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jueves, 25 de abril de 2013

Cine y bichos: Erin Brockovich


Origen de la imagen: Wikipedia


"Erin Brockovich" es una película biográfica dirigida por Steven Soderbergh y estrenada en el año 2000. Julia Roberts interpretó a Erin, una secretaria de un pequeño bufete de abogados que se convirtió en un moderno "David" al conseguir iniciar y ganar un litigio medioambiental contra un "Goliath" empresarial, la Pacific Gas and Electric Company. Lo que encontró Erin es que esta compañía había contaminado los acuiferos de la pequeña localidad de Hinkley con cromo hexavalente, causando la aparición de diversas enfermedades y males en los habitantes de dicha localidad. En 1996 la compañía fue condenada a pagar 333 millones de dólares en daños, aunque diez años después tuvo que desembolsar otros 295 millones para cubrir otras demandas relacionadas con el evento de contaminación. Hoy en día, la pluma de contaminación sigue migrando y contaminando el subsuelo de Hinkely.

La historia comenzó en 1952. La compañía Pacific Gas & Electric había dispuesto una estación de compresores para el suministro del gas a las localidades de la zona. Los compresores deben de ser refrigerados utilizando unas torres de refrigeración con agua. Para evitar la corrosión se añadía cromo hexavalente al agua (seguramente en forma de dicromato sódico). Este agua era almacenada en unas "balsas" que no habían sido selladas correctamente, con lo que el agua contaminada pudo percolar en el subsuelo y contaminar los acuíferos. Se alcanzaron niveles de 0,58 ppm de cromo hexavalente, cuando el nivel máximo permitido para el cromo, en cualquiera de sus formas y estados de oxidación, es de 0,1 ppm.

¿Y por qué se utiliza cromo hexavalente para evitar la corrosión? Para ello necesito describir la corrosión del metal, un proceso complejo en el que están involucradas la Física, la Química y la Biología. Las protagonistas de este último aspecto son dos tipos de bacterias: las Bacterias Oxidadoras del Hierro y las Bacterias Reductoras del Sulfato, también conocidas como SRB por Sulfate-Reducing Bacteria. Las primeras son aerobias y las segundas son anaerobias.

Imaginémonos una tubería llena de agua. El metal va a reaccionar con ella de manera electroquímica. La superficie metálica será el ánodo y el agua el cátodo. En la superficie metálica lo que ocurre es la oxidación del hierro metálico a ion ferroso. En caso de haber oxígeno disuelto los dos electrones que se producen reaccionan con el agua y el oxígeno formando iones hidroxilo.


Reacción 1


Fe0 → Fe2+ + 2 e-

1/2 O2 + H2O + 2 e- → 2(OH-)



Pero si no hay oxigeno (condiciones anaeróbicas), ocurre algo distinto. El ánodo sigue siendo la superficie metálica, pero los electrones ahora reaccionan con los hidrogeniones presentes en el agua lo que da lugar a la formación de hidrógeno.


Reacción 2


Fe0 → Fe2+ + 2 e-

2 H+ + 2 e- → 2 H2



En realidad estas dos reacciones se dan de manera simultánea, así que el balance final es una suma de las dos como se muestra a continuación:


Reacción 3


Fe0 → Fe2+ + 2 e-

Fe2+ + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2



Imaginemos que en el agua hay alguna bacteria perteneciente a las SRB, lo cual no es raro porque son unos microbios ubicuos. Este tipo de bacterias pueden "pegarse" a la superficie metálica y forman un biofilm. Cuando se pegan, lo que hacen es favorecer la formación de una "celdilla anaeróbica" en la superficie del metal. Con ello consiguen que la reacción 2 que forma hidrógeno se vea favorecida. Estas bacterias pueden utilizar el hidrógeno como donador de electrones para así obtener energía metabólica. Con lo cual van eliminando el producto de dicha reacción y eso "estimula" que la reacción 2 se acelere. Pero, si utilizan el hidrógeno como donador de electrones ¿qué usan como aceptor? Pues utilizan lo que su propio nombre indica: el sulfato, un anión muy abundante en el agua. Este sulfato es , reducido a ácido sulfhídrico. Así que ahora tenemos un ácido que lo que hace es reaccionar con el metal produciendo sulfuro de hierro y más hidrógeno, hidrógeno que será aprovechado por la bacteria para reducir más sulfato a sulfhídrico que raccionará con el hierro, que a su vez, etc. Las reacciones son las siguiente:


Reacción 4

4 H2 + SO42- → H2S + 2 OH- + 2 H2O


Reacción 5


H2S + Fe2+ → FeS + H2



Si juntamos la reacción 3, la 4 y la 5, lo que tenemos es la reacción global.

Reacción global

Fe2+ + SO42- + 2 H2 → FeS↓ + Fe(OH)2↓ + 2 OH-



¿Y las bacterias oxidadoras del hierro? Pues ayudan, y mucho, al proceso. Estas bacterias se pegan al biofilm formado por las SRB. Pero como hemos dicho antes, las bacterias oxidadoras del hierro son aerobias, así que lo que hacen son dos cosas. Primero favorecen la reacción 1 ya que oxidan el ferroso a férrico, y en segundo lugar consumen el oxígeno disuelto en el agua, con lo que crean un microhábitat anaerobio que favorece el crecimiento de las SRB que están justo debajo de ellas. Como consecuencia de todos estos procesos se comienzan a crear cavidades y grietas que van siendo colonizadas por estos microorganismos lo que eventualmente producirá que la estructura metálica se vea comprometida. ¿Y el cromo hexavalente? Pues resulta que es un inhibidor del crecimiento de las SRB. Así que si hay cromo, las SRB no pueden crecer sobre el metal, y si no pueden crecer, este proceso no puede iniciarse, con lo cual evitamos que se produzca la corrosión.

Representación esquemática del proceso de biocorrosión. Las SRB están coloreadas de naranja. Las reacciones que producen en anaerobiosis están encuadradas en amarillo. Las bacterias oxidadoras del hierro son los bacilos rojos y las reacciones están encuadradas en rojo. Para más detalles ver el texto. Imagen basada en la figura 15.2 del libro Environmental Microbiology de Maier, Pepper y Gerba.



Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Biología, edición Micro-BioCarnaval (aunque fuera de concurso) que en este momento se aloja en el blog MicroBio. También participa en el XLI carnaval de la Física alojado en Factor Ciencia, en el XXIV carnaval de la Química edición Cromo alojado en el Zombi de Schrödinger y en el V carnaval de las Humanidades cuando haya anfitrión.





viernes, 5 de abril de 2013

Sex and Tetrahymena. Vive la différence!



Aviso, en esta entrada se muestran imágenes de sexo explícito como la de arriba (origen: Invitrogen).

Tetrahymena thermophila es un viejo conocido de los estudiantes de Biología ya que es un "protozoo-modelo" pues desde hace 50 años se usa como ejemplo para estudiar diversos procesos biológicos y entre ellos el ciclo sexual de estos seres unicelulares. También es famoso porque fue el organismo donde se descubrió la función de los telómeros (y que resultó en un premio Nóbel). En condiciones óptimasT. thermophila se reproduce de manera asexual, pero si las condiciones se ponen difíciles (disminución de nutrientes, cambios ambientales, etc), necesita encontrar a una pareja de sexo distinto para establecer relaciones íntimas y crear descendencia.


Sexo en Tetrahymena thermophila. Este protozoo posee dos núcleos. El núcleo somático y el núcleo germinal. En el esquema se muestra el apareamiento (1) entre una Tetrahymena de tipo sexual II y otra de tipo sexual VI inducido por condiciones de hambruna (starvation). Cuando los dos protozoos se aparean lo que hacen es fusionar los núcleos germinales haploides para formar un "núcleo de fertilización" diploide (2). Este núcleo de fertilización llevará a cabo dos rondas de mitosis, dando lugar a cuatro nucleos diploides idénticos, que se diferenciaran en dos núcleos somáticos poliploides y dos núcleos germinales diploides. Antes de la separación de los conjugantes, el núcleo parental somático y uno de los núcleos germinales será degradado. Cuando los conjugantes se separen(3) cada núcleo somático diferenciado tendrá entre 8 a 16 copias de cada cromosoma. El sexo será determinado al azar entre las siete opciones posibles. Cuando se restauran unas condiciones en las que no hay escasez de nutrientes (4) las células entran en fase vegetativa y se reproducen asexualmente (5). Origen de la imagen: Cervantes et al. Sup Mat.


El lector habrá notado que hablo de "sexo distinto" en lugar de "sexo opuesto". Y eso es debido a que una de las propiedades más fascinantes de este protozoo es que tiene siete sexos (o tipos sexuales). Sí, sí, han leído bien: SIETE. Y se denominan usando los números romanos (I al VII).

Al microscopio T. thermophila no presenta dimorfismo sexual. No hay diferencias de forma o de aspecto entre un sexo y los otros. Por lo que la pregunta es obvia ¿cómo se distinguen entre sí? Pues por diferencias químicas en la superficie celular. Cuando una Tetrahymena se encuentra con otra se dan un “achuchón” a nivel molecular para ver si son del mismo sexo. En su membrana hay un par de proteínas que indican el tipo sexual. Si las moléculas de superficie son las mismas eso indica que ambos protozoos son del mismo sexo y cada uno se va por el otro lado (no, no hay Tetrahymenas homosexuales). Si las moléculas de superficie son distintas, pues la relación sigue adelante y al final acaban intercambiando núcleos germinales y teniendo protozooitos. Lo curioso es que los descendientes no tienen porqué tener el sexo de sus "papás", sino que pueden tener otro completamente distinto.

¿Y qué determina el tipo sexual? Esa es la respuesta que han encontrado los investigadores de la Universidad de California Santa Bárbara, el Instituto de Hidrobiología de la Academia China de Ciencias y el Instituto J. Craig Venter. Resulta que la determinación del tipo sexual en T. thermophila viene definido por unos genes que se localizan en el llamado locus mat (por el inglés matting que significa apareamiento). Pero, como muchos otros ciliados, Tetrahymena tiene dos núcleos: el somático y el germinal. El somático presenta poliploidia y es el responsable de la transcripción de todos los genes que el microorganismo necesita para sobrevivir de forma habitual. El núcleo germinal en cambio es diploide y se mantiene en reposo, hasta que llega el momento de aparearse. Eso quiere decir que debe de haber un locus mat en el núcleo somático y otro en el núcleo germinal.

El núcleo somático contiene en el locus mat un par de genes ordenados "cabeza con cabeza". Cada uno de esos genes codifica para una proteína que contiene un dominio transmembranal, conservado en todos los sexos, y un segmento específico que determina el "tipo sexual". Estas proteínas son las que permiten el reconocimiento de protozoos del mismo sexo o de sexos distintos. Si es del mismo sexo entonces no hay apareamiento. Cuando se mira el genoma del núcleo germinal lo que se encuentra en el locus mat es algo muy distinto. No hay un par de genes, sino un agrupamiento incompleto de pares de genes que representan cada uno de los potenciales “tipos sexuales”. Es decir, en el núcleo somático está determinado el sexo del protozoo, pero en el núcleo germinal está la información para los siete sexos.


En la parte superior se muestra la estructura del locus mat del núcleo germinal de Tetrahymena con los seis pares incompletos. En la parte central se muestra una reordenación presente en el núcleo somático que determina que el tipo sexual del protozoo. La parte inferior muestra con más detalle la estructura del par de genes activos ordenados “cabeza con cabeza”. Las líneas negras finas son los intrones, mientras que los exones están representados por líneas gruesas azules. En el extremo C.terminal se encuentra codificado el segmento transmembrana, Origen de la imagen Cervantes et al.


Cuando este protozoo se aparea con otro protozoo de un tipo sexual distinto, lo primero que ocurre es que se destruye el núcleo vegetativo de ambos paternaires y los dos núcleos germinales se fusionan, creándose un zigoto. Fijémonos que al no haber núcleos vegetativos, ya no hay “tipo sexual” de ningún tipo. Pero como se crea un nuevo núcleo vegetativo a partir del núcleo germinal, es en ese momento cuando se determina el tipo sexual de una manera completamente estocástica. Es decir, las nuevas T. thermophila pueden tener cualquiera de los siete sexos, independientemente del sexo del "papá" y la "mamá"

Los investigadores han mapeado genéticamente el locus que determina el tipo sexual. Posteriormente, han usado la secuencia genómica del DNA del núcleo germinal para identificar qué había en ese locus. Se han encontrado con que cada sexo contiene un conjunto (array) de seis parejas incompletas de genes en su núcleo germinal. En el proceso de determinación del tipo sexual, un nuevo par de genes se ensambla y reorganiza durante la formación del núcleo somático. Los genes incompletos de un par se completan al unirse mediante un proceso de recombinación a los segmentos génicos al final del ordenamiento germinal. El resto de pares incompletos son delecionados, asegurando que sólo permanece un par completo en el locus mat núcleo somático que determinará el sexo. Mientras en el núcleo germinal, el agrupamiento con los seis pares incompletos permanece, por lo que se conserva la potencialidad de tener siete tipos sexuales en una futura descendencia.

Representación esquemática del proceso de recombinación que tiene lugar en el núcleo somático de Tetrahymena y que da lugar a una par funcional que determinara el sexo del protozoo. En dicho proceso se van perdiendo el resto de pares incompletos, con lo que se asegura que sólo haya un tipo sexual. Origen de la imagen Cervantes et al.


Aunque la formación de la pareja funcional de genes es al azar, la recombinación génica que se necesita para formar esa pareja funcional es un proceso muy conservado, preciso y exquisitamente programado. ¿Qué utilidad puede tener esto para los seres humanos? Los reordenamientos y recombinaciones del DNA también se dan en nuestras células y parecen estar involucrados en los fenómenos de "alo-reconocimiento" –la habilidad de que un organismo reconozca sus propios tejidos- por lo que podría ser muy útil en la comprensión del desarrollo de tumores cancerosos.

Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Biología, edición Micro-BioCarnaval (aunque fuera de concurso) que se aloja en el blog Micro Gaia.







ResearchBlogging.org

Cervantes, M., Hamilton, E., Xiong, J., Lawson, M., Yuan, D., Hadjithomas, M., Miao, W., & Orias, E. (2013). Selecting One of Several Mating Types through Gene Segment Joining and Deletion in Tetrahymena thermophila PLoS Biology, 11 (3) DOI: 10.1371/journal.pbio.1001518

lunes, 1 de abril de 2013

Micro-BIO-Carnaval





La XXIII edición del Biocarnaval va a ser una edición especial. No sólo porque vaya a durar dos meses y vaya a estar alojada en tres blogs. También porque va a tener una sección especial que ha sido patrocinada por el grupo de Docencia y Difusión de la Sociedad Española de Microbiología.

La normas de participación las tenéis recogidas en el blog Micro Gaia, que es el primero en alojar esta edición especial.

¿A qué esperas?