Cell Biol 23:5293-5300). La era de la epigenómica ambiental empezó con la publicación de este artículo.

Pregunta: ¿Es posible impedir que las enfermedades genéticas hereditarias se expresen aun cuando la presencia de un gen arroje un 100% de probabilidad de sufrir la enfermedad?

Jirtle: Las alteraciones epigenéticas nunca podrán bloquear por completo la formación de una enfermedad inducida por una mutación genética, pero pueden reducir su incidencia. Eso es lo que demostramos con nuestro estudio de 2003 sobre los ratones agutí.

Pregunta: ¿Será posible poner en práctica alguna terapia epigenética para personas que sufren de sobrepeso y obesidad, para que las próximas generaciones no presenten o expresen estas enfermedades?

Jirtle: Quizá sea posible en el futuro, pero necesitamos definir qué genes involucrados en la obesidad humana son epigenéticamente lábiles, para optimizar tanto la prevención como el tratamiento de la enfermedad. Esto no va a ser fácil, pero con la nueva máquina de secuenciación de alto rendimiento ya se puede intentar.

Diapositiva agutí

Esta ilustración, parte de la presentación que menciono arriba, está disponible como diapositiva de Power Point. Para bajarla, píquenle AQUÍ.