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domingo, 28 de febrero de 2010

Microbiología "Avatar" Style

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Bueno, pues yo también voy a hablar de la película "Avatar" que nunca viene mal que te aumente el número de visitantes.

Sin entrar en el aspecto cinematográfico y artístico, hay varios blogs y páginas que se han dedicado a las facetas científicas de dicha película. La mayor parte de ellos lidian con los aspectos de la física, aunque también los hay que han tratado los aspectos biológicos y evolutivos. La verdad es que si uno se pone en plan biofriki hay muchas cosas que discutir: ¿Por qué los Na'vi son azules? ¿Cómo surgió el puerto USB biológico? ¿Por qué los Na'vi son humanoides con cuatro extremidades mientras que el resto de la fauna de Pandora tienen seis? etc. Pero desde mi punto de vista, el principal hecho biológico es que el planeta Pandora es una recreación de la hipótesis Gaia.




No es la primera vez que dicha hipótesis ha aparecido en la Ciencia-Ficción. En la obra "Mundo Anillo" se habla por primera vez del mundo de los girasoles, una variación del "mundo de las margaritas" postulado por Lovelock. También Asimov y Orson Scott Card han utilizado la hipótesis Gaia en sus obras. Personalmente opino que Gaia aún debe de considerarse como una "hipótesis" y que todavía faltan observaciones y, sobre todo, experimentos que permitan coroborrarla y así considerarla una "teoría". De hecho, dicha hipótesis no casa muy bien con la actual teoría evolutiva y con otros datos geológicos. Lo bueno que tiene la hipótesis Gaia es ha permitido considerar un enfoque más holístico en el abordaje de algunos problemas biológicos. Lo malo, que muchos se la han tomado como una especie de religión debido a su carácter teleológico.



Pandora (fuente: Mundo Troodon)



James Cameron imagina que toda la biosfera de Pandora puede interconectarse entre sí. En el caso de la fauna todos los animales parecen poseer unas extensiones con un puerto USB biológico en su interior. Los leonopteros, los prolemures o los tanatores tienen dos de esas conexiones, pero los Na'vis solo poseen una en forma de estilosa trenza. La flora en cambio presenta una especie de micorrizas bioluminiscentes para efectuar dicha conexión. Llegado el caso, la conexión es tan efectiva que la biosfera de Pandora se comporta como un mega-superorganismo capaz de actuar frente a amenazas externas como los terrícolas.



El famoso puerto USB biológico que permite conectarse a toda la biosfera de Pandora (fuente: Mundo Troodon)


El comportamiento de Pandora como superorganismo es bastante diferente al de los superorganismos terrícolas. Los ejemplos típicos de superorganismo terrícola son los hormigueros y las colmenas. En ellos la colonia lo es todo y los individuos que forman parte de ella tienen sus tareas asignadas desde su nacimiento. Hay obreras que trabajan por la colonia, soldados que defienden la colonia y reinas que reproducen la colonia. Pero, salvo en películas como "Hormigaz" o "Bichos", nunca veremos a las obreras pelearse entre sí o con los soldados y las reinas. En cambio, en Pandora, cada ser vivo se comporta de manera darwiniana (comer o ser comido, dejar descendencia) durante casi toda la película, y sólo cooperan cuando el planeta se siente amenazado. En ese sentido, el superorganismo Pandora se comporta de forma parecida a una sociedad humana. Los miembros de una misma sociedad pueden competir por los recursos, pero pueden cooperar si se sienten amenazados.




Un superorganismo terrícola en acción. Fotograma de la película "Hormigaz" (Antz) (fuente: Filmscliponline)


Bueno, el caso es que parece haberse encontrado un nuevo tipo de superorganismo en el planeta Tierra. Lars Peter Nielsen y su grupo de la Universidad de Aarhus en Dinamarca han encontrado que las comunidades de bacterias oxidadoras del azufre que se encuentran en el interior de los sedimentos marinos parecen estar conectadas por una red de nanocables proteicos con las comunidades aeróbicas de la superficie de dichos sedimentos. Esos filamentos permitirían el transporte de electrones entre las diferentes comunidades microbianas a través de la distancia, lo que permitiría que los microorganismos vivan en una simbiosis eléctrica. Según Nielsen, el descubrimiento "es casi mágico... pero no creo que haya mucho "espíritu" en la red que tenemos aquí. Puede ser tan sólo energía. Pero hay una conexión."

Como en otras ocasiones en la historia de la ciencia, el descubrimiento se ha hecho casi por casualidad. El grupo de Nielsen estaba interesado en el estudio de la actividad química de las bacterias del azufre que se encuentran en los fondos de la bahía de Aarhus. Así que establecieron un control negativo que consistía en un matraz conteniendo agua marina y sedimentos libres de bacterias del azufre para compararlo con matraces que contenían a dichas bacterias. Una vez acabado el experimento los matraces se dejaron apartados. Al cabo de unas semanas notaron que los sedimentos en dichos matraces cambiaban de color, lo que indicaba que había una actividad química en ellos.



El profesor Lars Peter Nielsen. A la derecha puede verse el aspecto de los sedimentos estudiados. El aspecto negruzco del fondo es debido a la presencia de materia orgánica y de sulfuros metálicos. (fuente: Wired)


Los investigadores notaron que si cambiaban los niveles de oxígeno presentes en la superficie del sedimento al cabo de pocos minutos se producía una fluctuación en la actividad microbiana de las capas inferiores del mismo. La distancia entre la superficie y el fondo era tan sólo de un par de centímetros. No parece mucho para nosotros, pero para un microorganismo del tamaño de una micra sería una distancia equivalente a 20 kilómetros. La distancia era demasiado grande para que dichos cambios se explicaran debido a un transporte químico o a una difusión molecular. Las fluctuaciones eran debidas a otra causa.

Se especuló sobre la posibilidad de que hubiera una conexión entre las comunidades bacterianas presentes entre las distintas capas del sedimento. Cualquier cosa que afectara a los microorganismos aerobios de la superficie sedimentaria debería afectar a los microorganismos del azufre que se encontraran debajo. Hasta ahí, nada que no se haya visto antes en ecología microbiana. Pero la rapidez de la conexión sólo se explicaba si ésta era de naturaleza eléctrica. Dicha hipótesis fue propuesta hace algún tiempo, pero es la primera vez que se ha encontrado una evidencia experimental.


Microfotografía electrónica mostrando bacterias de la especie Shewanella onediensis conectadas por nanocables. Se está intentando utilizar dicha propiedad para la construcción de biobaterias (fuente).




Nielsen y su grupo han publicado sus resultados en un reciente artículo de la revista Nature. Incluso han merecido un comentario por parte del equipo editorial. Allí describen como el consumo de oxígeno en la superficie del sedimento se puede acoplar mediante una corriente eléctrica con la oxidación del sulfuro de hidrógeno (H2S) y de compuestos de carbono orgánico presentes en los sedimentos profundos anóxicos. Estaríamos delante de una gran geobiobatería eléctrica. Han encontrado que más del 40% del consumo de oxígeno que sucede en la superficie se debe a los electrones transportados desde la zona anóxica. Es decir, en este sistema las capas superiores "respiran" por el todo, mientras que las capas inferiores "comen" por el todo.


En el esquema se representa como funcionaría la geobiobatería mediante el acoplamiento de unas reacciones de oxidación-reducción. En las profundidades anóxicas tendríamos comunidades microbianas que oxidarían el sulfuro de hidrógeno. Los electrones generados en dicha reacción viajarían a traves de los nanocables hasta las comunidades microbianas de la superficie aeróbica. Los electrones reducirían las moléculas de oxígeno que junto con los protones (H+) generarían agua como producto final, (fuente).



Aún falta por confirmar una cosa. ¿Qué material transporta a los electrones? Los autores proponen que el transporte se realiza gracias a unos nanocables formados por proteínas y pirita (Fe2S), pero aunque estos nanocables se han descrito para Geobacter, en este caso no se han observado. Lo cierto es que si se confirma esta observación se habrá añadido una nueva dimensión al entendimiento de los ciclos biogeoquímicos y de la ecología microbiana.


Bibliografía:

ResearchBlogging.org

Nielsen, L., Risgaard-Petersen, N., Fossing, H., Christensen, P., & Sayama, M. (2010). Electric currents couple spatially separated biogeochemical processes in marine sediment Nature, 463 (7284), 1071-1074 DOI: 10.1038/nature08790

Sanderson, K. (2010). Bacteria buzzing in the seabed Nature DOI: 10.1038/news.2010.90

Audios 1 y 2 en "El podcast del microbio"

martes, 23 de febrero de 2010

Minimalismo microbiano

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Aspecto de la cianobacteria UCYN-A, un importante fijador del nitrógeno en ambientes marinos (fuente).


Volvemos con la fotosíntesis y las cianobacterias. Un grupo investigador de la Universidad de California Santa Cruz liderdo por el microbiólogo Jonathan Zehr, ha publicado un artículo en la revista Nature sobre la secuenciación del genoma de una cianobacteria que presenta varias peculiaridades.

La primera, el microorganismo no ha sido aislado y crecido en el laboratorio por lo que aún no tiene nombre oficial sino que se le sigue llamando por el apodo UCYN-A (*). Se ha utilizado una combinación de técnicas metagenómicas y de citometría de flujo para conseguir dichos resultados.

La segunda, UCYN-A es un microorganismo muy abundante en mares tropicales y sub-tropicales, siendo uno de los principales responsables del proceso de fijación del nitrógeno en los ambientes marinos

Y la tercera. Como cianobacteria es un microorganismo fotosintético, pero al contrario que otras cianobacterias, UCYN-A no realiza la fotosíntesis oxigénica, ni tampoco es un microorganismo autótrofo.

Cuando se estudian las cianobacterias se explica que estos microorganismos son fotoautótrofos. Es decir, mediante la fotosíntesis transforman la luz en energía química y gracias a esa energía pueden usar el CO2 para sintetizar sus compuestos orgánicos. Sin embargo se suele obviar que también realizan otra importante función. Gracias a esa energía química son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico lo que quiere decir que toman una molécula de N2, la rompen y la transforman en dos moléculas de NH3 que puede ser integrado en las rutas metabólicas y así sintetizar aminoácidos y ácidos nucleicos. La enzima clave del proceso de fijación del nitrógeno es la nitrogenasa y esta enzima es muy sensible a la presencia de oxígeno (O2). Si está dicho gas presente, la enzima se inactiva irreversiblemente.





Esquema de la reacción llevada a cabo por la enzima nitrogenasa. La fijación del nitrógeno es una de las reacciones más costosas desde el punto de vista energético (fuente).




La fotosíntesis de las cianobacterias es la llamada fotosíntesis oxigénica. En esta fotosíntesis se utilizan dos fotosistemas acoplados y en la etapa final del proceso se produce oxígeno. Y aquí tenemos un problema. Por un lado la fotosíntesis produce oxígeno y por otro el oxígeno inhibe la fijación del nitrógeno. ¿Cómo solucionarlo?

Las cianobacterias han encontrado dos soluciones fundamentalmente. La más sencilla es por el día fotosintetizar y producir oxígeno, y por la noche fijar nitrógeno. Otra solución es separar físicamente ambos procesos. En la cianobacteria Anabaena podemos encontrar dos tipos de células, las vegetativas y los cistes. En las primeras se produce la fotosíntesis y el oxígeno, en el segundo tipo encontramos una célula de paredes engrosadas que evita que entre dicho gas y así puede llevarse a cabo la fijación del nitrógeno. Pues bien, UCYN-A ha encontrado otra solución. Realizar la fotosíntesis pero sin producir oxígeno.




Microfotografía del género Anabaena. El ciste fijador del nitrógeno es la célula de paredes engrosadas (fuente).



El tipo de fotosíntesis que realiza UCYN-A es la llamada fotosíntesis anoxigénica. Para realizarla solo necesitas un fotosistema, por lo que evolutivamente hablando apareció antes que la fotosíntesis oxigénica que necesita dos fotosistemas. Pero el caso de UCYN-A es distinto porque es una cianobacteria. Lo que ha ocurrido es que el ancestro de UCYN-A tenía los dos fotosistemas y en algún momento perdió la capacidad de sintetizar el segundo fotosistema, perdiendo la capacidad de producir oxígeno, pero permitiendo la capacidad de fijar nitrógeno mucho más eficientemente durante todo el día.




Comparación del flujo de electrones en la fotosíntesis anoxigénica y la oxigénica. La primera sólo tiene un fotosistema (P700) y es la típica que podemos encontrar en bacterias verdes o en bacterias rojas del azufre. En la oxigénica se acoplan dos fotosistemas (P700 y P680) por lo que se produce la fotolisis del agua y se libera oxígeno. La cianobacteria UCYN-A ha perdido el fotosistema P680 y por ello su fotosíntesis es anoxigénica. (Fuente)



El asunto es que UCYN-A no ha parado de perder capacidades metabólicas. No sólo no produce oxígeno, sino que también ha dejado de necesitarlo y por ello carece de la ruta del ciclo de Krebs. Tampoco presenta ciclo de la Urea. Adicionalmente, al perder el acoplamiento entre fotosistemas no consigue tanta energía química a partir de la luz solar, y el proceso de fijación del nitrógeno requiere mucha energía para funcionar, así que también ha perdido el ciclo de Calvin por lo que no puede usar el CO2, y para colmo ha perdido la capacidad de biosintetizar 10 de los 20 aminoácidos. Es decir, UCYN-A ya no es un microorganismo autótrofo.




Esquema de las rutas metabólicas presentes en UCYN-A. En la membrana se representa un único fotosistema asociado a la cadena de transporte de electrones y a una ATPasa de membrana. En el interior flatarían las rutas metabólicas del ciclo de Krebs (TCA) del ciclo de Calvin y de la Urea (círculos con punteado rojo). Adaptado a partir de Tripp et al.


En palabras de James Tripp, el investigador que encabeza el artículo, los análisis bioinformáticos de su genoma indican que este microorganismo debe de tener algún tipo de fuente externa donde obtener azúcares, aminoácidos y dos de las purinas para hacer su DNA. Pero aún se desconoce cuál es esa fuente. Veremos que sorpresas nos depara el futuro.


(*) El nombre de UCYN-A parece provenir de Unicellular Cyanobacteria Nitrogen-fixing - Aloha. Y es que esta cianobacteria fue hallada por primera vez en el archipiélago de las Hawai.


Otros enlaces relacionados:

Fijación Biológica de N2, relación CO2/O2 del medio y producción vegetal



ResearchBlogging.orgTripp, H., Bench, S., Turk, K., Foster, R., Desany, B., Niazi, F., Affourtit, J., & Zehr, J. (2010). Metabolic streamlining in an open-ocean nitrogen-fixing cyanobacterium Nature DOI: 10.1038/nature08786

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viernes, 19 de febrero de 2010

Investigar es invertir en futuro

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Desde el blog "Laboratorio del Metabolismo del Nitrógeno" llega esta información. Es probable que no sirva de mucho, pero también es cierto que el que no llora no mama. Así que por favor, difundirla lo más que podais.








Y a continuación el manifiesto:

La investigación y la innovación son cruciales para el desarrollo y el bienestar de la sociedad, especialmente en tiempos de crisis. En estos momentos se está demostrando que la supuesta prosperidad que daba el ladrillo no era sino pan para ayer y hambre para hoy, y la economía española sigue inmersa en la crisis de la que han salido ya varios países vecinos, que han optado por un modelo económico más sólido.

En este contexto de crisis, tras una década de complacencia, se empezó a hablar con urgencia de la necesidad de un cambio de modelo en pos de una economía sostenible. Sin embargo, observamos, alarmados y con desazón, que la inversión en investigación y desarrollo es el primer "daño colateral" en las finanzas del Estado, a pesar de que sólo dedicamos a Investigación+Desarrollo+innovación (I+D+i) el 1’35% del PIB1, frente al 2% que se había marcado el PSOE como objetivo para el año 20102 o el 3% que fija como meta la Agenda de Lisboa y el Objetivo de Barcelona 3,4,5, cifra que ya es notablemente inferior a la inversión actual de nuestros vecinos del norte de Europa6.

El daño no se limita al Gobierno central y sus presupuestos, pues la gran mayoría de las Comunidades Autónomas también ha recortado los recursos destinados a investigación o a universidades, en algunos casos en un porcentaje muy elevado. Un colectivo muy afectado por este "tijeretazo" será el de los aspirantes a entrar en la carrera investigadora y, especialmente, el de los científicos con contrato temporal, que verán en muchos casos como éste no se renueva, después de todos sus años de trabajo, durante un proceso de formación y perfeccionamiento continuo financiado en gran parte por el Estado, que desaprovecha así su inversión.

El sector científico fue totalmente marginado de las medidas anticrisis, cuando un Plan-E7 consagrado a la Investigación y a las infraestructuras científicas podría haber cumplido los mismos objetivos que el efectivamente realizado y haber supuesto un salto cualitativo aprovechable en años posteriores, a diferencia de muchas de las obras que fueron financiadas por el Gobierno central. Del mismo modo, el aumento del paro debería haber impulsado un programa nacional urgente de formación de investigadores y técnicos y de reciclaje de trabajadores de sectores excedentes; además, hubiese sido un excelente momento para impulsar las actividades de I+D+i en el sector privado, especialmente en las PYMES, las más afectadas por la crisis. Oportunidades para conjuntar estímulo y avance de la ciencia y la tecnología no faltan.
Así, en lugar de esforzarse por obtener recursos e idear medidas de estímulo a la I+D+i, ésta ha sido la principal sufridora de la “austeridad”, lo que implicará, necesariamente, que no se puedan cumplir muchas metas. Por detrás de algo que puede sonar tan abstracto como sistema de I+D+i, se esconden cosas tan concretas como la investigación del cambio climático, el descubrimiento de nuevos medicamentos, la optimización energética y el desarrollo de fuentes de energía alternativas, la lucha contra el cáncer, etc. El recorte financiero implicará necesariamente un retraso en estas y otras investigaciones.

Esta amenaza coyuntural, muy preocupante por sí sola, se ve agravada en gran medida porque el sistema científico español adolece de una serie de males estructurales, endémicos, que, en el mejor de los casos, son parcheados de un modo deficiente. Entre estos, podemos señalar:

1.Cambio continuo de los responsables burocráticos y de las estructuras de gestión de la investigación.
2.Falta de un calendario fijo de convocatorias de los diversos programas de ayudas a grupos y proyectos de investigación y atrasos burocráticos en su concesión.
3.Ausencia de continuidad y estabilidad en los programas de Recursos Humanos, con continuos cambios en las fechas de las convocatorias y reiteradas dilaciones en la resolución.
4.Arbitrariedad y falta de planificación en los sistemas de selección, promoción y estabilización, que implican la carencia de una política de RRHH sólida, competitiva y con un proyecto a largo plazo.
5.Paralización de la nueva Ley de la Ciencia y de diversas iniciativas legislativas (EPDI8, PL-A9, PL-FJI10, necesarias para la regulación de las figuras de las diversas carreras del sistema científico (gestora, docente, técnica e investigadora).

La comunidad científica ha expresado su más firme rechazo ante una situación que es insostenible. Creemos que es necesario mostrar nuestro malestar por esta situación y que es hora de salir a la calle y transmitir un mensaje claro, directo y contundente al Gobierno central, a los diferentes gobiernos autonómicos y a toda la sociedad española.


•Exigimos una apuesta clara y decidida por una sociedad basada en la investigación y el desarrollo como pilares de futuro, mediante un Pacto de Estado por la Ciencia y la Investigación. Exigimos un compromiso real, escrito y a largo plazo de los partidos políticos, con participación de los diferentes agentes sociales implicados y de las Comunidades Autónomas, para dotar de estabilidad y proyección al sistema científico español.


•Exigimos un incremento real (no basado en créditos reembolsables) de los recursos públicos y privados en el sector de I+D+i, de modo que en el plazo más corto posible se iguale la media europea en % de PIB y que se supere esa cifra en un plazo no superior a diez años, de forma que la economía española se convierta en un motor sólido y estable, a la altura de las potencias más desarrolladas. Así mismo, se han de evaluar y revisar, de acuerdo con los resultados o las políticas estratégicas, las subvenciones públicas al sector privado de I+D+i.


•Exigimos el diseño de una carrera investigadora basada en la planificación racional de las etapas y en la profesionalización digna de los diferentes estamentos del sistema científico, y que vaya acompañada de una política de recursos humanos rigurosa y coherente que favorezca la estabilización de los investigadores que hayan superado las evaluaciones oportunas y la promoción del personal debidamente examinado y acreditado.

Por todo esto, las diferentes asociaciones, sociedades, sindicatos, grupos e investigadores abajo firmantes creemos que es el momento de que toda la comunidad científica (gestores, docentes, técnicos y científicos) y la sociedad en general se unan en una gran movilización para lanzar un fuerte mensaje al gobierno estatal y a los gobiernos autonómicos: es necesario que todos juntos apostemos clara y decididamente por la ciencia y la innovación en este país.

miércoles, 17 de febrero de 2010

Microbios divinos

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El dios maya del cacao. Las formas ovaladas que le rodean son el fruto del árbol. (fuente)


Theobroma cacao es la denominación científica del árbol del cacao, y lo que significa su nombre genérico es "alimento de los dioses" (del griego theo: dios; y broma: alimento). Si se coge un fruto de dicho árbol y lo abrimos, encontraremos en su interior unas semillas blanquecinas recubiertas de una pulpa pegajosa de sabor dulzón. Si uno se lo lleva a la boca una de esas semillas y la muerde le aseguró que no tendrá una experiencia agradable. Su sabor es muy amargo y desagradable. El fruto necesita ser fermentado y procesado para elaborar el chocolate.



A la izquierda puede verse el aspecto externo de la vaina del cacao. En el centro una vaina abierta mostrando las judías y la pulpa antes de ser fermentadas y secadas. Debajo de ella puede verse el aspecto de las judias secas. A la derecha se muestra el alimento compeltamente procesado: el chocolate. (fuente)



Los que descubrieron la fermentación del cacao fueron los indios mesoamericanos hace unos 3.000 años. Dicho proceso casi no ha sufrido modificaciones desde entonces. El árbol del cacao produce unas grandes vainas que contienen entre 30 a 40 semillas rodeadas por una pulpa pegajosa. A las semillas se las conoce generalmente como "judías". Cuando las vainas están maduras se recolectan y se cortan con un machete liberando la pulpa y las semillas para que la fermentación comience lo antes posible. Las vainas así cortadas se amontonan. Tradicionalmente se cubrían los montones con hojas de banano, pero cada vez más frecuentemente se almacenan en unas cámaras de calentamiento para dejarlas fermentar. La inoculación de los microorganismos se produce de forma natural. Es decir, es la microflora de la vaina, de los machetes y de las manos de los trabajadores la que va a producir la fermentación. Los primeros microorganismos que comienzan a crecer son levaduras, en concreto Candida rugosa, Kluyveromyces marxianus y por supuesto Sacharomyces cereviseae. Estas levaduras comienzan a degradar la pectina que rodea a las judías, además de comenzar a fermentar los azúcares de la pulpa produciendo etanol y CO2.




Variación de la composición de la pulpa del cacao durante la fermentación. (fuente)



Debido a la fermentación se produce un calentamiento de la mezcla que provoca la germinación de las semillas. Cuando esto sucede, la planta activa unos genes que sintetizarán enzimas proteolíticas y amilolíticas que comenzarán a degradar los polipéptidos y polisacáridos de reserva de la semilla. La mezcla se remueve para asegurar la homogenización y la aireación. Según avanza el proceso fermentativo la temperatura se va incrementando llegando a alcanzar los 50ºC. Esta temperatura provoca que las levaduras dejen de crecer y sean sustituidas por bacterias lácticas de los géneros Lactobacillus y Streptococcus. Es decir, el crecimiento de un microorganismo cambia las condiciones ambientales permitiendo que otro microorganismo pueda crecer, es lo que se conoce como una sucesión microbiana. El crecimiento de las bacterias lácticas provoca una bajada del pH, que junto con la aireación permite el crecimiento de bacterias acéticas de los géneros Acetobacter y Gluconobacter, que aprovechan el etanol para producir ácido acético.




Sucesión microbiana durante los días que dura la fermentación del cacao. (fuente)



Este es un punto clave del proceso. El acético provoca una bajada mayor del pH que junto con el calor de la fermentación, acaba matando a los brotes del interior de las semillas pero no inactiva a las enzimas líticas que han sido producidas por dichos brotes. Estas enzimas siguen funcionando y degradando los polímeros presentes en las judías y en la pulpa originando péptidos y carbohidratos que contribuirán al sabor final del chocolate. Además, los microorganismos presentes en la fermentación originan ésteres del acetato a partir del acético, que darán al chocolate su peculiar sabor.


La fermentación dura unos 5 a 7 días y al final de dicho proceso podemos tener una concentración de hasta 108 microorganismos por gramo. Si la fermentación se para muy pronto el chocolate será demasiado amargo. Si se pasa, el pH comienza a aumentar y esto permite que crezcan microorganismos como Bacillus o Aspergillus, con grandes capacidades degradativas ya que producen proteasas y lipasas. En ese caso tenemos un problema porque las lipasas comienzan a destruir las semillas liberando ácidos grasos de cadena corta lo que provocará la aparición de sabores extraños. Si se permite proseguir la fermentación el pH se va acercando a 7 lo que permite el crecimiento de Pseudomonas, Enterobacter y Escherichia, lo que puede echar a perder todo el producto.



Sucesión de los diferentes grupos microbianos de la fermentación del cacao. La fuente de las imágenes está incluida en el texto principal.


Después de la fermentación, las judías se esparcen para secarlas. Tradicionalmente se hace al sol, pero también se usan hornos de secado. En estas condiciones se favorece el crecimiento del hongo miceliar Geotrichium, que transforma el ácido láctico en succínico. Durante el secado las judías adquieren un color marrón. Es en esta forma como son exportadas desde los países productores a los países fabricantes de chocolate.




Secado de las judías del cacao (fuente)



Cuando llegan las judías a las fábricas se tuestan a 121ºC, lo que reduce aún más el gusto amargo al producirse reacciones de caramelización (reacciones de Maillard). Además, con esto se consigue eliminar a los microorganismos presentes en las semillas. Las judías se muelen y el resultado es cribado para separar los pellejos de los cotiledones. Los pellejos suelen ser usados para el compostaje o para elaborar mantecas de cacao de baja calidad. Los cotiledones se llevan a unos molinos para ser triturados a una temperatura de unos 70ºC durante unas 48 horas. Con este proceso se consigue que la manteca de cacao se licúe y libere del interior. Al finalizar tenemos una suspensión formada por la manteca y los sólidos de la judía conocida como "licor de cacao". Esta suspensión puede ser usada para alimentación pero para la elaboración del chocolate se debe de separar la fase sólida de la manteca, calentando a 100ºC y realizando un prensado y filtrado posterior.




Maquina tradicional para la molienda del cacao (fuente)



La manteca tiene un aspecto amarillento y puede ser usada, además de para alimentación, para la elaboración de cosméticos. A los sólidos se les conoce como pasta de cacao y es donde reside casi todo el sabor del alimento. Sin embargo en ese estado es completamente indigerible. La pasta es molida para ser usada posteriormente. El chocolate es una mezcla de manteca de cacao, pasta de cacao y azúcar. A mayor proporción de pasta y menor cantidad de azúcar, mejor calidad del chocolate. Pero en esta parte final también es muy importante el proceso de mezcla de esos tres componentes. En primer lugar viene el conchado, la mezcla caliente se bate durante varias horas o días, pues la fricción y el calor liberan compuestos volátiles que mejorarán el sabor. El nombre le viene dado porque las antiguas artesas diseñadas por Rodolphe Lindt, donde se llevaba a cabo la operación, tenían forma de concha. El último paso es el proceso de templado. Cuando el chocolate se enfría y solidifica, la manteca se cristaliza. Si no lo hace correctamente el chocolate se vuelve demasiado frágil o demasiado duro. En este proceso, el chocolate fundido a 47ºC se enfría hasta los 27ºC. De esa forma se evita que se formen grandes cristales que causan la fragilidad. Luego se calienta hasta los 31ºC pues esa temperatura las grasas forman un tipo de cristal que dará el aspecto brillante y crujiente característico del chocolate.




Maquina tradicional y moderna para el concheado de chocolate (fuente)



Fuentes bibliográficas:

The microbiology of chocolate
The microbiology of cacao


ResearchBlogging.orgSchwan RF, & Wheals AE (2004). The microbiology of cocoa fermentation and its role in chocolate quality. Critical reviews in food science and nutrition, 44 (4), 205-21 PMID: 15462126

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lunes, 8 de febrero de 2010

Fotosíntesis = Evolución + Teoría Cuántica

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Lo que denominamos fotosíntesis en realidad son dos procesos acoplados. El esquema representa a un cloroplasto, pero también podría valer para explicar lo que ocurre en el interior de una cianobacteria. A la izquierda tenemos la denominada Fase Luminosa en la que la energía de la luz es transformada en energía química. En la parte de la derecha tenemos la Fase Oscura donde se aprovecha la energía química para reducir el CO2 a hidratos de carbono. En las plantas, algas y cianobacterias el donador de electrones e hidrógenos es el agua y por ello se consigue la fotolisis del agua obteniéndose oxígeno como producto residual, por ello se habla de fotosíntesis oxigénica. En otros seres vivos como las bacterias verdes, fotosíntéticos ese donador es distinto y no se produce oxígeno, por lo que se denomina fotosíntesis anoxigénica. (Fuente)


La fotosíntesis permite que ciertos seres vivos, como las plantas, las algas y algunas bacterias, transformen la energía luminosa en energía química. Esa transformación se consigue gracias a los llamados pigmentos fotosíntéticos. El más conocido es la clorofila de las plantas, pero el más abundante es la bacterioclorofila de las bacterias, aunque hay más tipos de pigmentos como las ficobilinas y los carotenos. A nivel molecular el aparato fotosintético consiste en unas 300 moléculas de pigmentos asociados a unas proteínas y dispuestos de una forma bastante especial.



El proceso por el cual la energía de un fotón se transforma en energía química es un ejemplo de cómo aprovechan los seres vivos la física y la química cuántica. Podemos imaginarnos a esos aparatos fotosíntéticos como una especie de embudo con una trampilla en su parte estrecha. La luz sería la lluvia. La trampilla al final del embudo sólo se abre si se acumulan un determinado número de gotas de agua. Una gota en caída libre no tiene suficiente fuerza para abrir la trampilla aunque cayera sobre ella. Cuando se abre la trampilla es cuando hemos conseguido transformar la energía luminosa en energía química.


En la parte ancha del embudo tendríamos lo que se conoce como la antena. La función de los pigmentos allí presentes es capturar fotones. Si una molécula de clorofila absorbe un fotón lo que le ocurre es que pasa a un estado excitado. Eso quiere decir que un electrón ha pasado a un nivel de energía mayor. Pero ese estado excitado es inestable, por lo que el electrón vuelve a su sitio y al hacerlo la molécula de clorofila cede energía que se transfiere a otro pigmento de la antena. Aunque la energía transferida es menor que la que tenía inicialmente el fotón absorbido, la antena consigue que la energía capturada por las diferentes moléculas de clorofila se vea canalizada hacia el centro de reacción, que se encontraría en la parte estrecha del embudo. En ese centro hay dos moléculas de clorofila y son las responsables de la conversión de la energía luminosa en energía química, bien en forma de ATP o bien en forma de un gradiente quimiosmótico de protones. La forma de hacerlo es simple. Cuando le llega la suficiente energía el centro de reacción se ioniza porque se consigue que uno de sus electrones tenga tanta energía que se ve liberado de la molécula a la que pertenece (esto sería la apertura de la trampilla del embudo). Como los pigmentos fotosintéticos se encuentran en una membrana y la separación de cargas ocurre en una de las caras de dicha membrana, lo que tenemos es un gradiente electroquímico, cuya energía puede ser aprovechada por la célula. Esta transferencia de energía está cercana a la eficiencia perfecta. No en vano el proceso ha estado sometido a la presión de la evolución por unos cuantos miles de millones de años.




Esquema del funcionamiento de un Fotosistema. Los pigmentos de la antena son los que captan fotones y canalizan la energía hacia el centro de reacción. (Fuente).


Pero más de uno se ha hecho la siguiente pregunta ¿Por qué la evolución no ha hecho más eficiente al centro de reacción y así hacer que la antena deje de ser necesaria? Volviendo a la analogía del embudo, porqué no crear una trampilla que pueda abrirse con un sólo fotón. Las células no tendrían que gastar recursos en sintetizar los pigmentos y proteínas de la antena. Hay varios motivos para ello.


El primero es que no siempre hay toda la luz que uno quiere. La fotosíntesis debe de funcionar con niveles de luz bajos que generan menos de una excitación electrónica por molécula de clorofila por segundo. La segunda es que las reacciones bioquímicas con las que está asocida la fotosíntesis requieren de varios eventos de transferencia electrónica. Por ejemplo, en la fotosíntesis de las cianobacterias y de las plantas se consigue tanta energía que puede romperse la molécula de agua en protones, electrones y oxígeno molecular. Pero para realizar dicha fotolisis se necesita en un momento dado la energía acumulada de cuatro fotosistemas. Adicionalmente, los fotosistemas permiten modular la cantidad de luz absorbida (lo que se conoce como apagamiento o quenching) evitando daños a la célula.


Finalmente, fabricar un centro de reacción es muy caro. Si un centro de reacción funcionase con un sólo fotón significaría que ese centro de reacción solo reconocería una determinada longitud de onda y no otra. La luz blanca está compuesta por fotones de distintas longitudes de onda. eso significaría que la célula debería fabricar centros de reacción para la luz roja, la luz amarilla, la luz azul, etc. La composición de los pigmentos de la antena permite que pueda haber varios tipos de pigmento que absorban a diferentes longitudes de onda, por lo que el centro de reacción puede ser usado con independencia del tipo de luz.


Es decir, la antena es una solución mucho más versatil y económica que tener simplemente centros de reacción. Así que la siguiente cuestión es ¿cómo han llegado a ser tan eficientes? Por el segundo principio de la termodinámica sabemos que cuando hay una transferencia de energía ésta no es completa. Siempre hay una perdida. Cuanto menor sea esa pérdida muchísimo mayor es la eficiencia del proceso. La fotosíntesis es uno de los procesos más eficientes desde el punto de vista energético. Nunca es menor del 90%. Y eso se consigue gracias a la combinación de varios factores.


El primer factor es que la disposición espacial de las moléculas de pigmento es óptima. Lo suficientemente cerca para permitir la transferencia de energía pero lo suficientemente lejos como para evitar la superposición de orbitales electrónicos que podrían quenchear los estados excitados. El segundo factor es que la organización supramolecular del fotosistema permite una gran cantidad de pautas de conexión para liberar la energía al centro de reacción. El tercer factor ha sido descrito recientemente en un artículo de la revista Nature. Un grupo de investigadores de la Universidad de Toronto han encontrado que las moléculas de pigmento se "cablean" entre sí gracias al fenómeno de coherencia cuántica.




Chroomonas, un alga criptofita (fuente 1 y 2)


Los investigadores han estudiado dos clases de complejos de antena que se encuentran en las algas criptofitas, unas algas eucariotas que viven en aguas dulces y marinas. Las diferentes especies de estas algas presentan antenas con una gran variación en el espectro de absorción de la luz. El principal pigmento fotosintético que contienen es la bilina, y son capaces de modularlo para que absorba a distintas longitudes de onda. Lo que hicieron fue excitar dichos complejos usando pulsos de laser de 25 femtosegundos (1 femtosegundo o fs es 10-15 segundos). De esa forma crearon una superposición de estados electrónicos excitados conocido como un paquete de onda, que evoluciona en el tiempo de acuerdo con la ley de la mecánica cuántica. Estas leyes predicen que un paquete de ondas se comportará de un modo oscilante entre las posiciones a las cuales la excitación está localizada, con distintas correlaciones y anti-correlaciones en fase y amplitud. Sería semejante a una colección de péndulos oscilando de forma coherente. Pero este comportamiento colectivo se va disipando debido a las intereacciones entre las moléculas y el "ruido" molecular debido al ambiente proteico donde se encuentran los pigmentos.



El Fotosistema de la bacteria Rhodopseudomonas acidophila contiene 18 moléculas de pigmento que se disponen formando un círculo. Las moléculas se excitan tras la abosrción de fotones. En el gráfico se muestra la evolución en el tiempo de la probabilidad de que se de una excitación en una determinada posición del complejo tras una excitación con un pulso de láser en el tiempo cero. La probabilidad se representa con la intensidad del color, siendo el azul oscuro el valor de probabilidad cero y el color rojo la probabilidad máxima. El número de cada molécula del anillo está indicado en la parte de abajo. Puede observarse que la excitación oscila entre pequeños grupos de moléculas (círculos blancos)con un período de 350 fs, lo cual es una manifestación del fenómeno de coherencia cuántica. (Fuente)



Ese comportamiento oscilante en respuesta a una excitación laser se había observado antes en una especie pertenceciente a las bacterias verdes del azufre. Sin embargo, dichos experimentos fueron realizados a temperaturas de 77 grados Kelvin, (aproximadamente -196º C). De esa forma se minimizaba la interacción de los pigmentos con otras moléculas de su ambiente y se forzaba a que ocurriesen estos efectos cuánticos. Los actuales experimentos se han realizado a temperatura ambiente, con lo que el fenómeno de coherencia cuantica sucede en condiciones normales. Además han encontrado otros fenómenos. Las oscilaciones debidas a la coherencia cuántica son bastante largas (en el rango de los 400 fs) y afecta a moléculas bastante alejadas entre sí.


¿Que significa esto en términos prácticos? La coherencia cuantica permite que el fotosistema "memorice" el estado de excitación. Así que la transferencia de energía entre las moléculas de pigmento no se produce por saltos al azar, sino que se consigue direccionar preferentemente hacia el centro de reacción, lo que aumenta la eficacia. Para entenderlo volvamos al ejemplo del embudo y la lluvia. Sin coherencia cuantica las paredes del embudo son lisas. Imaginemos que cae una gota y choca con esas paredes lisas. Lo normal es que una vez choque con las paredes, la gota se resbale hacia abajo. Pero por azar podría suceder que la gota golpeara de tal forma que salpicara hacia arriba, perdiendose su energía. Con la coherencia cuantica, las paredes del embudo no son lisas sino que tienen unas canaladuras que obligan a cualquier gota que caiga a ir hacia abajo, nunca salpicarían hacia arriba.


¿Cómo ha conseguido este alga dicha coherencia cuantica en sus fotosistemas? Pues uniendo covalentemente los pigmentos de bilina a las proteínas del complejo. Los investigadores también proponen que la coherencia cuantica también podría "cablear" los aceptores finales de la energía en este tipo de fotosistemas, compensando los débiles acoplamientos electrónicos que se observa entre los pigmentos del complejo.



Modelo estructural de la antena de Chroococcus. Las ocho moléculas de pigmento están coloreadas de rojo, azul y verde. Son diferentes pigmentos por lo que este fotosistema puede absorber fotones con distintas longitudes de onda.(Fuente)



Referencias:

Grondelle y Novoderezhkin 2010
Collini et al. 2010


ResearchBlogging.orgCollini E, Wong CY, Wilk KE, Curmi PM, Brumer P, & Scholes GD (2010). Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. Nature, 463 (7281), 644-7 PMID: 20130647




Esta entrada ha participado en la 4ª edición de "El carnaval de la física"


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viernes, 5 de febrero de 2010

El blues del citoplasma

Ya que estamos de fin de semana aquí dejo algo lúdico.






The Cytoplasm Blues
Copyright 1989 T.H. Culhane
Melodic-Mnemonics


Y aquí os dejo una traducción aproximada

Tengo un núcleo por cerebro
Donde guardo mi DNA
Tengo mis planos escondidos
en genes sobre cromosómicas cadenas

Para ser transcrito a RNA
Contenido dentro de la membrana celular

Bajando a la llanura citoplasmática
Bajando por el camino del Retículo Endoplasmático
Es donde los ribosomas actúan
Produciendo proteínas cada día
Enviadas al muelle del complejo de Golgi
Donde son empaquetadas y lejos mandadas

Bajando donde yace el lisosoma
Un montón de enzimas, tipos siniestros
Que a traves de la digestión ganan el premio
Por romper la comida en pedacitos
Pero estas células aerobias son listas
En la manera de conseguir energía

La mandan a la Mitocondria
Donde se gana la batalla por el ATP
Produciendo energía para que la célula funcione
Porque estas pobres células animales no pueden usar el sol

Porque tenemos que trabajar
Tenemos que Comer
Nos volvemos frenéticos
Tratando de competir
Pero eso es por lo que Vivir
Es taaaaaaaaan divertido
(¡SI!, ¡tienes que creer en las vidas de la célula!)

martes, 2 de febrero de 2010

¿Hacen endosporas las micobacterias? Pues va a ser que no

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El pasado 20 de julio publiqué en el blog la entrada "¿Hacen endosporas las micobacterias?" en la cual describía unas observaciones realmente interesantes y curiosas sobre la posibilidad de que dicho grupo bacteriano desarrollase tan peculiares estructuras. Al final del mismo decía que si finalmente se concluye que el género Mycobacterium es capaz de formar endosporas entonces si que estaremos frente a un cambio paradigmático. Será fascinante observar el desarrollo de esta historia, ya sea para confirmar o rebatir esta primera observación.


Bueno, pues parece que ya tenemos aquí una respuesta a la pregunta y parece ser que la observación inicial no se confirma.


Uno de los grupos de investigación más prestigiosos en el estudio de la biología de Bacillus subtilis y en el proceso de esporulación es el liderado por el Dr. Richard Losick. Supongo que cuando leyó el artículo de Gosh et al. debió de hacer sonar la corneta para poner a su gente a trabajar y confirmar o rebatir las anteriores observaciones. Y vaya que si lo ha hecho. Ha realizado una colaboración con cuatro grupos para que cada uno de manera independiente, repitiesen los experimentos descritos anteriormente. Y los resultados los han publicado en la revista PNAS, la misma que publicó el artículo de Gosh y colaboradores.




Reproducción de la fotografía del artículo de Gosh et al. en la que se veían las supuesats endosporas de Mycobacterium comparándola con la microfotografía de una endospora de Bacillus subtilis. (Fuente)



En primer lugar se pusieron a buscar genes ortólogos para esporulación en especies del género Mycobacterium y Streptomyces. Una de las cosas que les llamó la atención es el extraordinario parecido entre las supuestas endosporas de Mycobacterium con las endosporas de Bacillus. Así que con buen criterio pensaron que unas estructuras tan parecidas bien podrían ser codificadas por genes muy semejantes. Streptomyces fue incluido porque es un género productor de exosporas y, como Mycobacterium, también pertenece al grupo de Bacterias Gram Positivas de alto contenido en G+C. En cambio Bacillus subtilis pertenece al grupo de las de bajo contenido en G+C. En el anterior trabajo se describió que había cuatro genes de esporulación presentes en Mycobacterium. Pero cuatro es un número muy bajo si consideramos que hay doscientos genes involucrados en el complejo proceso de espòrulación. Además, esos cuatro genes no son exclusivos de las Micobacterias, sino que también están presentes en otros grupos que no esporulan. La mayor parte de los genes esenciales para la esporulación están ausentes en los genomas de Mycobacterium y de Streptomyces.



Pero claro, uno siempre puede argumentar que a pesar del extraordinario parecido entre las endosporas de una y otra bacteria, los genes que llevan a cabo el proceso podrían ser muy distintos entre si. Estaríamos hablando de una convergencia evolutiva, pero de un nivel no descrito anteriormente. En una convergencia evolutiva, dos seres vivos llegan a desarrollar estructuras similares análogas pero que tienen distinto origen evolutivo. El ejemplo de libro de texto es el del ala de un ave y el ala de un murciélago. Ambos son extremidades voladoras, pero la primera se desarrolla a partir de toda la extremidad mientras que la segunda a partir de la "mano" del murciélago. Aquí tendríamos dos bacterias que habrían desarrollado la misma estructura de resistencia pero a partir de genes completamente diferentes.



Comparación entre un cultivo de 84 días de Mycobacterium y un cultivo de Bacillus subtilis en el que pueden verse perfectamente las esporas como puntos brillantes debido a su refringencia. (Fuente)



Así que lo siguiente que hicieron fue tratar de reproducir las observaciones de Gosh y sus colaboradores. Tomaron las mismas cepas que se habían utilizado antes y unas nuevas, las inocularon y crecieron en las mismas condiciones y esperaron. Después de 12 semanas fueron incapaces de observar ni una sola espora. No sólo eso. Diseñaron experimentos de "doble ciego". Cultivos de Mycobacterium eran contaminados a proposito con esporas de Bacillus y luego estos se pasaban a otra persona para que los observara al microscopio, pero esta persona desconocía que los cultivos habían sido contaminados. De esa forma se aseguraban si el observador era capaz de ver esporas cuando éstas estaban presentes.



A partir de un cultivo de M. marinum de más de 15 días de edad se tomaron dos inóculos conteniendo 1000 unidades formadoras de colonias cada uno. El de la izquierda fue tratado a 65ºC durante 15 minutos previamente a su inoculación en la placa de Petri. (Fuente)


Finalmente, tampoco han conseguido reproducir la termorresistencia observada por el grupo de Gosh. Esa propiedad era una de las más llamativas observaciones. Desde tiempos de Pasteur se sabía que la cocción de la leche a 65º era una de las formas seguras de eliminar al patógeno de la tuberculosis bovina y evitar su transmisión a los humanos. También han visto que dicha termoresistencia no aparece en microorganismos obtenidos de infecciones latentes en un modelo animal. Una de las hipótesis lanzadas era que las endosporas termorresistentes podrían explicar el fenómeno de la latencia, por el cual el patógeno permanecía latente en los tejidos del hospedador y al cabo del tiempo resurgía. Pues bien, la explicación de la latencia tendrá que esperar, pero lo que es seguro es que no es debida a una termorresistencia que no existe.


Como dicen al final del artículo, o esto es un caso de convergencia evolutiva como nunca antes se había visto, o el grupo de Gosh había trabajado con cultivos contaminados con alguna especie de Bacillus.


Y es que hasta el mejor escribano tiene un borrón.



ResearchBlogging.org
Traag BA, Driks A, Stragier P, Bitter W, Broussard G, Hatfull G, Chu F, Adams KN, Ramakrishnan L, & Losick R (2010). Do mycobacteria produce endospores? Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107 (2), 878-81 PMID: 20080769
Ghosh J, Larsson P, Singh B, Pettersson BM, Islam NM, Sarkar SN, Dasgupta S, & Kirsebom LA (2009). Sporulation in mycobacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106 (26), 10781-6 PMID: 19541637

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