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

La servicial saliva

Penne

Penne all’arrabiata, uno de mis platillos favoritos. Hay una buena receta en este enlace. Foto de Naotake Murayama (Flickr Creative Commons).

Hay dos platillos que, de sólo imaginarlos, se me hace agua la boca: camarones al mojo de ajo y penne all’arrabiata. A la gran mayoría de ustedes seguramente les pasa lo mismo: ver, oler o aun evocar ciertos alimentos les provoca una salivación profusa. Es lo que los fisiólogos llaman la etapa cefálica de la salivación.

Hay dos razones para llamarla así. La primera es que el alimento no tiene que estar en nuestra boca para que las glándulas salivales se pongan a producir en grande; basta con que el alimento esté, por así decirlo, en nuestra cabeza. La segunda razón es que, en este caso, el estímulo les llega a las glándulas salivales desde el sistema nervioso central, que por lo demás casi no interviene en el gobierno de la salivación y le deja la mayor parte de la tarea a las secciones simpática y parasimpática del sistema nervioso autónomo.

La digestión empieza en la boca

Cuando un alimento entra a nuestra boca, su presencia estimula los quimiorreceptores y presorreceptores de la pared bucal y de la lengua; en respuesta, la saliva fluye en forma continua. En esta etapa bucal hay cierta intervención del área cerebral del apetito, y sin duda los aromas y la presentación de la comida siguen actuando sobre nuestra mente, pero el proceso de la salivación, en lo principal, está ya en piloto automático. También se produce salivación como respuesta a estímulos provenientes del estómago o el duodeno, en particular cuando comemos cosas que nos irritan (por eso salivamos cuando estamos a punto de vomitar).

Óleo de Esteban Murillo.

Possemos entre 2,000 y 8,000 papilas gustativas, que se regeneran con regularidad, aunque los fumadores pierden muchas para siempre. Para realizar su función, las papilas gustativas dependen de condiciones a las que contribuye la saliva. Imagen: óleo de Esteban Murillo.

La saliva tiene importantes funciones en la digestión de los alimentos. Para empezar, ayuda a la masticación, el gusto y la deglución. El agua y otros componentes de la saliva crean el ambiente adecuado para que las papilas gustativas perciban los sabores. La saliva contiene asimismo mucinas, unas glucoproteínas de alto peso molecular que recubren los alimentos y ayudan a que se muevan fácilmente en la boca y se deslicen por la faringe. También inicia la digestión de los almidones, pues contiene grandes cantidades de la enzima amilasa, que los desdobla (aunque es equivocada la creencia de que la digestión de los almidones depende completamente de la saliva, pues el páncreas normal produce amilasa más que suficiente para este fin).

Hace poco tomé por medio de Coursera un curso de la Hong Kong University of Science and Technology sobre la ciencia de la gastronomía. Para demostrar el papel de la saliva en la percepción del sabor de los alimentos, el doctor King L. Chow nos encargó un experimento: pedirle a alguien que saque la lengua, secársela suavemente con una toalla de papel, ponerle luego en la parte seca una pizquita de sal, azúcar o chocolate en polvo y preguntarle si puede decirnos qué le pusimos en la lengua; a continuación, el sujeto retrae la lengua, que de inmediato se humedece de nuevo en la boca, y le volvemos a preguntar.  Algo más de 8,000 estudiantes reportamos resultados; 64 % de nuestros sujetos no pudieron identificar la sustancia aplicada en la lengua seca, mientras que 98 % la identificaron sin dificultad cuando retrajeron la lengua a la boca.

Otros servicios

Cabeza humana, por Patrick J. Lynch

La saliva es producida por las glándulas salivales. Los seres humanos tenemos tres pares de grandes glándulas salivales (parótidas, sublinguales y submaxilares). Además, tenemos pequeñas glándulas salivales por toda la mucosa y submucosa de la boca. Ilustración de Patrick J. Lynch (Wikimedia Commons).

Pero no siempre estamos comiendo, oliendo comida o imaginando platillos deliciosos; y de todas formas nuestras glándulas salivales casi todo el tiempo producen un pequeño flujo de saliva. Esta pequeña cantidad de saliva es de gran valor para la salud de los dientes y las membranas mucosas de nuestra boca. La saliva contiene proteínas, minerales y otras sustancias que la convierten en un formidable fluido protector.

Pasen la lengua por los dientes, las encías o el interior de las mejillas: se sienten suaves. Las mucinas de la saliva, además de ayudar a masticar y deglutir los alimentos, recubren todos los tejidos bucales y los protegen de sustancias irritantes y de algunos productos tóxicos de las bacterias que viven en la boca. Asimismo, el recubrimiento de mucinas evita que la cavidad bucal se nos seque cuando respiramos por la boca.

El flujo de la saliva y la actividad de los labios y la lengua quitan de los dientes y de los tejidos suaves de la boca no sólo buena parte de los residuos de comida, sino también un gran número de bacterias peligrosas. Además, la saliva contiene componentes que ayudan a mantener la boca químicamente neutra —es decir, a un pH de 7.0—, lo que prolonga la vida de los dientes, que se dañan si el medio se torna demasiado ácido o demasiado alcalino. La saliva contiene asimismo una proporción adecuada de sales que ayudan a conservar la estructura cristalina de los dientes. Y, por si fuera poco, la saliva contiene un grupo de proteínas como la lisozima y la peroxidasa, así como el anticuerpo inmunoglobulina A (IgA), que actúan directamente contra las bacterias orales, ya sea estorbando su multiplicación o matándolas.

¿Queremos felicitar al cocinero por ese delicioso platillo que nos hizo agua la boca? La saliva también nos ayuda en esto: gracias a sus funciones de lubricación y protección, mantiene nuestra boca en condiciones para hablar y cantar.

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

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.

Se las recomiendo

El número de octubre de ¿Cómo ves?, la revista de divulgación científica de la Universidad Nacional Autónoma de México, dedica su reportaje principal al tema del microbioma humano, es decir, la colosal muchedumbre de microorganismos que viven en nuestro cuerpo y que, de hecho, forman parte de él.

¿Cómo ves? Octubre 2012

Unos 100 billones de microorganismos  viven en y con cada uno de nosotros, y hasta toman parte en nuestro metabolismo. La revista de divulgación científica de la UNAM dedica al asunto su artículo principal de este mes.

El organismo humano da alojamiento a comunidades microbianas cuyos individuos superan el número de células humanas por lo menos en un orden de magnitud. Se sabe que estas comunidades microbianas intervienen de varias maneras en nuestra fisiología, mediante procesos relacionados con el desarrollo, la nutrición, la resistencia a patógenos, etc. Está en marcha un programa internacional, el Human Microbiome Project, para estudiar la naturaleza, características y actividades de esas comunidades microbianas. El artículo de ¿Cómo ves? los pondrá al día de mucho de lo que se viene descubriendo.

Otro artículo interesantísimo examina un peculiar adelanto de la robótica: los sentidos de los autómatas. Se trata de la capacidad de estas máquinas de recoger información del entorno semejante a la que recogen nuestros ojos, oídos, nariz, etc. De hecho, la robótica ha creado sensores que pueden percibir algunas cosas que escapan a nuestros sentidos. Léanlo; creo que les va a gustar. Tal vez les provoque, como a mí, algunas interrogantes. Incluye, por ejemplo, una discusión sobre nuestro sentido del tiempo, que me dejó pensando.

No he terminado con mi ejemplar; pero estos dos artículos me gustaron mucho y quería recomendárselos. Por cierto, si quieren visitar el sitio de ¿Cómo ves?, busquen el enlace que puse en la columna de la derecha (donde dice Lee más).→

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.

Del tianguis a la genómica

Banquete prehispánico. Códide Florentino.

Unos meses atrás, cuando reseñé Alimentos: del tianguis al supermercado, de Agustín López-Munguía Canales, él respondió con un amable comentario, en el que mencionó entre otras cosas su deseo de poner al día el libro, cuya primera edición apareció en 1995. “Si bien lo prehispánico no caduca, ya lo moderno requiere una actualización”, escribió. Sería estupendo, pensé.

Así que no desaproveché la primera oportunidad de preguntarle cuáles serían a su juicio los aspectos que mayormente necesitan actualizarse. Me recordó López-Munguía que en la introducción, antes de que el protagonista emprendiera su viaje al pasado con la ayuda de una torta de queso de puerco, se hablaba del proyecto del genoma humano, “que en aquel entonces era eso, un proyecto”, el cual intentaba determinar el arreglo de las bases en todos y cada uno de los cromosomas del ser humano. Como es bien sabido, el proyecto se coronó con un éxito más que espectacular.

En 2001, cuando Del tianguis al supermercado alcanzaba su tercera reimpresión, el International Human Genome Sequencing Consortium y la entidad privada Celera Genomics, con Craig Venter a la cabeza, hicieron públicos los dos primeros “borradores” de la secuencia del genoma humano, en sendos artículos que aparecieron casi al mismo tiempo en las revistas Nature y Science (píquenle a estos enlaces si desean ver los textos originales). A partir de ahí, la investigación genómica ha hecho progresos gigantescos. “Hoy se conoce el genoma hasta del mexicano”, bromeó López-Munguía; “se han secuenciado genomas de plantas (maíz, arroz, etc.), de animales y de varios cientos de bacterias. Lo que llevó años secuenciar, el genoma humano, hoy se puede hacer en una semana, gracias al perfeccionamiento de nuevos métodos y equipos”.

Craig Venter y Francis Collins, líderes de la secuenciación del genoma humano, en la portada de la revista Time.

El proyecto del genoma humano cambió para siempre la imagen que se tenía de cómo funciona nuestro aparato genético (y, por ende, el de todos los seres vivos). Por ejemplo, se descubrió que el genoma humano contiene menos genes de lo que se creía o se esperaba. Hay alrededor de 25,000 genes codificadores de proteínas, en contraste con los cálculos previos de 100,000, 200,000 o quizá más. Parece demasiado poco para la complejidad de nuestros organismos, pero también se descubrió que unos genes interactúan con otros y pueden producir más proteínas diferentes de lo que antes se pensaba.

En vez de la relación lineal “un gen, una proteína”, se descubrió que hay genes capaces de codificar toda una variedad de proteínas. Ahora bien, eso significa que 98.5% de nuestro ADN no codifica proteínas. Pero resulta que también se vino abajo la idea —muy común a fines del siglo pasado— de que el ADN no codificador es meramente basura del proceso evolutivo, prácticamente sin función biológica. Se comprobó, más bien, que mucho de ese ADN tiene funciones específicas en la regulación del funcionamiento de los genes. “Ya no parece haber motivo para seguir hablando de ADN basura”, subrayó no hace mucho el doctor Francis Collins, director de los Institutos Nacionales de Salud de los EUA, en declaraciones a National Geographic. Collins sabe de lo que habla, pues fue uno de los líderes del proyecto del genoma humano.

Estos dos ratones son genéticamente iguales. Ambos tienen un gen que se expresa en gordura, pelaje amarillo y varios males. La madre del ratón de la izquierda recibió una dieta normal mientras estaba preñada. En contraste, la madre del ratón de la derecha recibió una dieta adicionada con ácido fólico, vitamina B12, colina y betaína, con lo cual el gen fue silenciado. Este experimento, realizado por Randy Jirtle y Robert Waterland, y dado a conocer en 2003, ha pasado a ser uno de los clásicos de la epigenética. (Foto: Jirtle y Waterland.)

Asimismo, se ha venido a confirmar que no todo lo que somos biológicamente está escrito en nuestros genes y que, como lo habían subrayado varios autores desde la década de 1980, hay situciones en que la genética clásica no tiene una explicación plausible y se tiene que considerar la acción de factores ambientales sobre la expresión o no expresión de los genes. A esto se le ha llamado epigenética, término que hoy designa el estudio de todos los cambios heredables que no implican modificación en la secuencia del ADN. Un cambio epigenético altera el fenotipo sin cambiar el genotipo, como lo ilustra el célebre experimento de Randy Jirtle y Robert Waterland con ratones agutí (ver la foto). Los mecanismos epigenéticos se conocen apenas en parte; el que mejor se entiende es la metilación del ADN.

Una de las consecuencias del progreso de la genómica es el surgimiento de una nueva y prometedora disciplina científica, la genómica nutricional, que examina las interacciones entre los genes y los nutrientes (o nutrimentos, como es más correcto llamarlos, de acuerdo con varios expertos). La genómica nutricional tiene dos grandes vertientes: la nutrigenética y la nutrigenómica, que se refieren, dicho de manera muy esquemática, la primera, a cómo influyen los genes en la acción de los nutrientes, y la segunda, a cómo influyen los nutrientes en la acción de los genes. La nutrigenómica claramente se empalma con la epigenética, pues los nutrimentos y los variados fitoquímicos que ingerimos junto con ellos pueden interactuar directamente con las señales genéticas, o indirectamente, por medio de sustancias generadas en el metabolismo. El resultado son variaciones muy considerables en el estado de salud de las persona.

Ojalá López-Munguía realice pronto su intención de poner al día Del tianguis al supermercado. Mientras tanto ha escrito otros amenos e informativos trabajos, entre ellos El metro, los alimentos y la biotecnología, que toca algunos de estos temas y que también le ha encantado a mis alumnos. Si lo quieren conseguir —es gratis— ingresen al sitio del Instituto de Biotecnología de la UNAM (en este enlace); una vez ahí, busquen en la columna de la izquierda el enlace a los libros y documentos en línea. Hay varios, todos muy útiles.

Agradezco al doctor Randy Jirtle —actualmente investigador del Departamento de Oncología  de la Universidad de Wisconsin-Madison— su amable visto bueno para la utilización de la fotografía de los ratones.