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martes, 29 de septiembre de 2009

Antibióticos nanotecnológicos

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Una amatista conteniendo inclusiones de zeolita



Investigadores de la Universidad de Munster han desarrollado un material nanotecnológico con propiedades antibacterianas que podría utilizarse en fotoquimioterapia (photodynamic therapy). El logro ha sido posible gracias a la colaboración de dos grupos, uno de químicos liderado por la Dra. Luisa De Cola y otro de microbiólogos liderado por la Dra. Berenike Maier.

Su trabajo ha consistido en producir nanopartículas que poseyeran tres propiedades: adhesión específica a las bacterias y no a otras células, marcarlas y luego matarlas. En primer lugar eligieron un tipo de material que funcionara como un transportador y que fuera inócuo para nuestras células. Para ello han utilizado nanocristales de L-zeolita. La zeolita es un aluminiosilicato muy usado en diversas actividades por su gran capacidad de adsorción. Lo interesante es que este material es que no muestra ninguna toxicidad.





Nanocristal de zeolita (estructura tubular gris) en la que se muestran los diversos grupos funcionales usados en el estudio. Las moléculas del fluoróforo DXP se muestran en el interior (hexágonos amarillos). En el exterior pueden verse las moléculas de phthalocianina (hexágonos verde-azules) y las cadenas con los grupos amino (colas azul claro).



Lo siguiente fue diseñar la manera de marcar las bacterias, de esta forma podemos saber si los nanocristales se han unido a ellas o no. Los nanocristales de zeolita forman una estructura tubular. En el interior de dicho tubo unieron moléculas de DXP, un fluoróforo que emite luz verde (620 nm) cuando es excitado mediante luz azul de 480 nm. Es decir, si el nanocristal se une a la bacteria y a ésta la iluminamos con una luz azul, la bacteria brillará con una luz verde.





En las fotos de la izquierda podemos ver mediante microscopia de fluorescencia o mediante microscopía electrónica de barrido, la unión a las bacterias de los nanocristales que presentan grupos amino en su superficie. En las fotos de la derecha se han usado nanocristales sin grupos amino y por lo tanto no hay unión a las bacterias



Finalmente, unieron a la superficie de los nanocristales, moléculas de phthalocianina (PC) y grupos amino. La primera es una molécula con propiedades fotosensibilizadoras que cuando se la ilumina con luz roja forma un singlete de oxígeno muy tóxico para la bacteria. La función de los grupos amino es la de adherirse a la superficie de la bacteria. Se escogió este grupo porque es muy sencillo de ligar a dichas nanoestructuras y además presenta una carga eléctrica neta positiva. Eso le permite unirse con bastante especificidad a bacterias en cuya superficie abunden las cargas negativas. Y las que precisamente cumplen dicha condición son las bacterias Gram negativas (*) como Escherichia coli, cuya membrana externa esta plagada de moléculas de polisacáridos con una gran cantidad de residuos ácidos con carga neta negativa.


Una de las principales dificultades que encontraron fue evitar que las nanopartículas se agregaran formando unos acúmulos totalmente incapaces de unirse a las bacterias. El problema se resolvió realizando modificaciones químicas en los cristales y ajustando las concentraciones de uso. Cada uno de los nanocristales porta unas 6.000 moléculas de PC en su superficie, con lo que dichos cristales se comportan como una especie de "bomba química" al ser iluminados.






Esquema del funcionamiento antibiótico de los nanocristales. A la izquierda se representa una bacteria en la que los nanocristales están unidos a la superficie. A la derecha se muestra un esquema de dichos nanocristales. Los puntos azul claro representan los grupos amino que permiten la adhesión a la bacteria. La luz azul excita a la molécula de DXP que emite una luz verde. La luz roja excita a la PC (óvalos rojos) produciendo el singlete de oxígeno que mata a la bacteria.



La efectividad de los nanocristales han sido probados en cultivos de E. coli y en una cepa resistente a los antibióticos del patógeno Neisseria gonorrhoeae. En ambos casos comprobaron que al cabo de dos horas se había acabado con el 95% de las bacterias presentes. El siguiente paso en el que están pensando los investigadores es en producir nanocristales con mayor especificidad y que sean capaces de unirse a otros tipos celulares como bacterias Gram positivas, o incluso a células cancerosas. El objetivo a largo plazo es desarrollar un tipo de crema para tratar el cáncer de piel.




(*) Es una coincidencia el que las bacterias Gram negativas tengan una gran cantidad de cargas de signo negativo en su superficie, pero debe recordarse que los apelativos "Gram negativo" y "Gram positivo" hacen referencia a una tinción de microscopía y a una determinada estructura de la pared celular bacteriana, y para nada se refiere a una propiedad eléctrica.


Audio en "El podcast del microbio"

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jueves, 24 de septiembre de 2009

Microdivertimentos

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Antes de que empieze el curso y como creo que la mejor forma de aprender es jugando, aquí dejo los links a algunos juegos basados en el mundo de la microbiología.







El primero es "The Great Flu" (La gran gripe). El jugador es el responsable de un organismo internacional al estilo de la OMS pero denominado WPCA. Tiene a su disposición 2.000 millones de euros para combatir una posible pandemia. Ese dinero se debe de gastar en diversas medidas sanitarias, como educar a la población, repartir medicinas, establecer grupos de investigación, desarrollar la vacuna, cerrar las escuelas o los aeropuertos, etc. Hay cinco tipos de virus contra los cuales luchar, de menor a mayor dificultad. Aunque está en inglés es bastante sencillo de aprender su dinámica. Otra cosa es parar la pandemia. Si no lo haces bien te puedes encontrar con que tienes 2.250 millones de infectados y 170 millones de muertes. Lo mejor que tiene el juego son los videos explicativos de un virólogo que o bien te va dando consejos o bien te reprocha algunas acciones si éstas no han surtido el efecto deseado. Lo peor, que es bastante lento y no se ve el efecto de algunas de las acciones que tomas sobre la dispersión del virus. De hecho al final te aparece el número de infectados y de muertes, pero no te dice si lo has hecho bien o no.










El segundo es "Sneeze" (Estornudo). En este juego el punto de vista es distinto, porque el jugador es el virus y su objetivo es infectar a la mayor cantidad posible de humanos. Es muy simple y sencillo. Tienes que poner al humano infectado en un punto donde consigas que la infección se extienda de la manera más eficiente posible. Y la mejor forma de hacerlo es llenar de moco verde a la mayor cantidad posible de gente. Los estornudos harán el resto.











En "Killer Flu" el jugador también es el virus. Este juego está diseñado por la Red de Virología Clínica del Reino Unido y es algo más realista y complicado que el anterior. En uno de los niveles te permite infectar personas cambiando tus antígenos, así que es una carrera entre su sistema inmunitario y tu capacidad de mutar. Asimismo debes elegir donde debe ir esa persona para que infecte a la mayor cantidad posible de gente. El tiempo es crítico, pues si no lo haces bien las personas desarrollan su inmunidad frente a tí y no podrás alcanzar el nivel de infección requerido.











Finalmente está la página educativa "e-Bug". Dicha página está realizada por diversos países de la Unión Europea. Como página de recursos educativos para profesores y estudiantes está bastante bien. En la aspecto lúdico podemos encontrar dos juegos. El primero es un juego de tipo arcade bastante simple en el que el niño o niña deben de fotografiar a los microbios buenos y luchar contra los malos. El segundo es para adolescentes y es un juego de pistas en el que el jugador interpreta el papel de un epidemiólogo-detective buscando las fuentes de posible contaminación con patógenos. El principal "pero" que tienen es que son un ejemplo clásico del dicho - un juguete educativo es un juguete aburrido - y además sólo están disponibles en inglés.


Que lo paséis bien




martes, 22 de septiembre de 2009

Una muerte en la familia


Malcolm J. Casadaban (1954-2009)


Acaba de saltar a los medios de comunicación una noticia que recoge la muerte del Dr. Malcolm J. Casadaban, un microbiólogo de la Universidad de Chicago que estudiaba la bacteria que causa la peste. El investigador de 60 años de edad se despertó el pasado 13 de septiembre con un cuadro de síntomas que recordaba al de la gripe. Fue al hospital y allí comenzaron a hacerle pruebas. Murió antes de obtenerse los primeros resultados, pero no era la gripe lo que tenía. Las pruebas mostraron que tenía una septicemia provocada por la cepa de Yersinia pestis con la que trabajaba en su laboratorio.

El doctor Malcom Casadaban estudiaba la genética de la bacteria patógena Y. pestis y para ello utilizaba una cepa atenuada de dicha bacteria que, se suponía, era incapaz de producir dicha enfermedad. De hecho, la cepa en cuestión está aprobada por el CDC de Atlanta y se lleva utilizando desde hace cuarenta años y se usa rutinariamente como el control negativo en muchos experimentos que estudiaban la patogenicidad de Y. pestis. Nadie sabe explicar cómo dicha bacteria ha conseguido penetrar en su sistema sanguíneo, y cómo ha conseguido desarrollarse hasta provocar una septicemia. Se están realizando nuevas pruebas para confirmar que se trata de la misma cepa que estudiaba, o si se trata de una cepa distinta.

Casadaban no es el primer microbiólogo que ha encontrado la muerte a causa del microorganismo que estudiaba. En la breve historia de la ciencia de la Microbiología hay unos cuantos científicos que han compartido tan desgraciado final. Algunos han quedado olvidados y otros son recordados gracias precisamente al patógeno que les causó la muerte.



Howard Taylor Ricketts



Quizás el caso más conocido entre los microbiólogos es el de Howard Taylor Rickkets. Curiosamente también trabajó en la Universidad de Chicago. Hay tres categorías taxonómicas y una especie que llevan su nombre. El orden Rickettsiales, la familia Rickettsiaceae, el género Rickettsia y la especie Rickettsia rickettsii. ¿Y por qué tanto honor? Ricketts era un médico norteamericano que a finales del siglo XIX comenzó a estudiar el hongo que producía la blastomicosis de una forma bastante heterodoxa. Se lo inoculaba y así estudiaba sus síntomas. Lo debió de hacer bastante bien porque la Universidad de Chicago le pagó una estancia de un año en el Instituto Pasteur. En 1902 volvió a Chicago a continuar sus estudios en la blastomicosis, pero entonces otra enfermedad le llamó la atención. Se trataba de la fiebre de las Montañas Rocosas. Durante dos años, él y su asistente J.J. Moore, estuvieron intentando descubrir como se adquiría dicha enfermedad. Al final encontraron que el patógeno era transmitido por una garrapata. En 1909, Ricketts viajó a México a estudiar una epidemia de tifus, pues estaba convencido que por sus síntomas, el microbio causante debía de ser muy semejante al que había estudiado anteriormente en las Rocosas. Y tenía razón, en este caso el patógeno era transmitido por los piojos. Desgraciadamente murió a causa del tifus en 1910.




Stanislaus von Prowazeck



Otro científico que murió a causa del tifus fue Stanislaus von Prowazeck. Él y su colega, el brasileño Henrique da Rocha Lima, continuaron en Alemania el trabajo iniciado por Ricketts. En 1915 fueron llamados para tratar un brote de tifus surgido en la cárcel de Cottbus. Ambos enfermaron, pero sólo el brasileño sobrevivió. Fue precisamente Rocha Lima quien bautizó a los nuevos patógenos con los nombres de sus desafortunados colegas: Rickettsia rickettsii para designar al causante de la fiebre de las Montañas Rocosas, y Rickettsia prowazekii para la causante del tifus epidémico. Rocha Lima también tiene una especie nombrada en su honor (Bartonella rochalimae), pero afortunadamente para él, no murió a causa de ella.


Y es que a veces, investigar microbiología puede ser perjudicial para la salud

viernes, 18 de septiembre de 2009

Tapiz Oceánico

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Detalle de la obra "Tapiz Oceánico", creación de la artista Nancy Zboch.





Un reciente artículo publicado en la revista PNAS describe las bases genómicas de las estrategias tróficas que presentan las bacterias marinas. Dicho artículo además ha merecido un comentario específico dentro de dicha revista.

Los ecosistemas marinos no son tan homogéneos como puedan parecer a simple vista. No sólo influye la luz solar, la profundidad y los nutrientes. También hay que considerar el clima o las corrientes marinas, por nombrar dos factores importantes, y la suma de todos esos factores crean heterogeneidad y por lo tanto debemos esperar una gran biodiversidad. Si consideramos la disponibilidad de nutrientes, en los océanos nos podemos encontrar un gradiente de diversos hábitats dependiendo de la concentración de los mismos. Tenemos desde ambientes con alta concentración (hábitats copiotróficos) a los de baja concentración de nutrientes (hábitats oligotróficos). En todo ese gradiente podemos encontrar diversas bacterias que han evolucionado para adaptarse y crecer óptimamente. El estudio realizado gracias a la colaboración de varios grupos ha consistido en comparar el genoma de dos especies de bacterias que viven en hábitats localizados en los extremos de ese gradiente.









Representación muy simple de la superficie de lo océanos como un hábitat microbiano. Hay dos gradientes verticales, uno debido a la luz solar y otro debido a los nutrientes (representado por la línea negra). La abundancia relativa de microorganismos viene dada por la línea roja. La mayor parte de las bacterias viven como plancton de vida libre (bacterias de color blanco). Estos organismos oligotróficos son los más abundantes en los ecosistemas oceánicos con muy bajo contenido de nutrientes. En color amarillo se representan los microorganismos copiotróficos adaptados a microhábitats en los que hay una gran cantidad de nutrientes (un cadáver de un pescado por ejemplo). Fuente bibliográfica: MJ Church 2009, PNAS.


Sphingopyxis alaskensis es una a-proteobacteria oligotrófica con un volumen celular inferior de 1 micra cúbica, con un genoma de 3,8 Mb y con un tiempo de generación de 5 horas en condiciones óptimas. Este tipo de microorganismo es muy abundante en los océanos. Por el otro lado tenemos a la g-proteobacteria Photobacterium angustum cuyo tamaño es superior a la micra cúbica, tiene un genoma de 4,8 Mb y cuyo tiempo de generación es de 1 hora cuando se encuentra en un hábitat con suficientes nutrientes. En caso de no tener suficientes nutrientes esta bacteria permanece en estado latente sin crecer ni reproducirse.


Los investigadores han secuenciado sus genomas para luego poder compararlos y así relacionar sus distintas propiedades genómicas con sus estrategias tróficas y así poder definir sus mecanismos moleculares de adaptación. Han conseguido desarrollar un modelo para predecir a partir de la secuenciación del genoma, el tipo de estilo de vida del microorganismo. Y el modelo ha sido puesto a prueba Han estudiando las secuencias de 400.000 proteínas que representan unos 500 millones de nucleótidos obtenidos a partir de 126 secuencias genómicas. Con ello han confirmado que microorganismos oligotróficos son los que dominan los océanos, y que pueden definirse los tipos de bacteria que va a encontrase en un determinado nicho ecológico.

De esta forma han identificado 43 marcadores genéticos que indican un determinado estilo de vida microbiano. Cuando se agrupan estos marcadores en un gráfico el resultado es una especie de tapiz que muestra las relaciones entre los diversos estilos de vida. El modelo funciona bastante bien con los datos disponibles. Pero los estudios metagenómicos de los océanos cada vez son más precisos y se van describiendo nuevos marcadores genéticos, por lo que el tiempo dirá si este modelo es lo suficientemente bueno como para predecir los nuevos estilos de vida.






Representación esquemática mostrando cinco agrupamientos de microorganismos con cinco estrategias tróficas diferentes. Se indican algunas de las especies más representativas dentro de cada agrupamiento. Amarillo: oligotrofos extremos. Rojo: oligotrofos moderados. Verde y Azul: copiotrofos moderados. Cian: copiotrofos extremos. Fuente bibliográfica: Lauro et al 2009 PNAS.




Así los microorganismos oligotróficos suelen tener pequeños tamaños (menores de 0,2 micras de diámetro), crecen muy lentamente y tienen sistemas de transporte de sustratos de alta afinidad y amplia especificidad. Coloquialmente hablando esto último significa que pueden "comer de todo" como azúcares, aminoácidos o lípidos, aunque se encuentren en muy baja concentración. Asimismo presentan un gran número de genes para el metabolismo de lípidos y un bajo número de operones de rRNA lo que indica que en los oligotrófos prima conseguir energía a crecer rápidamente. Sus genomas son pequeños por lo que no deben de gastar mucha energía y nutrientes en su mantenimiento y reparación. En cambio los microorganismos copiotróficos suelen ser de gran tamaño, crecen rápidamente y tienen genomas relativamente grandes y sistema de transporte de sustratos muy especializados. También poseen una gran cantidad de proteínas receptoras que les permiten sentir los cambios en su medio ambiente y responder a ellos.

El interés y la utilidad principal de esta nueva herramienta es que permitirá vigilar con mucha mayor rapidez los cambios en las comunidades microbianas oceánicas, y así poder ajustar y afinar muchos de los modelos climáticos y de los ciclos biogeoquímicos, pero también para resolver cuestiones más prácticas y aplicadas de salud medioambiental (ej: el estudio de la presencia de posibles patógenos en aguas de playas de utilidad pública).



Audio en "El podcast del microbio"
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domingo, 13 de septiembre de 2009

Buenas noticias sobre la gripe.

Traducción de un interesante comentario aparecido en el blog "Microbiology bytes"




Con el reciente descenso de nuevos casos de gripe H1N1 a nivel global, se ha puesto de moda en los medios de comunicación publicar historias del tipo "¿No será la pandemia una exageración?" y en la misma página publicar otra noticia titulada "¡Dios mío! la gripe va a ser grave!". El problema con el virus de la gripe es que es uno de los virus más impredecibles que se conocen. Y mientras que se espera un aumento del número de casos según se vaya acercando la estación invernal en el hemisferio norte, la principal preocupación es que este virus pandémico se vuelva un "mal bicho" en la segunda ola, tal y como paso en la gripe de 1918, cuando una variante mucho más patógena siguió a la variante benigna que provocó la primera ola de casos.


Hay dos formas de que esto suceda. La primera es que el virus actual adquiera algún tipo de mutación espontánea que lo haga mucho más patogénico. La otra posibilidad es que el virus se recombine con otra cepa de virus altamente patógena, un proceso que puede suceder cuando dos cepas de virus infectan la misma célula e intercambian sus genes. Y ya hay un buen candidato ahí fuera, la cepa altamente patógena H5N1 que causa la gripe aviar. A diferencia de lo que pasa con la cepa H1N1, a la H5N1 le cuesta mucho infectar a los humanos, por lo que es muy poco probable que ambos virus coincidan alguna vez. Pero si eso ocurre ...


Las buenas noticias vienen de Egipto donde el H5N1 es relativamente común y donde se había descrito un caso (preocupante) de co-infección H5N1/H1N1. Pues bien, el Ministerio de Salud de dicho país acaba de confirmar que no hubo tal co-infección. Adicionalmente, un estudio conjunto entre la Universidad de Marylan y el NIH (National Institute of Health) sugieres que las co-infecciones entre H1N1 y los virus de la gripe estacional no parecen producir quimeras o virus recombinados. Parece ser que la cepa H1N1 compite con los virus estacionales y los desplaza. Lo cierto es que en otras pandemias pasadas de cepas H1N1 se había descrito la observación de que los brotes de otros virus gripales quedaban suprimidos.


En cuanto a los ensayos con las nuevas vacunas, un ensayo en Fase I realizado por científicos de la Universidad de Leicester con 100 voluntarios sanos parece mostrar que son efectivas. El Dr Iain Stephenson ha encontrado que el 80% mostraban una fuerte respuesta con una dosis, alcanzándose el 90% cuando se inoculaba una segunda dosis. Los resultados indican que una sola dosis es suficiente para la inmunización, por lo que se pueden disponer de más vacunas. Se están preparando un ensayo más grande con 6.000 adultos y niños.




Unas pocas razones para alegrarse

viernes, 11 de septiembre de 2009

No hay mal que por bien no venga (2ª parte)

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Película de propaganda realizado durante la IIGM que explica el proceso de producción de penicilina mediante el cultivo del hongo en superficie.



A pesar del fracaso inicial, el grupo de Florey no se desanimó. Los resultados preliminares del primer tratamiento de un ser humano fueron muy prometedores por lo que los investigadores comprendieron que la penicilina podía ser un agente terapéutico de primer orden en la lucha contra las infecciones bacterianas. Y en una situación bélica la importancia estratégica de un medicamento de ese tipo era enorme, así que se hicieron planes para el escalado en la producción del antibiótico.


Pero pronto comprendieron que su país no era el lugar adecuado para cumplir ese objetivo. En el año 1941 Gran Bretaña se enfrentaba en solitario a las potencias del Eje y casi toda la capacidad industrial y los materiales estaban dedicados al esfuerzo bélico. Las compañías farmacéuticas tenían bastante con cumplir los pedidos de las fuerzas armadas y no tenían recursos ni interés en la investigación aplicada de un posible medicamento. Florey comprendió que el desarrollo de la producción de penicilina debía proseguir en otras tierras más favorables. En marzo de 1941, los Estados Unidos habían comenzado a aplicar el programa de Prestamo y Arriendo, así que no es de extrañar el que pensara en establecerlo en el llamado "arsenal de la democracia". Al parecer Chain no era partidario de ese traslado, pues en su opinión la penicilina debería ser patentada y desarrollada enteramente en el Reino Unido. Pero para Florey era una cuestión ética el desarrollar lo más rápidamente posible un medicamento que podría ayudar al esfuerzo bélico aliado.



Florey y Heatley viajaron hacia los Estados Unidos a primeros de julio de 1941, pocos días después de que Alemania atacara a Rusia. Hay una leyenda que dice que las muestras de Penicillium que llevaban se perdieron en el camino y que lo que hicieron Florey y Heatley fue sacudir sus ropas sobre placas conteniendo medio estéril, pensando que muy probablemente sus ropas estarían repletas de esporas del hongo. Sea cierto o no, el caso es que el hongo había cruzado el charco. Florey incluso se llevó a su familia a Connecticut para librarles de los bombardeos alemanes sobre Gran Bretaña. Allí continuó el trabajo sobre las propiedades biológicas de la penicilina en la Universidad de Yale.


Andrew J. Moyer (USDA)




Heatley se trasladó a Peoria, Illinois, para seguir trabajando en el incremento de la producción mediante el diseño de un medio de cultivo adecuado para el hongo. Allí trabajó con Andrew J. Moyer en ese campo. El porqué de dicha elección fue la siguiente. Peoria está localizada en medio del llamado "cinturón del maíz". Durante la Gran Depresión se estableció un laboratorio para intentar aprovechar los productos de desecho agrícolas como el llamado licor de maceración del maíz. Moyer encontró que dicho residuo era un medio de cultivo excelente para los hongos por su gran contenido en nitrógeno. Entre ambos descubrieron que si el medio de cultivo contenía lactosa (el azúcar de la leche) la producción de penicilina por el hongo se incrementaba dramáticamente. Pero Heatley y Moyer se llevaban fatal. En diciembre de 1941, tras la entrada de Estados Unidos en la guerra, Heatley se volvió a Oxford. Y Moyer hizo una cosa bastante fea. Publicó y patentó el proceso de producción industrial de la penicilina sin citar a Heatley o a Florey. Esa actitud le aseguró su riqueza, pero enfadó a los británicos que se sintieron con razón estafados. De hecho, se negaron a pagar royalties cuando establecieron plantas de producción de penicilina en su país.





Instalaciones para producir penicilina en la Sir William Dunn School of Pathology, Oxford (fuente NIH)



El nuevo medio de cultivo permitió que el cultivo en superficie del Penicillium fuera rentable. En la anterior entrada vimos que era necesario cultivarlo en superficie dentro de unos recipientes planos. Eso era debido a que el hongo requería de condiciones aeróbicas para su crecimiento y para que sintetizase penicilina. Tanto los británicos como los norteamericanos se pusieron a fabricar en serie ese tipo de recipiente para así obtener numerosos cultivos de los que obtener penicilina. El proceso era bastante laborioso y lento, pero se comenzó a obtener penicilina suficiente para realizar un nuevo intento de usarla en humanos.





Uno de los primeros pacientes tratados con penicilina en 1942. En las fotos 1 y 2 se muestra el estado de una niña con una infección bacteriana antes del tratamiento. La foto 3 está tomada tras cuatro días de tratamiento. La foto 4 a los nueve días. Las fotos 5 y 6 muestran su total recuperación



El sábado 12 de marzo de 1942, llegaban a los Estados Unidos las noticias de la rendición de la Isla de Java. En ese mismo día, Anne Miller, una paciente de 33 años que sufría una septicemia producida por un estreptococo fue tratada con penicilina. En 48 horas, la fiebre bajo de 41º a 36'5º C y el microorganismo dejo de estar presente en los cultivos a partir de muestras sanguíneas. Uno de los médicos que la trataba musitó - Magia Negra- cuando vio los resultados. Esta vez hubo suficiente medicamento para conseguir su completa recuperación, aunque nuevamente tuvo que volverse a repurificar la penicilina de la orina del paciente, pues se había gastado la mitad del stock que había disponible en todos los Estados Unidos. Sin embargo el éxito impulsó definitivamente el esfuerzo investigador.





Hongo Penicillium creciendo sobre un melón cantalope


Recreación del hallazgo de Mary Hunt (USDA)


El segundo camino que se siguió para incrementar la producción fue encontrar un hongo que produjera más penicilina que el Penicillium notatum que Florey y Heartley habían traído desde Gran Bretaña. Moyer dio instrucciones para que toda muestra o material que contuviera hongos fuera mandada a su laboratorio. Allí, las muestras eran procesadas por una técnico de laboratorio llamada Mary Hunt. Como la pobre se pasaba todo el día analizando mohos se la llegó a conocer como Mouldy Mary (María la Mohosa). Llegó a analizar más de un millar de mohos sin éxito. Un día estaba haciendo la compra en el supermercado que estaba al lado de su casa y tomó un melón de tipo cantalope con un precioso moho de color dorado creciendo. El tendero se ofreció a cambiárselo, pero Mary lo compró gustosa y se lo llevó al laboratorio. Allí encontró que el hongo era mucho mejor productor de penicilina que P. notatum, y que se trataba de una especie distinta: P. chrysogenum (*) . La capacidad de producción se incrementó hasta alcanzar los 60.000 gramos al mes, de tal manera que los aliados dispusieron de más de dos millones de dosis para el día que desembarcaron en Normandía. Se ha calculado que el uso de penicilina salvó a un 15% de soldados aliados heridos en dicha batalla.



Cuadro de 1944 pintado por Ethel Gabain de una niña herida en un bombardeo tratada con penicilina.



P. chrysogenum presentaba una ventaja añadida. Ya hemos visto más arriba que la aerobiosis era esencial para el crecimiento del hongo y la producción de penicilina. Una forma de incrementar la cantidad de aire disuelta en un medio de cultivo es agitar dicho medio. Pero la agitación destruía los micelios e impedía crecer al hongo. Moyer probó a crecer P. chrysogenum en agitación y comprobó que este hongo no sólo podía crecer y producir penicilina en agitación, sino que además su rendimiento aumentaba en esas condiciones. En diciembre de 1944, mientras en Europa se luchaba en la batalla de las Árdenas, los estadounidenses inauguraban la primera planta de producción de penicilina a partir de un fermentador con agitación y la capacidad de síntesis aumentó hasta alcanzar los 390.000 gramos al mes. Como uno puede imaginarse, los precios de dicho medicamento bajaron en consonancia. Mientras que en 1940 el precio por dosis era incalculable, en 1943 el precio había bajado a los 20 dólares. Después de la IIGM su precio era ligeramente superior a medio dólar.






Unidad de producción de penicilina de la compañía Merck. Fotografía de 1945. Fuente




La historia para conseguir aumentar el rendimiento en la producción de penicilina continuó después de la guerra, pero esa historia la contaré en otra ocasión.



Ir a la Primera Parte


Aquí el enlace a otro vídeo sobre la producción de penicilina durante la 2GM.

(*) En 1977 hubo una reordenación taxonómica y P. notatum pasó a considerarse como perteneciente a la especie P. chrysogenum.


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martes, 1 de septiembre de 2009

No hay mal que por bien no venga (1ª parte)

Cartel de propaganda de la II Guerra Mundial. Origen de la imagen: Explore History



Cualquiera que en estos días, haya escuchado un boletín informativo o leído un periódico, sabrá que se cumple el 70º aniversario de la Segunda Guerra Mundial. Ese desgraciado acontecimiento histórico demostró que una de las cosas que mejor sabemos hacer los seres humanos es aniquilar a nuestros semejantes con una eficiencia asombrosa. Pero como reza el título, no todo fue malo. El conflicto aceleró la investigación en un aspecto tecnológico que supuso uno de los mayores cambios de la salud pública mundial. Se trata de la producción en masa de antibióticos.

En 1928 Fleming descubrió la capacidad del hongo Penicillium de producir una sustancia que mataba a las bacterias y que bautizó con el nombre de penicilina. Sin embargo, la capacidad antimicrobiana de dicho compuesto parecía estar destinada a convertirse en una nota al pie de página de los libros de microbiología, pues su purificación era un proceso laborioso y extremadamente caro. De hecho, el propio Fleming abandonó dicha línea de investigación. El testigo lo retomó el científico australiano Howard Florey, junto con sus colegas Ernst Boris Chain (*) y Norman Heatley.



Howard Florey y Ernst Boris Chain (Fuente: Universidad de Wisconsin)


Lo curioso es que ni Florey ni Chain abordaron el problema de la purificación de la penicilina como una forma de producir un agente terapéutico que salvara vidas humanas. Ellos mismos reconocieron que se trató de una cuestión puramente científica. Una de las primeras dificultades con la que se encontraron fue responder a una sencilla pregunta: - ¿Qué era la penicilina?- Fleming había utilizado el término para referirse al caldo con propiedades antibacterianas sobre el cual había crecido Penicillium. Pero no se sabía si era un sólo compuesto o una mezcla de sustancias. Inicialmente pensaron que la penicilina era algo parecido a la lisozima, otro descubrimiento de Fleming. Ambas perdían su capacidad antibacteriana cuando eran tratadas con éter. Decidieron repartirse la tarea de forma que Florey se encargaría de estudiar las propiedades biológicas, mientras que Chain se ocuparía de las propiedades químicas.


Chain se llevó una decepción cuando realizó sus primeros experimentos. La penicilina no era una proteína como la lisozima, sino que era una sustancia de bajo peso molecular capaz de difundir a través de membranas de celofán. Pero en lugar de desanimarse porque su hipótesis inicial había sido errónea, Chain se vio animado por el nuevo problema: caracterizar una sustancia completamente desconocida con un alto potencial antibacteriano pero de gran inestabilidad química.




Norman Heatley (fuente BBC Oxford)



Lo siguiente que realizaron fue determinar en que rango de pH era estable la penicilina. Se encontraron con que era activa entre valores de pH de 5 a 8. Más ácido o más alcalino y el compuesto precipitaba. Pero Heatley encontró que era posible reactivar gran parte de la penicilina si el pH volvía a ser neutro. Esta observación les permitió desarrollar una primera etapa de concentración y es la base del proceso actual de purificación de penicilina. Las soluciones conteniendo penicilina se acidificaban, lo que producía una precipitación de la sustancia. Luego eran redisueltas en una solución a menor volumen a pH neutro. Mediante una posterior liofilización, obtenían un polvillo blanco con capacidad antimicrobiana.



Uno de los matraces del grupo de Florey en los que puede observarse el precipitado seco que contiene penicilina (Fuente: Museo de la Ciencia de la Universidad de Oxford)


El 25 de mayo de 1940, un día antes de la evacuación de Dunkerke, Florey realizó el experimento que demostró que la penicilina podía ser un poderoso agente terapéutico. A las 11 de la mañana, inoculó a ocho ratones una dosis letal de un cultivo de Streptococcus haemolyticus (ahora lo conocemos por S. pyogenes). Cuatro de ellos fueron tratados con penicilina, los otros con suero fisiológico como control. Heatley, era el más joven del grupo (el becario, vamos), así que le tocó seguir el experimento por la noche. A las 3:45 de la madrugada, tras 16 horas y media, Heatley encontró que los cuatro ratones control habían muerto, mientras que los otros cuatro se mantenían sanos. El 24 de agosto de ese año, en plena Batalla de Inglaterra, apareció un artículo en Lancet describiendo dicho experimento.



Una de las cuñas urinarias usadas por el grupo de Florey para crecer el hongo Penicillium en superficie (Fuente: Museo de la Ciencia de la Universidad de Oxford)



El grupo comprendió que debía probar la penicilina en seres humanos. Claro que un ser humano es 3.000 veces más grande que un ratón. Ahora el problema era ¿Cómo conseguir suficiente caldo conteniendo penicilina? La solución se basó en una experiencia previa. Durante la Primera Guerra Mundial se desarrolló la técnica de cultivo en superficie para el moho Aspergillus niger para producir ácido cítrico. Así que se hizo lo mismo para Penicillium. Pero al estar en tiempos de guerra había racionamiento de materiales por lo que no podían encontrar recipientes de un material adecuado que aguantara un proceso de esterilización. Hatley encontró la solución. Uso cuñas urinarias de cerámica pues no había escasez de ellas debido a la guerra (posteriormente modificó el diseño). Las cuñas se llenaba con un caldo de cultivo y se inoculaba el hongo. Éste crecía en la superficie de dicho caldo y la penicilina se iba acumulando en el medio. Desgraciadamente, la penicilina no se producía en las mismas cantidades que las del ácido cítrico. Las cantidades obtenidas eran mínimas. En febrero de 1941, mientras el general Rommel ponía el pie en África, se realizó el primer tratamiento de un ser humano con penicilina. Para ello se utilizó todo el stock que existía Reino Unido, y éste era de menos de medio gramo pobremente purificado, (una cantidad normal en cualquier píldora actual). La penicilina que se le inyectó al paciente se volvía a purificar de la orina para volver a ser reutilizada. A pesar de todos esos esfuerzos, el paciente murió un mes después tras ser agotado todo el medicamento disponible. Aún quedaba un largo camino por recorrer.



Mejora del diseño de los frascos para el crecimiento de Penicillium en superficie (Fuente: Museo de la Ciencia de la Universidad de Oxford)


(*) Ernst Boris Chain era un químico alemán de origen judío que abandonó su país en 1933, año en el que Hitler llegó al poder. Fue uno de los muchos científicos que abandonaron la Alemania nazi y que se fueron a trabajar a los países aliados. Por ello son conocidos como "El regalo de Hitler".




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