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sábado, 28 de febrero de 2015

Un MOOC sobre Microbiología Industrial



Bueno, pues a la galaxia de los MOOC (Massive Online Open Courses) se une un curso dedicado a la Microbiología Industrial que ha sido realizado por un servidor.

El curso comienza mañana, aunque uno se puede matricular hasta finales de abril. Durará poco más de dos meses y está compuesto de una serie de vídeos complementados con unos test para fijar los conocimientos. Al final hay un examen final (también es un test). El curso está disponible en la plataforma edx.umh donde se pueden encontrar muchos más cursos on-line en diferentes disciplinas


Y si te interesa la Microbiología, recuerda que Ignacio López-Goñi (@microBIOblog) también ha organizado un par de MOOCs sobre el tema. Dentro de poco volverá con el apasionante mundo de los virus y las pandemias. ¡Animaros!

viernes, 16 de enero de 2015

Teixobactina: lo importante no es el pez, sino la red con la que se ha pescado.

Estructura de la teixobactina, un nuevo tipo de antibiótico. Fuente: Wikipedia


El descubrimiento de un nuevo antibiótico, la teixobactina, ha merecido la atención tanto de diversos medios de comunicación como de la blogosfera (Un par de ejemplos: Teixobactina, el “superantibiótico” de Bioamara, Teixobactina: algo más que el antibiótico del futuro, post de Ciencias y Cosas ). Sin desmerecer la importancia de dicho descubrimiento, a mí lo que me parece realmente importante no es el qué han descubierto, sino el cómo lo han descubierto. En ese sentido coincido más con el post A New Antibiotic That Resists Resistance de Ed Yong.

En este blog ya hemos hablado en numerosas ocasiones sobre el creciente problema de las resistencias a los antibióticos. Nombres como estafilococo MRSA, tuberculosis-XDR, Klebsiella NDM-1 empiezan a ser cada vez más comunes y temidos en los hospitales de todo el mundo. Las voces más pesimistas incluso hablan de que la sanidad pública podría volver a una situación similar a la de 1900, cuando no existía ningún tipo de sustancia antibiótica y padecer una infección podía significar una convalecencia larga e incluso la muerte.

Porcentaje de aislamiento de cepas resistentes de distintas especies bacterianas en los países europeos. Fuente ECDC


La mayor parte de los diferentes tipos de sustancias antibióticas fueron descubiertas entre los años 40 y 60 del pasado siglo. A partir de entonces cada vez ha sido más difícil encontrar alguna sustancia con utilidad terapéutica. No es que no sea sencillo encontrar una sustancia que mate a las bacterias. Lo difícil es encontrar una que mate a los patógenos pero que no afecte a nuestras células. En ese sentido la penicilina es el mejor ejemplo de un buen antibiótico. Lo que hace es inhibir la síntesis de peptidoglicano que forma la pared bacteriana. Y como nuestras células no poseen peptidoglicano no se ven afectadas por la penicilina. Es decir, un buen antibiótico inhibe o interfiere en un proceso vital exclusivo de las bacterias. Eso es lo que ocurre también con otros antibióticos como por ejemplo el cloranfenicol, la tetraciclina o la estreptomicina. En estos casos, esas moléculas inhiben la biosíntesis proteica mediante su unión al ribosoma y bloqueando el proceso de traducción. Como los ribosomas de las bacterias son algo diferentes a los ribosomas de nuestras células, esos antibióticos no nos afectan.

Esquema de los distintos sitios donde actúan los diferentes tipos de antibióticos que afectan a las bacterias. Actualmente existen resistencias frente a todos ellos. Fuente: Medical Reference Net


¿Cómo se vuelven resistentes las bacterias? Hay varios tipos de mecanismos. En el caso de la penicilina la resistencia suele ser debida a la producción de un tipo de enzima, las betalactamasas, que destruye al antibiótico. En otros casos lo que hace la bacteria es producir una proteína de membrana que expulsa al antibiótico del citoplasma. Y en otros lo que ocurre es que debido a una mutación se modifica el sitio de unión del antibiótico. Por ejemplo, si hay una mutación en algún componente del ribosoma, el antibiótico ya no puede unirse y no inhibe la traducción. El proceso de cómo la resistencia a un antibiótico se extiende entre las bacterias patógenas es uno de los mejores ejemplos de evolución darwiniana. El antibiótico elimina a las bacterias sensibles y sólo quedan las resistentes, que ahora tienen todo el hábitat para ellas solas. Este es uno de los motivos por los que nos estamos quedando sin antibióticos.

Algunos mecanismos de resistencia a los antibióticos. Las enzimas que inactivan a los antibióticos pueden hacerlo mediante su degradación o mediante una alteración química que evite que luego se una a su objetivo. estas enzimas pueden encontrarse en el exterior de la célula, como es el caso de las beta-lactamasas que destruyen a las penicilinas. Fuente: Encyclopaedia Britannica


Otro de los motivos ya lo hemos indicado antes. Es muy difícil encontrar una sustancia que mate bacterias y sea inocua para nosotros. Para determinar cual sustancia es válida y cual no, no sólo hay que encontrarla, hay que probarla. Y eso significa invertir dinero, mucho dinero, en experimentos y ensayos clínicos. Ese también es un problema, porque si una compañía farmacéutica invierte dinero en desarrollar un producto luego va a querer venderlo y sacar beneficio. Si el antibiótico no va a ser efectivo al cabo de poco tiempo debido a la aparición de resistencias, a lo mejor no le interesa nada investigar en ese campo ya que no va a cubrir la inversión dedicada al desarrollo del antibiótico (de sacar beneficios ni siquiera hablamos). Así que desarrollar nuevos antibióticos no parece que sea algo muy interesante para las compañías farmacéuticas.

Línea temporal del descubrimiento de las distintas clases de antibióticos. Fuente: Medscape


En esta gráfica se muestran tres tipos distintos de información. En primer lugar el número de compañías farmacéuticas que investigaban en antibióticos en 1990 (18 compañías) y las que quedaban en el 2011 (4 compañías). En segundo lugar, la cantidad de nuevos antibióticos aprobados para su uso (línea azul), y finalmente el porcentaje de aislamientos de cepas resistentes a los antibióticos. MRSA (Staphylococcus aureus resistente a meticilina). VRA (Enterococcus resistente a vancomicina) y FQRP (Pseudomonas resistente a fluoroquinolonas). Fuente Nature.


Y sin embargo esos nuevos antibióticos son muy necesarios. Uno de los caminos que se está intentando es encontrar sustancias frente a las cuales la aparición de resistencias sea muy difícil. Pero encontrar dichas sustancias no es un camino de rosas. Los antibióticos son generalmente producidos por microorganismos que habitan en los suelos y este tipo de seres vivos no son nada fáciles de crecer en el laboratorio. De hecho se asume que en condiciones ideales solo se puede crecer a una especie de cada cien presentes en una muestra (en parte porque los microbiólogos hemos metido la pata durante 120 años). Así que quizás la sustancia que se busca sea producida por una de esas noventa y nueve especies que no crece. Se han intentado diferentes estrategias y tecnologías como por ejemplo la metagenómica para encontrar al menos los genes que producen dichos antibióticos.

Un iChip desenterrado del suelo donde se ha incubado. Fuente: Nature


Pues bien, el equipo de la compañía biotecnológica estadounidense NovoBiotic Pharmaceuticals liderado por el científico Kim Lewis de la Northeastern University de Boston, ha utilizado una tecnología que puede permitir crecer a esos microorganismos incultivables y poder así encontrar esos nuevos antibióticos. Se trata del iChip. Esta tecnología fue desarrollada en el año 2010 y ya se especulaba con que podría ser una herraienta muy eficaz para encontrar sustancias de interés biotecnológico, como así ha sido. El iChip consiste en unas micro-celdillas que contenían unas membranas semipermeables. Las microceldillas con las bacterias se enterraban en el suelo. De esa forma se podían introducir las bacterias para tenerlas en un entorno controlado, manteniéndolas al mismo tiempo en contacto con su ambiente natural para así disponer de cualquier factor de crecimiento que necesitaran y pudieran desarrollarse normalmente. Lo curioso es que las bacterias que crecen en el iChip luego pueden ser crecidas en el laboratorio a mayor escala. El iChip es como un paso previo de enriquecimiento. Así, han conseguido cultivar hasta un 50% de las bacterias presentes en la muestra.

Como funciona un iChip. Una muestra de suelo es diluida en agua y el iChip se sumerge en esa suspensión (a). La dilución asegura que en cada celdilla sólo haya un microorganismo (b). Después se ponen las membranas semipermeables en la parte superior e inferior (círculos transparentes) y estas son sujetadas gracias a un sistema de pinzado con tornillos (c). Una vez montado el iChip se entierra en el mismo suelo de donde se tomó la muestra. De esa forma los microorganismos estarán en el mismo ambiente de donde fueron recogidos y los factores de crecimiento o cualquier nutriente que requieran, podrá permear a través de las membranas y permitir que crezca el microorganismo. Pero como están encerrados en una celdilla, no se mezclarán entre si. En este enlace puedes ver un vídeo con una animación sobre el iChip. Fuente: Science 2.0


Crecer a las bacterias fue la primera parte, la segunda fue comprobar si producían un antibiótico. Para ello analizaron 10.000 cepas de bacterias, y comprobaron su actividad antimicrobiana frente a la bacteria Staphylococcus aureus MRSA. Así dieron con 25 especies que conseguían inhibir a la bacteria patógena. De ellas una, la bacteria Gram negativa Eleftheria terrae, producía un compuesto muy interesante y activo. Tan activo que Kim Lewis llegó a pensar que habían encontrado un detergente que simplemente destruía las membranas de cualquier tipo de célula. Pero afortunadamente no era así. El compuesto fue analizado y se comprobó que era un nuevo tipo de antibiótico. Ha sido bautizado como teixobactina (*). Se trata antibiótico peptídico, en concreto un depsipéptido macrocíclico. E. terrae lo biosintetiza mediante la condensación de una serie de D y L aminoácidos gracias a dos Peptido-Sintetasas no ribosómicas (eso no es tan raro, la penicilina es también un producto de una condensación de tres aminoácidos). La teixobactina ha mostrado actividad frente a otros patógenos como Clostridium difficile, causante de la colitis pseudomembranosa, Bacillus anthracis, que provoca el carbunco (aunque ahora le llamen ántrax), contra Enterococcus faecalis resistente a vancomicina, contra Streptococcus pneumonia resistente a penicilina y contra Mycobacterium tuberculosis. Incluso han probado en ratones que la teixobactina se puede usar exitósamente para combatir infecciones experimentales provocadas por S. aureus MRSA o por S. pneumoniae.

Infección experimental con S. aureus MRSA. Cada barra representa la supervivencia  tras 48 horas de un grupo de 6 ratones a los que se les inyectó una dosis letal de bacteria y posteriormente una dosis de antibiótico vancomicina o teixobactina (cantidades indicadas en el eje X). Nótese que con 0,5 mg/kg de teixobactina se consigue el 100% de supervivencia de los 6 ratones, mientras que con la vancomicina solo ha sobrevivido un ratón. Fuente: Ling et al. 2015 Nature.


Sin embargo, la propiedad más llamativa de la teixobactina es que parece ser un antibiótico contra el cual no va a ser fácil que se origine una resistencia. De hecho el título del artículo del Nature es el siguiente: A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance ¿Es eso posible o es una exageración?

En el artículo de Ed Yong se utiliza una frase de Leslie Orgel para dar respuesta a esa pregunta: La evolución es mucho más lista que tú. A largo plazo acabarán apareciendo microorganismos resistentes a la teixobactina. De hecho, ya los hay. Todas las bacterias Gram negativas son Son resistentes naturales a este nuevo antibiótico. Un ejemplo, la MIC de S. aureus es de 0,25 microgramos por mililitro mientras que la de E. coli es de 25. El motivo es que las Gram negativas tiene una membrana externa que impide que la teixobactina llegue al lugar donde ejerce su acción. La teixobactina es una molécula bastante grande, unas tres veces más grande que la penicilina para hacernos una idea, y quizás sea esa la razón por la que no puede atravesar esa membrana externa.

Estructura de la pared celular de las bacterias Gram positivas (izquierda) y las Gram negativas (derecha). La pared celular rodea a la membrana plasmática (plasma membrane). Ambas paredes contienen una capa de peptidoglicano, un polímero compuesto de un polisacárido lineal de acetil-glucosamina y acetil murámico, entrecruzado por cadenas de aminoácidos (el monómero se muestra en la parte inferior). Pero en las Gram negativas la capa de peptidoglicano está rodeada por una membrana externa (Outer lipid membrane). Otra diferencia entre ambas es que las capas de peptidoglicano de las Gram positivas está "reforzado" por largas cadenas de ácidos teicoicos (lipotheicoic acid). Fuente: Sigma-Aldrich.


Pero lo que se espera es que no suceda algo como lo que ocurrió con el linezolid, en el que un año después de haber sido aprobado ya se describieron las primeras resistencias. Las esperanzas es retrasar la aparición de esas resistencias el mayor tiempo posible. Algo similar a lo que ocurrió con la vancomicina. Dicho antibiótico fue descubierto en 1953 y hasta finales de la década de los 80 no se describieron las primeras cepas resistentes. La vancomicina y la teixobactina tienen algo en común: actúan sobre el mismo tipo de molécula inhibiendo la síntesis de la pared celular de las bacterias. Ambas se unen a un precursor de la pared celular denominado lipido II. Pero además, la teixobactina también se une a otro precursor denominado lípido III. Vamos a intentar explicar su acción con una analogía que ya he utilizado anteriormente. Podemos imaginar que la pared de una Gram positiva es como un muro de hormigón armado. El peptidoglicano sería el cemento y los ácidos teicoicos serían las varillas de acero. Siguiendo con la analogía, las fábricas que hacen el cemento y las varillas está en el citoplasma de la bacteria. Pero la pared está en el exterior de la célula, así que esos componentes deben de ser transportados allí, y una vez fuera, es donde polimerizan (donde fraguan por seguir con el símil).

Mecanismo de actuación de la teixobactina. Clikear para ampliar. A la izquierda se representa une esquema de la bacteria Gram negativa Eleftheria terrae secretando el antibiótico y éste uníéndose a las moléculas objetivo (rectángulo con la palabra TEIX). A la derecha tenemos una visión ampliada del mecanismo de acción sobre el lípido II y el lípido III que se encuentran localizados en la membrana plasmática. El interior celular estaría en la parte inferior y el exterior en la superior. En el esquema representan de manera simplificada los pasos de síntesis de los monómeros que formarán el peptidoglicano (hexágonos azules y verdes) y de los monómeros que formarán los ácidos teicoicos (elipses rojas y azules).  También se muestra el sitio de unión de la vancomicina (rectángulo rojo), que aunque afecte a la misma molécula, lo hace en un lugar diferente. Fuente: Sci-news.com 


Queda claro que los componentes del muro deben de atravesar la membrana celular. Pues bien, las moléculas responsables del traslado desde el citoplasma al exterior de la membrana son el lípido II y el lípido III. Continuando con la analogía son como unos camiones de transporte, el lípido II sería una hormigonera porque lleva el precursor del peptidoglicano y el lípido III es un trailer con el precursor del ácido teicóico. La teixobactina se une a esos lípidos y evita el transporte. Digamos que destruye los camiones que llevan el material de construcción. Esa especificidad en actuar sobre ese tipo de moléculas es lo que hace pensar que no va a ser fácil que se desarrollen mecanismos de resistencia frente a la teixobactina. Voy a intentar explicarlo desde lo que yo considero el mecanismo más improbable a lo más probable:


  • Bombas de expulsión del antibiótico. La teixobactina actúa en el exterior de la célula, no en su interior, así que este tipo de resistencia no puede darse. Es una típica resistencia para antibióticos que inhiben la síntesis proteica.

  • Resistencia por alteración de la diana por mutación genética. Muy improbable. Un ejemplo lo tenemos en algunos resistentes a la penicilina. Los beta-lactámicos actúan mediante su unión al centro activo de la enzima que polimeriza el peptidoglicano. Si sucede una mutación que afecta a la estructura del centro activo de forma que evita que se una la penicilina ya tenemos un resistente. Pero un lípido no puede modificarse por una mutación genética como le puede ocurrir al centro activo de una enzima. 

  • Resistencia por alteración de la ruta metabólica Muy improbable. El ejemplo son los resistentes a las sulfonamidas, antibióticos que inhiben la ruta de síntesis del ácido fólico. Lo que hacen las cepas resistentes es tomar el fólico del hospedador. La ruta de síntesis del peptidoglicano es una de las más conservadas en todo el dominio Bacteria. Además la teixobactina actúa sobre un transportador, no sobre una enzima metabólica. 

  • Resistencia por entrada alterada Poco probable. Como hemos visto la pared celular de los Gram negativos tiene una membrana externa que impide que la teixobactina llegue a la membrana plasmática. En los Gram positivos no existe esa membrana, sin embargo es cierto que algunos de ellos presentan cápsulas polisacarídicas a veces extraordinariamente complejas, como es el caso de las micobacterias, y quizás podría darse ese caso. Pero que yo sepa no ha sido descrito un mecanismo de este tipo en Gram positivos 

  • Alteración enzimática de la diana Poco probable. Este es el mecanismo de resistencia a la vancomicina. Si nos fijamos en la figura anterior donde se señála el lugar de acción de la teixobactina y de la vancomicina sobre el lípido II veremos que es algo distinto. La vancomicina se une a la cola de aminoácidos unidos al disacarido de acetil-glucosamina y acetil murámico,(el monómero del peptidoglicano). En la resistencia a la vancomicina hay unas enzimas (VanA, B y C) que modifican algo las cargas de ese monómero, de manera que la vancomicina no se une, pero el monómero puede ser usado en la polimerización del peptidoglicano. La teixobactina se une a la cabeza polar del lípido transportador. Si se modifica dicha cabeza a lo mejor la teixobactina ya no se une, pero a lo mejor el lípido ya no puede cumplir su función. 

  • Degradación o alteración enzimática del antibiótico La más probable en mi opinión. Es el caso de las betalactamasas que destruyen a las penicilinas. Como se ha señalado antes la teixobactina es un depsipéptido macrocíclico, pero no deja de ser un péptido. Y las actividades enzimáticas que destruyen los enlaces peptídicos son muy frecuentes en la naturaleza. De hecho, una de las críticas que se ha hecho al trabajo ha sido la de no comprobar si había resistentes a la teixobactina en el mismo suelo de donde partió la muestra. Normalmente si encuentras un antibiótico en un sitio, encuentras al resistente en el mismo lugar.


Esperemos que efectivamente no les sea fácil desarrollar resistencias contra la teixobactina a las bacterias patógenas sensibles a ella. Como ya hemos dicho en otras ocasiones, la humanidad necesita nuevos antibióticos.



(*) En inglés teixobactin se pronuncia Tayco-back-tin, y es una referencia a "adelgazar a los ácidos teicoicos". El nombre de Eleftheria terrae significa "libre de la tierra" y hace referencia a la manera en que ha sido cultivada gracias al iChip.


Esta entrada participa en la XLIII edición del Carnaval de la Química alojado en el blog La Ciencia de la Vida

miércoles, 31 de diciembre de 2014

Mazapán microbiológico - 2



Este año hemos vuelto a hacer figuritas de mazapán, y la sección "microbiológica" se ha dedicado a recrear algunos de los dibujos de la serie Moyashimon.



¡Feliz 2015!

jueves, 11 de diciembre de 2014

Cine y bichos: Interstellar

Origen de la imagen: Wikipedia



AVISO, ESTA ENTRADA PUEDE CONTENER SPOILERS



Confieso que fui a ver "Interstellar" con algo de precaución. Casi todo el mundo que la había visto decía que era una maravilla. En el argumento había participado el físico Kip Thorne (además de ser productor ejecutivo). Por si fuera poco el divulgador Neil deGrasse Tyson calificó con un 8,9 la credibilidad científica de la película. Con todos esos avales lo más fácil es generar falsas esperanzas y confié que no ocurriese lo que suele pasar en estas situaciones: que te esperas mucho y luego acabas defraudado.

En cierta forma pasó eso, pero no precisamente por lo que yo creía. La película es espectacular y los efectos especiales son muy originales. La trama no esta mal aunque me pareció algo larga (le sobra una hora). La doy un notable. La decepción tuvo que ver con otra cosa. En cuanto a la credibilidad científica, pues... la Física Relativista puede ser buena, pero la Biología y la Química no.

No voy a entrar en aspectos tales como que para salir de la Tierra necesiten un cohete de tres etapas y luego aparezcan con una pequeña nave capaz de salir de un planeta con una gravedad mayor, y que además sea capaz de aguantar una ola gigantesca. Ni tampoco me voy a meter en que tipo de comida liofilizada, ni que sistemas de reciclaje de nutrientes llevan en esas naves para que pueda sobrevivir un astronauta durante unos 20 años. O cómo en un mundo postapocalíptico con escasez de recursos, todavía existe la NASA con un pedazo megaproyecto que ríase usted del proyecto Apolo (*). No, con lo que me voy a atrever es con el motivo por el cual los seres humanos se ven obligados a realizar un viaje interestelar a través de un agujero de gusano: la plaga que está acabando con todas las cosechas de la Tierra.

- Oye Chris
- ¿Qué, John?
- Cómo justificamos un proyecto de viaje espacial en un mundo postapocalíptico en el que hay escasez de recursos
- Fácil, el calentamiento global producido por la guerra global acaba con todas las cosechas.
- ¡Buff! Demasiado trillado. Tiene que ser algo más original
- Un asteroide
- ¿Estás de broma?
- Una pandemia mortal
- ¡Venga ya!
- ¡Ya lo tengo! una plaga que acabe con todas las plantas comestibles
- ¿Con todas? ¿No es un poco exagerado?
- Bueno, podemos dejar un par que aguanten un poco. Por ejemplo, el maíz. Era la base de la alimentación de los pioneros americanos. Y también algo exótico y africano como la okra. Pero luego también se verán afectadas
- Pero no hay ninguna plaga capaz de hacer eso.
- Pues nos la inventamos. La llamaremos "The Blight", como aquella que afectaba a las patatas en Irlanda.
- Sí vale, pero ¿a todas?
- A ver, ¿qué necesitan todas las plantas para crecer, además de agua, suelo y sol?
- Déjame pensar... ¿Fertilizante?
- ¿Y qué llevan los fertilizantes?
- ¿Nitrógeno?
- Muy bien.
- Pero el nitrógeno es muy abundante. Es el 78% por ciento de la atmósfera.
- Pues hacemos que "The Blight" pueda ser capaz de respirar nitrógeno y ¡ahí lo tienes!
- ¡Genial!


O bien los asesores científicos contratados por los hermanos Nolan no se leyeron esa parte del guión o yo no entiendo como les dejaron meter esa morcilla. Veamos, el nitrógeno de la atmósfera es un gas diatómico (N2). Los dos átomos de nitrógeno están unidos por un triple enlace (N≡N) extremadamente fuerte. Eso es precisamente lo que hace que el nitrógeno gaseoso sea un gas inerte (termino que significa incapaz de reaccionar). Pero esto se supone que es Ciencia-Ficción así que, como "respirar" significa que los seres vivos combinan el oxígeno de la atmósfera (O2) con las moléculas orgánicas para producir CO2 y H2O, a lo mejor los hermanos Nolan simplemente quieren decir que ha aparecido un tipo de ser vivo capaz de hacer reaccionar el N2 con el O2.

¿Puede ser posible eso? El nitrógeno molecular reacciona, pero cuesta un montón de energía romper ese triple enlace. En la Naturaleza sucede gracias a los rayos o a los seres vivos, más concretamente, gracias a los microorganismos fijadores del nitrógeno. Todos esos microorganismos son procariotas y gastan unos 24 ATPs en fijar una simple molécula de nitrógeno y transformarla en dos moléculas de amonio. Nosotros aprendimos a hacerlo de manera artificial en 1895 gracias a Adolph Frank y Nikodem Caro. El proceso lo mejoró Fritz Haber y Carl Bosch en 1902. A partir de ese momento, se pudieron fabricar fertilizantes basados en formas de nitrógeno bioasimilables (amonios, nitritos y nitratos).

Generalmente, en el último año de instituto se suele enseñar el llamado "ciclo del nitrógeno en la Biosfera". Este ciclo se suele repasar y ampliar en diversas asignaturas de carreras de ciencias, como es el caso de las asignaturas de Microbiología. En la siguiente ilustración se detalla el ciclo:

Ciclo biológico del Nitrógeno. Todos los procesos y transformaciones indicadas son mediadas por seres vivos. Fuente: Nature 


En ese ciclo aparecen todos las transformaciones que sufre el nitrógeno gracias a la acción de los seres vivos. Fijémonos en donde está la molécula de N2 (si el ciclo es un reloj, está a las 4). Todas las demás rutas del ciclo acaban en el N2 gaseosa y de ahí sólo parte una flecha roja. La molécula de N2 sólo se transforma en NH3 (flecha roja) gracias al proceso biológico conocido como fijación del nitrógeno. Es un proceso que se produce en condiciones anaerobias, y en ese proceso la molécula de nitrógeno es reducida a dos moléculas de amoniaco. Químicamente, la reacción se expresa de esta forma:



Una vez que el nitrógeno está en forma de amoniaco (o de amonio) ya se puede usar por los seres vivos, que generalmente lo incorporan en los aminoácidos. De manera muy simplificada podríamos decir que el resto de moléculas que aparecen en ese ciclo podrían ser consideradas como formas bioasimilables, pero el nitrógeno gaseoso no lo es. Fijémonos también en otra cosa. No hay ningún ser vivo que sea capaz de hacer reaccionar el N2 con el O2.

¿Y por qué no pueden existir algún ser vivo que "respire" nitrógeno? ¿Es qué acaso no pueden reaccionar el N2 y el O2 para formar algún tipo de óxido de nitrógeno? Sí lo pueden hacer, lo malo es que es una reacción endotérmica que necesita unos 1600 ºC para que se produzca. Por eso, ese tipo de compuestos sólo se forman en la atmósfera cuando hay rayos. Pero dudo mucho que exista alguna vez un ser vivo que le de por gastar una cantidad descomunal de energía en una reacción que no le sirve para nada.

Reacciones abióticas que suceden en la atmósfera entre el nitrógeno, el agua y el oxígeno gracias a la energía de los rayos. Fuente: PEOI. Para más detalles Rakov, Vladimir A.; Uman, Martin A. (2007). Lightning: Physics and Effects. Cambridge University Press. Clickear encima para ver con detalle.


En resumen ¿qué demonios significa que la plaga de "Interstellar" sea capaz de respirar nitrógeno? Pues en mi opinión algo similar a decir que un objeto puede viajar a la velocidad de la luz. Así que la película puede que merezca un 8,9 en Física Relativista, pero a mi humilde entender, en Biología y Química saca un suspenso.



(*) Parece ser que la catástrofe dejo intacta a la NASA y a sus científicos, pero eliminó selectivamente a todos los biólogos/químicos/ingenieros agrónomos o cualquier otro ser humano capaz de intentar abordar el problema de crear una variedad de planta resistente a una plaga vegetal. Algo que llevamos haciendo desde que se conoce la agricultura. En viajes espaciales tenemos mucha menos experiencia, y muchísima menos gente especialista en los mismos. Generalmente, un proyecto de investigación en patógenos vegetales puede costar unos cuantos milloncejos de euros. Así que resulta llamativo que en un mundo con tanta escasez de recursos se dediquen la inmensa mayoría de ellos a realizar una serie de viajes espaciales en los que los astronautas pueden hibernar y tienen recursos alimentarios casi infinitos y no sean capaces de intentar desarrollar un vegetal comestible resistente a una plaga.


Esta entrada participa en el XLII Carnaval de Química alojado en el blog Ciencia en el XXI, y en el LVIII Carnaval de la Física alojado en MasScience. En el de Biología no puede participar porque este mes no hay :(



Otros enlaces de interés:

Los aciertos y errores de Interstellar
Luces y sombras de Interstellar


jueves, 23 de octubre de 2014

El plátano transgénico que no le gusta a la bacteria amarilla

Fotografía de microscopía electrónica de barrido de la bacteria patógena vegetal Xanthomonas oryzae pv. oryzicola invadiendo el estoma de una hoja de la planta del arroz. Las Xanthomonas inyectan en las células unas proteínas que se unen al DNA vegetal activando la transcripción de determinados genes que favorecen la infección de la planta. Fuente: Science.


En el año 1961 los investigadores D. Yirgou y JF. Bradbury consiguieron aislar la bacteria Xanthomonas campestris patovar musacearum. Dicho así no parece muy llamativo, pero esa bacteria es la causante de la marchitez del ensete o falso bananero de Etiopía. En esta planta lo que se come no es el fruto, sino la raíz, y ésta puede llegar a pesar unos 40 kilos. Así que no es de extrañar que sea una planta de interés agronómico en esa zona de África tan frecuentemente devastada por hambrunas. De ahí la importancia de identificar a la bacteria que causaba su destrucción.

Ensete de Etiopía. Fuente: Wikipedia

Pero los problemas causados por la Xanthomonas no habían hecho nada más que empezar. En el año 2001 una enfermedad desconocida comenzó a hacer estragos en las plantaciones de bananas de Uganda. Comenzaba con un amarilleamiento de las hojas jóvenes seguido de su marchitez. Los tejidos internos de la planta se decoloraban y los frutos se pudrían a gran velocidad. En tan sólo tres años la enfermedad se extendió de tal manera que acabó con entre un tercio y el 50% de la producción de plátanos en la zona de Uganda central. No fue hasta el año 2004 en el que un grupo de científicos ugandeses identificó al culpable de dicha plaga.

Aspecto del interior del tallo de una banana afectada por X. campestris. Todo el exudado está cargado de bacterias. Fuente: Plantwise


Como se habrán imaginado, se trataba de Xanthomonas campestris pv musacearum. No se entiende muy bien como llegó de Etiopia a Uganda y otros países cercanos, aunque según los datos genéticos parece que lo hizo de dos maneras distintas.La bacteria se transmite de planta a planta de varias maneras: la más frecuente es por insectos ya que las plantas putrefactas atraen a multitud de ellos. La bacteria coloniza las superficies de esos insectos y de esa manera llega a otras plantas. Otra forma de transmisión era por los cuchillos y machetes usados por los agricultores para la recolección de los frutos. Y para empeorar las cosas, X. campestris también puede colonizar los suelos agrícolas y permanecer latente en ellos durante largos períodos de tiempo.

Análisis genéticos de los brotes de la marchitez de los bananos y su relación con los genotipos de X. campestris en Etiopía. Los resultados parecen indicar que el patógeno fue introducido en dos eventos independientes. Fuente: Wasukira et al. 2012. Genes


Hasta hace unos años la única forma de combatir la expansión de la plaga era destruir por completo las plantaciones de bananos donde aparecieran plantas afectadas y luego esperar un año o más para que la bacteria desapareciera del suelo. Afortunadamente en el año 2010 un grupo ugandés liderado por Leena Tripati tuvo una idea bastante buena para luchar contra la plaga: crear bananas resistentes a la infección por Xanthomonas. Y para eso lo primero que hicieron fue mirar que plantas eran resistentes naturales a la infección por Xanthomonas. Es es el caso del pimiento (Capsicum annuum). La causa de dicha resistencia es la acción combinada de dos genes. Por un lado el gen Hrap y por otro el Pflp. Lo que hace el primero es matar a las células que rodean a las células infectadas. Es decir, actúa como una especie de cortafuegos que confina a la infección. El segundo gen codifica para una proteína que produce una gran cantidad de especies reactivas del oxígeno, lo que suele acabar con las bacterias y además incrementar la respuesta hraP. A continuación, el grupo de Tripatii creo una banana transgénica que contenía el gen Hrap del pimiento y comprobaron que efectivamente, era resistente a la infección por Xanthomonas. En el 2012 crearon la banana transgénica que contenía el gen Pflp y también comprobaron que era resistente a la infección. Las bananas trangénicas no mostraban ninguna diferencia tanto en morfología como en propiedades organolépticas de sus frutos con respecto a las bananas no transgéncias. Y los productos de los genes Hrap y Pflp no están listados como posibles alergenos por lo que no son potencialmente peligrosas para la salud humana (además de en el pimiento, ambos genes también están presentes en el arroz). En cuanto a otros aspectos de bioseguridad. Las plantas de banana comestibles son estériles solo se pueden propagar de manera clonal, por lo que el riesgo de "contaminación genética" es mínimo.

Pero quedaba por hacer lo más importante, porque una cosa es que una planta transgénica sea resistente a la infección en el laboratorio o en invernaderos controlados y otra muy distinta es que lo sea en condiciones agrícolas. Y eso es precisamente lo que se ha publicado recientemente en la revista Nature Biotechnology. Los investigadores han hecho una prueba en el campo escogiendo 65 líneas transgénicas: 40 líneas expresando el gen Hrap y 25 con el gen Pflp que mostraban una alta resistencia en el laboratorio. Y han comprobado que un 20% de las líneas que contienen el gen Hrap y un 16% de las líneas que contienen el gen Pflp presentaban un 100% de resistencia a la infección por parte de X. campestris en condiciones agrícolas.

Resultado de las pruebas de campo con plantas de banano transgénicas resistentes a la infección por X. campestris y no transgénicas a: Planta transgénica sin síntomas. b: Planta no transgénica mostrando síntomas de marchitamiento. c: Planta no transgénica con una infección sistémica. d: Interior del tallo de una planta transgénica. e: Interior de los frutos de una planta transgénica. f: Interior del tallo de una planta no transgénica. la mucosidad amarilla es la savia de la planta completamente invadida por X. campestrise: Interior de los frutos de una planta no transgénica. h: Aspecto externo de los frutos de una planta transgénica. i: Aspecto externo de los frutos de una planta no transgénica. Origen de la imagen: Tripathi et al. 2014 Nature Biotechnology.


Lo siguiente que se han planteado hacer es ampliar estos estudios en condiciones ambientales y geográficas diferentes. También quieren comprobar la persistencia de la resistencia en dichas plantas transgénicas y por supuesto, evaluar la capacidad de evolución de X. campestris por si es capaz de "romper" la resistencia a la infección. De hecho, para minimizar ese riesgo, están ya intentando producir líneas transgénicas de bananas que lleven los dos genes.

Hay que tener en cuenta que el cultivo de la banana es una importante fuente de ingresos para los países de la región de los Grandes Lagos y del África Oriental. Además, en Uganda, Rwanda y Burundi el consumo de banana constituye al menos 30% de la ingesta de calorias por persona. Así que estas plantas transgénicas pueden suponer un gran beneficio, sobre todo si tenemos en cuenta que será distribuido gratuitamente entre los agricultores de la zona.

Esta entrada participa en la XXXIII edición del Biocarnaval que hospeda @CEAmbiental en el blog Consultoría y Educación Ambiental

jueves, 25 de septiembre de 2014

Campos magnéticos para diagnosticar la malaria



Un aspecto crucial de la lucha contra la malaria es la diagnosis de la enfermedad. Hasta ahora, la técnica estándar usada para determinar si una persona sufre dicha enfermedad consiste en tomar una muestra de sangre y observarla bajo el microscopio para ver si el trofozoíto de Plasmodium falciparum está presente en el interior de los glóbulos rojos. Lo malo es que este procedimiento es caro y lento, ya que requiere que las muestras deban ser procesadas y observadas por un técnico muy bien entrenado en un laboratorio con un buen microscopio. Además, cuanto más temprano sea el diagnóstico, mejor tratamiento se puede dar a la persona afectada. Pero en la fase temprana puede haber entre 5 a 10 trofozoítos por microlitro de sangre, y si un microlitro tiene entre 4 a 5 millones de glóbulos rojos nos podemos hacer una idea de lo difícil que es pillar a esos pequeños HdP. De hecho, generalmente cuando se diagnostica la enfermedad los niveles alcanzados suelen ser de unos 50 trofozoítos por microlitro de sangre y el paciente ya está desarrollando lo síntomas característicos.

Izquierda: Muestra de sangre en el que puede observarse un trofozoíto en el interior de un glóbulo rojo (origen de la imagen: Wikipedia). Derecha: ciclo del Plasmodium en el interior de los glóbulos rojos (Fuente de la imagen: CDC)


No es de extrañar que haya mucho interés en desarrollar un método rápido, barato y sencillo para diagnosticar la malaria. Como es lógico más de un grupo ha intentado desarrollar algún kit de diagnóstico basado en algún tipo de técnica de Biología Molecular o en un ensayo inmunológico. Pero todos los desarrollados hasta el momento son caros y no tan sensibles como se esperaba. El umbral de detección está en torno a los 100 trofozoítos por microlitro, el doble de los niveles detectables por un buen técnico. Afortunadamente la Física y la Química han venido en ayuda de la Microbiología Clínica.

En el año 2012 un grupo búlgaro liderado por I. Kezsmarki describió un método basado en la detección de un metabolito generado por el parásito cuando digiere a los glóbulos rojos desde dentro. Los hematíes son fundamentalmente bolsas de hemoglobina, y P. falciparum la digiere para así obtener aminoácidos. Al destruir la hemoglobina, se libera el grupo hemo acomplejado con el hierro. Pero el grupo hemo es un compuesto bastante tóxico que podría destruir al parásito. Así que lo que hace P. falciparum es transformarlo en hemozoína, un compuesto insoluble que precipita formando unos cristales cilíndricos de color marrón debido al hierro que contienen.

A: Estructura de la hemozoína. Los grupos hematina interaccionan entre sí gracias a una serie de enlaces de hidrógeno formando una estructura cristalina. B: Cristal de hemozoína producido por P. falciparum. C: Cristales de hemozoína bajo la luz polarizada. D: Un glóbulo rojo invadido por P. falciparum. En la parte de la izquierda puede observarse un cuerpo residual de color marrón que está compuesto por cristales de hemozoína. Fuente de las imágenes: Wikipedia


Los investigadores bulgaros pensaron acertadamente que dichos cristales debían de comportarse como unos pequeños imanes y que podrían ser detectados mediante el uso de un campo magnético. Cuando la sangre de un infectado por malaria se ponía bajo la acción de un campo magnético oscilante, estos cristales comenzaban a girar y se ordenaban sobreponiéndose a las perturbaciones térmicas. Además, estos cristales son anisotropos, por lo que actúan como unos polarizadores de la luz, lo cual permite que se puedan detectar de manera bastante precisa . Ventaja de este procedimiento: se detectaban hasta 10 trofozoítos por microlitro. Desventaja: se necesitaba un aparato de Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (la conocida como NMR) tremendamente cara y grande acompañada de un técnico entrenado.

Cristales de hemozoína sometidos a un campo magnético oscilante. En (a) los cristales están en suspensión y el campo magnético es nulo (B=0). Si se les somete a un campo magnético (b y c), los cristales se alinean, pero debido a las fluctuaciones térmicas el alineamiento se acaba perdiendo. Si se hace oscilar el campo magnético (d y e)  los cristales de hemozoína comienzan a rotar, con lo que se consigue contrarrestar el efecto de las fluctuaciones térmicas y al final los cristales quedan alineados. Fuente de la imagen: Butikay et al. Scientific Reports


Pero ahora el grupo liderado por Jongyoon Han, del Singapore-MIT Alliance for Research and Technology Centre ha desarrollado un método para analizar una muestra tan pequeña como 10 microlitros de sangre, para el que no se necesita ningún técnico superentrenado y que no necesita un equipamiento excesivamente caro. En el año 2010 Ralph Weissleder y Hakho Lee consiguieron fabricar un equipo NMR mucho más pequeño y barato y basándose en su experiencia el gruo de Han han conseguido diseñar un equipo en miniatura de Relaxometría de Resonancia Magnética (MRR por sus siglas en inglés). La MRR es un tipo de NMR (sí, parece un trabalenguas). Adicionalmente, la técnica de detección desarrollada permite detectar a la hemozoína en muestras de sangre sin necesidad de procesarlas y a unos niveles de hasta 10 trofozoítos por microlitro, mucho antes de que el paciente empiece a mostrar algún síntoma por lo que se puede empezar a tratar de manera temprana. Eso es muy importante si tenemos en cuenta que los países afectados por la malaria suelen ser países en vías de desarrollo con recursos y personal muy limitados.

Sistema portátil de Relaxometría por Resonancia Magnética desarrollado por Weng Kung Peng, Lan Chen y Jongyoon Han. Pesa unos 250 gramos y sus dimensiones son de 16 x 9 cm. El campo magnético de 0,76 Teslas es generado por unos imanes del tamaño de una moneda. Origen de la imagen: MIT


¿Cuáles son los "peros"? en primer lugar todavía es una técnica experimental. Se ha probado con muestras de ratón y con el parásito cultivado en condiciones de laboratorio. Se tiene que realizar un test en condiciones reales con un gran número de muestras clínicas. Quizás factores como la genética o la dieta del paciente podrían afectar al resultado. También está descrito que hay casos clínicos en los que los niveles de hemozoína no son muy elevados por lo que quizás la enfermedad no sería detectada. De todas formas, está claro que es un avance significativo.

Este blog participa en la XLII Edición del carnaval de la Física alojado en High Ability Dimension, en la XXXIX edición del carnaval de la Química alojado en Gominolas de petróleo y en la XXXII edición del Biocarnaval alojado en Scykness.

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Butykai, A., Orbán, A., Kocsis, V., Szaller, D., Bordács, S., Tátrai-Szekeres, E., Kiss, L., Bóta, A., Vértessy, B., Zelles, T., & Kézsmárki, I. (2013). Malaria pigment crystals as magnetic micro-rotors: key for high-sensitivity diagnosis Scientific Reports, 3 DOI: 10.1038/srep01431

Skinner, N. (2014). Quick test for malaria shows promise Nature DOI: 10.1038/nature.2014.15796

Peng, W., Kong, T., Ng, C., Chen, L., Huang, Y., Bhagat, A., Nguyen, N., Preiser, P., & Han, J. (2014). Micromagnetic resonance relaxometry for rapid label-free malaria diagnosis Nature Medicine, 20 (9), 1069-1073 DOI: 10.1038/nm.3622

domingo, 29 de junio de 2014

Aspergilomarasmina A: una vieja conocida, una nueva amiga.



En 1965 unos investigadores franceses describieron una molécula asociada a la marchitez de las hojas producida por un hongo de la especie Aspergillus flavus. Bautizaron a esa fitotoxina como Aspergilosmarasmina A (AMA para abreviar). En los años 80 se estudió su potencial como sustancia inhibidora de la enzima convertidora de angiotensina y en los 90 como una molécula capaz de inhibir la activación enzimática de la endotelina, sin embargo en ambos casos no se llegó a a la fase final de producirla como medicamento.

La aspergilosmarasmina A actuaba como inhibidor de las enzimas que debían de procesar a la angiotensina y a la endotelina. Ambas enzimas son de la familia de las metaloproteasas, la misma familia a la que pertenecen las metalobetalactamasas como NDM-1. Así que alguien pensó que si la aspergillomarasmina inhibía a unas, bien podía inhibir a las otras. Y si eso era así, quizás podría utilizarse como un adyuvante para tratar infecciones provocadas por bacterias resistentes a los antibióticos betalactámicos (de manera semejante a lo que se hace con el ácido clavulánico y la ampicilina).

(a) Estructura de la Aspergillomarasmina A (AMA) (b) Actividad inhibitoria de la AMA sobre las betametalolactamasas NDM-1 (cuadrados negros) y VIM-2 (círculos blancos). Los cuadrados negros indican que la actividad de la serin-carbapenemasa OXA-48 no se ve afectada por AMA (fuente:  King et al. Nature)


Y eso es precisamente lo que han hecho en el grupo de investigadores canadienses liderado por Gerard D. Wright y que ha sido publicado recientemente en la revista Nature. Han comprobado que la AMA inhibe de manera irreversible a las betalactamasas NDM-1 y VIM-2, pero no es activa frente a otras carbapenemasas. A continuación, lo que hicieron fue comprobar si esta molécula podía darse en combinación con un antibiótico. La AMA es muy efectiva contra las metalobetalactamasas, pero no es un antibiótico por lo que no mata a las bacterias. Lo que se hizo fue combinar el antibiótico meropenem con AMA y comprobar si el cóctel era efectivo frente a diferentes cepas bacterianas conocidas por ser portadoras de resistencias a los antibióticos betalactámicos.

Diversos patógenos Gram negativos portando resistencias a los betalactámicos fueron enfrentados a una combinación de meropenem y AMA. Todos aquellos que portaban las resitencias NDM y VIM fueron sensibles (barras rojas y azules). Los que portaban las resistencias AIM, IMP y SPM-1 no. (Fuente: King et al. Nature)


Pero una cosa es que en un ensayo in vitro esa combinación funcione y otra muy distinta es que pueda ser usada como una posible terapia frente a una infección. Y por eso el siguiente paso fue utilizar un modelo animal. En primer lugar los investigadores utilizaron ratones a los que se les inyectó intraperitonealmente una dosis subletal de la cepa N11-2218 de Klebsiella pneumoniae. Esta cepa es resistente al antibiótico meropenem. Luego dividieron a los ratones en tres grupos: el grupo control al que sólo se le inyectó suero salino, un segundo grupo con ratones que sólo serían tratados con meropenem, y finalmente otro con ratones a los que se les administraría meropenem más AMA. Posteriormente analizaron la cantidad de bacterias presentes en bazo (spleen) y en hígado (liver). Se observó una reducción de diez veces en el número de bacterias presentes en ambos órganos. Pero todavía faltaba por ver si el antibiótico era efectivo frente a una infección grave. Así que en el siguiente experimento utilizaron ratones a los que se les inyecto una dosis letal de K. pneumoniae. En este caso los ratones fueron divididos en cuatro grupos: control con suero salino, tratados sólo con una inyección de meropenem, tratados sólo con una inyección de AMA y tratados con una inyección de la combinación de meropenem más AMA. En este último grupo, todos los ratones sobrevivieron menos uno (95% de supervivencia).

Efecto de la combinación antibiótico meropenem más AMA en el tratamiento de infecciones experimentales en ratones. En las gráficas de arriba se muestra el nivel de bacterias en bazo y en hígado. En la parte de abajo se muestra el porcentaje de supervivencia (ver el texto para más detalles. Fuente King et al. Nature


¿Qué es lo que va a pasar ahora? Los resultados son muy prometedores porque permiten vislumbrar una forma de alargar la efectividad de diversos antibióticos frente a las cada vez más frecuentes resistencias bacterianas. El estudio de la AMA puede servir como base para desarrollar nuevas moléculas que inhiban a las enzimas responsables de inactivar a los antibióticos. Pero hay un largo camino que recorrer hasta que la AMA llegue a las farmacias, si es que llega. Primero hay que determinar si los niveles en los que la AMA puede ser usada en combinación con los antibióticos no afectan a la función de las enzimas que regulan la angiotensina y la endotelina lo que podría provocar cambios indeseables en la presión sanguínea de los pacientes. Y seguidamente hay que empezar a diseñar los ensayos clínicos para probar que efectivamente esta estrategia es efectiva en humanos. Pero está claro que el redescubrimiento de la aspergilomarasmina A es una buena noticia.




Esta entrada participa en el XXXVI Carnaval de la Química (Edición Kr) alojado en Café de Ciencia y en el XXXI Carnaval de la Biología alojado en Retales de Ciencia

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King, A., Reid-Yu, S., Wang, W., King, D., De Pascale, G., Strynadka, N., Walsh, T., Coombes, B., & Wright, G. (2014). Aspergillomarasmine A overcomes metallo-β-lactamase antibiotic resistance Nature, 510 (7506), 503-506 DOI: 10.1038/nature13445