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Blog de divulgación y actualidad científica especializado en las ciencias de la vida. Agrupación de Estudiantes de Biología de la Universidad Nacional Agraria La Molina, Lima, Perú.

David Castro
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  • November 16, 2010
  • 05:50 PM
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Se identifican los genes responsables de la tolerancia al arsénico en las plantas

by David Castro in BioUnalm

Cuando uno escucha hablar del arsénico, automáticamente se nos viene a la mente relacionarlo con un veneno, y es verdad, el arsénico es un elemento químico altamente tóxico, no sólo para el hombre, sino también para la mayoría de los seres vivos. La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha establecido que concentraciones superiores a 10ug/L pueden provocar efectos perjudiciales sobre la salud. A pesar de esto, el arsénico es ampliamente usado en la industria humana, por ejemplo, enfermedades como la sífilis y la tripanosomiasis son tratadas con arsénico, mientras que herbicidas y pesticidas como el DSMA, poseen altas concentraciones de este metaloide en su formulación. El uso excesivo de estos herbicidas y pesticidas en la agricultura, así como los desechos de las minas, han aumentado las concentraciones de arsénico en aguas que son usadas tanto para el consumo humano como para el riego de los campos de cultivo, llegando a concentraciones por encima de los límites establecidos por la OMS. Muchas plantas tienen la capacidad de tolerar altas concentraciones de arsénico sin sufrir daño alguno, esto gracias a un mecanismo de desintoxicación que acumula el metal pesado dentro de sus vacuolas. Sin embargo, esta habilidad tiene sus pros y sus contras… Por un lado, se podrían usar estas plantas para recuperar los suelos y aguas contaminadas con metales pesados mediante la fitorremediación, pero por el otro, estas plantas podrían acumular altas concentraciones de metales pesados en sus órganos comestibles, perjudicando directamente la salud humana. En Bangladesh, los acuíferos usados para el riego de los cultivos de arroz están muy contaminados con arsénico, alcanzando concentraciones superiores a los 50ug/L. Las plantas de arroz pueden tolerar estas altas concentraciones, pero el arsénico acumulado en sus vacuolas pasa a los granos de arroz que es el principal sustento alimenticio de la población. Así que para reducir la ingesta de arsénico a través de las plantas en poblaciones que viven en zonas altamente contaminadas, es necesario identificar los mecanismos implicados en la acumulación y desintoxicación de arsénico en las plantas. Científicos de liderados por  Won-Yong Song de la Universidad de Zurich han revelado los genes involucrados en la tolerancia a arsénico en la planta modelo, Arabidopsis thaliana. La clave del asunto se basa en la identificación de los transportadores específicos de arsénico, que desintoxican la planta a través del paso del metaloide desde citoplasma a las vacuolas, lugar donde son acumulados. Los principales candidatos eran los transportadores ABCC, que son una subfamilia de los transportadores ABC. Estos transportadores ABCC están involucrados con la resistencia múltiples antibióticos (bacterias multidrogo-resistentes), así como en la resistencia a metales pesados en levaduras y humanos. Este tipo de transportador también está presente en Arabidopsis. De los 15 genes ABCC encontrados en Arabidopsis, dos estaban involucrados con la tolerancia al arsénico (atabcc1 y atabcc2). Cuando uno de los dos genes estaba ausente, la tolerancia se reducía ligeramente, pero cuando los dos genes estaban ausentes (doble knockout), la plana era sensible al arsénico y no crecía (Figura A: DSMA 100mg/L, B: As 50uM, E: ). Figura A: DSMA 100mg/L, B: As 50uM, (A y B in vitro) E: As 133.5uM (en suelo). WT: tipo silvestre; abcc1 (sin transportador AtABCC1); abcc2 (sin transportador AtABCC2) y abcc1/abcc2 (sin ninguno de los dos transportadores) Luego, para comprobar si en realidad eran estos dos genes los involucrados con la tolerancia a arsénico en las plantas, insertaron estos dos genes en una cepa de levadura que carecía de transportadores ABCC. Cuando fueron sometidos a diversas concentraciones de arsénico, observaron que aquellos que tenían insertados los genes atabcc1 y atabcc2 aumentaron considerablemente su tolerancia al metaloide, pero no de una manera eficiente. Entonces, la planta debería producir alguna sustancia más que favorezca el transporte del arsénico a las vacuolas. Los investigadores sabían que para que el arsénico – o cualquier otro metal pesado – pueda ser transportado en un organismo vivo, debe estar asociado o acomplejado con otra molécula llamada agente quelante. El quelante más conocido y usado es el glutatión, que no es más que un pequeño tripéptido (formado sólo por tres aminoácidos). Sin embargo, las plantas poseen otro agente quelante llamado las fitoquelatinas, que no es más que de dos a once moléculas de glutatión enlazadas. Así que a diferencia de las levaduras que usan principalmente el glutatión (GT) para quelar el arsénico, las plantas usan sus fitoquelatinas. Entonces, para corroborar esta hipótesis, diseñaron levaduras capaces de producir las fitoquelatinas (FQ). Al repetir la prueba de tolerancia al arsénico, observaron que esta aumentó considerablemente con respecto a la levadura que no expresaba las fitoqulatinas, tanto así que toleraron concentraciones superiores a 100uM. De esto concluyeron que las proteínas AtABCC1 y AtABCC2 transportaban eficazmente el complejo FQ-As y no el complejo GT-As. Además, para completar esta parte del estudio, demostraron – con otro experimento – que el arsénico sólo no podía atravesar los transportadores ABCC, siendo necesaria la presencia de los agentes quelantes. Si bien este estudio fue hecho en Arabidopsis y no en arroz u otra planta de consumo humano, los resultados pueden ser fácilmente extrapolables a otras familias ya que Arabidopsis thalaiana es la planta modelo por excelencia. Ahora sólo quedaría identificar genes homólogos a la atabcc1 y atabcc2 en otras especies de plantas. Una de las principales aplicaciones sería mejorar la capacidad de captura de metales pesados a través de la sobre-expresión de los genes abcc1 y abcc2, ya que Song et al. también demostraron que dicha sobre-expresión aumentaba la tolerancia de Arabidopsis al arsénico de manera sustanciosa. Este estudio podría tener grandes implicancias en la fitorremediación, se podrían diseñar nuevas estrategias de purificación de las aguas de las minas antes de ser liberadas a los ríos así como bajar los niveles de metales pesados en aguas usadas para la agricultura. Por otro lado, se podría reprimir o silenciar estos genes en los órganos comestibles de las plantas, para que el arsénico capturado en las raíces, hojas y los tallos no llegue a ser ingerido por las personas o animales. Referencia: Song, W., ... Read more »

Song, W., Park, J., Mendoza-Cozatl, D., Suter-Grotemeyer, M., Shim, D., Hortensteiner, S., Geisler, M., Weder, B., Rea, P., Rentsch, D.... (2010) Arsenic tolerance in Arabidopsis is mediated by two ABCC-type phytochelatin transporters. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.1013964107  

  • May 28, 2010
  • 01:21 AM
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Un receptor apoptótico que promueve el cáncer

by David Castro in BioUnalm

¿Qué es el cáncer? En términos sencillos, es una división incontrolada de células por fallas a nivel genético y/o metabólico produciendo tumores y diseminación a otros tejidos del cuerpo (metástasis). Y la apoptosis es todo lo contrario, es la muerte celular programada (cuando están viejas o ya cumplieron su vida útil o función). Así que sería lógico pensar que una forma de controlar el desarrollo del cáncer es inducir la apoptosis en las células cancerígenas. Entonces, ¿por qué no diseñar fármacos o compuestos que promuevan la apoptosis y solucionamos de una vez por todas el problema del cáncer? No es tan fácil como parece… Por más de 20 años se ha considerado a la CD95 —un receptor de membrana— como una asesina. Cuando CD95 interacciona con su ligando, CD95L, o con un anticuerpo activador, induce rápidamente la apoptosis en muchos tipos de células diferentes, y cuando su ligando o activadores son insertados en los mamíferos provocan la destrucción y muerte del hígado. Sin embargo, deleciones y mutaciones en el gen que codifica para CD95, causan graves enfermedades inmunes debido a la pérdida de la apoptosis. Las células viejas o malformadas que deberían morir no lo hacen y se convierten en antígenos que activan nuestro propio sistema inmune como si fuera algún patógeno. Además, si bloqueamos por otros mecanismos la apoptosis, la CD95 induce la necrosis celular mediante otras vías de señalización. Y, ¿que pensarían si les digo que la CD95 promueve el cáncer? De hecho pensarían que estoy loco porque es ridículo pensar que un receptor de membrana que promueve la muerte celular favorezca un comportamiento que se caracteriza por el exceso de división celular. Sin embargo, Chen et al. presenta evidencias de que esto, paradójicamente, podría ser posible. Los investigadores usaron varias líneas celulares de diferentes tejidos, todas ellas con tumores, tanto de humanos como de ratones, para determinar si la mutación o eliminación de la CD95 comprometía el crecimiento de los tumores sin causar la muerte celular. Al analizar sus resultados vieron que el ligando CD95L es necesario para la promoción del crecimiento en los tumores, siendo el complejo CD95-CD95L de suma importancia para la generación y mantenimiento del cáncer. Es así que se dan indicios que CD95 no podría tener función apoptótica alguna. Pero, ¿como hace CD95 para promover el crecimiento de los tumores? La CD95L puede estar en dos formas: unido a CD95 en la membrana celular o libre en su forma soluble. La primera forma es importante para inducir la apoptosis, mientras que la segunda podría generar anormalidades en el sistema inmune. Se observó que los ratones podían desarrollar sarcomas hepáticos y ciertas formas de cáncer raramente vistos en animales son CD95 o CD95L. En personas con cáncer, se han encontrado altas concentraciones de CD95L en su sangre. Todos estos resultados dan pistas y sugieren que CD95 estaría envuelto de el desarrollo de los tumores, por ende, el cáncer. La inflamación es un factor importante que promueve el cáncer. Una idea es que CD95 induce la inflamación. Por ejemplo, expresión de CD95 en regiones anormales o poco comunes —como en las células del páncreas o en tejidos recién trasplantados—, pueden inducir una dramática infiltración de glóbulos blancos en el tejido comprometido(inflamación); sin embargo Chen et al. reportaron que CD95L promueve el crecimiento del tumor mediante mecanismos dentro del tumor y no encontró diferencia en los patrones de inflamación de los tumores que expresan CD95 y los que no lo expresan. Tampoco encontraron pruebas que indiquen que CD95L promueva la inflamación. Lo que si están seguros es que CD95 activa ciertas vías metabólicas dentro de las células tumorales. Pero, ¿cuáles son estas vías?. Chen et al. proponen la activación de NF-κB (probablemente a través de la enzima RIPK1) es la responsable de promover el crecimiento de los tumores. Sin embargo, esto parece ser poco probable, porque vieron que la CDS95, a pesar de tener una relación directa con la inducción del carcinoma hepatocelular, no poseen la ruta NF-κB. Así que Chen et al. han propuesto otro mecanismo que involucra a la enzima JNK incrementando la transcripción de los factores de transcripción EGR-1 y Fos. Cuando se inhibió la expresión de JNK observaron que había un retardo en la expresión de CD95. Sin embargo, esta ruta aún no está bien descrita y entendida. No se sabe como CD95 puede activar la JNK o si lo hace el ligando CD95L, o si en ausencia de CD95, la enzima JNK puede activarse mediante otros mecanismos. Se cree también que la vía de la caspasa-8 pueda estar involucrada. A pesar de todas estas dudas, podemos ver que nuestro sistema y metabolismo es sumamente complejo, una misma biomolécula que puede estar envuelta en la muerte celular, también podría estar involucrada en el desarrollo de los tumores. Podemos diseñar compuestos que bloqueen la interacción CD95-CD95L en las membranas celulares de células cancerígenas, pero al bloquearse esta vía, podría surgir otra completamente desconocida que contrarreste este efecto. Referencia: Chen, L., Park, S., Tumanov, A., Hau, A., Sawada, K., Feig, C., Turner, J., Fu, Y., Romero, I., Lengyel, E., & Peter, M. (2010). CD95 promotes tumour growth Nature, 465 (7297), 492-496 DOI: 10.1038/nature09075 BioUnalm

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Chen, L., Park, S., Tumanov, A., Hau, A., Sawada, K., Feig, C., Turner, J., Fu, Y., Romero, I., Lengyel, E.... (2010) CD95 promotes tumour growth. Nature, 465(7297), 492-496. DOI: 10.1038/nature09075  

  • November 24, 2011
  • 11:13 PM
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Parásito de la enfermedad de Chagas ayudaría a combatir el cáncer

by David Castro in BioUnalm



Científicos usan a Trypanosoma cruzi para transportar antígenos de ciertos tipos de cáncer e inducir la respuesta inmune mediada por las células-T. Muchas de las vacunas que hoy conocemos están hechas a base de virus o bacterias atenuadas (agentes infecciosos modificados para no ser virulentos) quienes, al entrar al cuerpo, generan una respuesta inmune que es “recordada” para cuando la verdadera infección ocurra. El mejor ejemplo que tenemos de ello es la vacuna contra la parálisis flácida aguda (PFA) o polio. Esta estrategia consiste en que el agente infeccioso atenuado infecta las células sin llegar a proliferarse. Una vez dentro, expresan sus antígenos de superficie que son reconocidos por los linfocitos-T CD8+ quienes activan la apoptosis (muerte celular). El anticuerpo contra este antígeno queda “memorizado” y permite una respuesta rápida y eficiente cuando la verdadera infección se presente. Entonces, ¿podemos considerar a las células cancerosas como agentes infecciosos para desarrollar vacunas contra ellas?. Sí, porque las células cancerosas también expresan antígenos específicos dependiendo de su origen. Uno de ellos es el antígeno NY-ESO-1, que pertenece a la familia de los antígenos cáncer/testículo (CTA, por sus siglas en inglés). Este antígeno está siendo muy investigado por su capacidad de generar anticuerpos y activar la respuesta inmune mediada por las células T en diferentes pacientes con cáncer. En la actualidad hay más de 30 ensayos clínicos en todo el mundo que buscan usarlo como agente terapéutico (inmunoterapia del cáncer) o como profiláctico (vacuna). Sin embargo, el problema de usar virus o bacterias atenuadas para transportar este antígeno es que no generan una respuesta inmune persistente. La explicación es que al estar atenuados no proliferan y el reconocimiento de los antígenos por parte de los linfocitos-T se pierde una vez la infección sea eliminada. Un grupo de investigadores brasileños liderados por la Dra. Caroline Junqueira de la Universidad Federal de Minas Gerais han logrado superar este problema usando una cepa atenuada del parásito Trypanosoma cruzi —protozoario causante de la enfermedad de Chagas— para transportar el antígeno NY-ESO-1, demostrando su capacidad y eficiencia para activar la respuesta de los linfocitos-T CD8+ in vitro y proteger o retardar el crecimiento de tumores en ratones. Los resultados aparecen publicados en PNAS. Junqueira y sus colaboradores usaron T. cruzi porque es un parásito intracelular que tiene la capacidad de generar una fuerte y persistente respuesta inmune mediada por los linfocitos-T. T. cruzi es un inductor de los linfocitos-T CD4+ (linfocitos-T colaboradores) a través del reconocimiento de los receptores tipo-Toll (TLR). Estos linfocitos son claves en la respuesta inmune adaptativa. Además, persiste y se divide en citoplasma de la célula hospedera manteniendo la respuesta inmune activa por más tiempo y expresando los antígenos que son reconocidos por los linfocitos-T CD8+. Los investigadores crearon cepas de T. cruzi CL-14 (versión altamente atenuada) portando el gen que codifica el antígeno NY-ESO-1 junto al gen de la tubulina (un gen con ~40 copias en el genoma del protozoario y que es altamente expresado). El parásito transgénico logró expresar los antígenos en dos líneas celulares humanas y además indujeron la respuesta de los linfocitos-T CD4+ y CD8+ in vitro. Luego, Junqueira y su equipo quisieron ver la capacidad del T. cruzi transgénico de generar la respuesta inmune in vivo, para esto usaron ratones de laboratorio. Los ratones fueron vacunados dos veces —la segunda vez 30 días después de la primera— y mostraron altos niveles de anticuerpos específicos contra NY-ESO-1 y del interferón gamma (IFN-γ) generados por los linfocitos-T CD4+ que inducen la respuesta de los macrófagos. Los ratones que fueron vacunados mostraron estar protegidos contra el desarrollo de tumores generados por el trasplante de células cancerígenas de melanomas (B16F10), nunca se formaron tumores (ver imagen inferior central) y la mortalidad se redujo prácticamente a cero. En un segundo experimento in vivo, los científicos quisieron determinar el efecto terapéutico del parásito transgénico, para ello usaron dos cepas de ratones (C57BL/6 y BALB/c) a quienes se les trasplantó células cancerosas del tejido conectivo (fibrosarcoma) y del colon (adenoma de colon) con el fin de generar tumores. Luego, los ratones fueron vacunados repetidas veces con los parásitos transgénicos, mostrando un retardo del 30% en el crecimiento de los tumores y un aumento del 50% en la esperanza de vida. Si bien el T. cruzi es bastante sensible a drogas como el benznidazol, Junqueira et al. le insertaron el gen de la timidin kinasa del virus de herpes para volverlo sensible al aciclovir, esto con el fin de facilitar la eliminación al parásito una vez haya cumplido su objetivo. Sin dudas son resultados muy alentadores, ya que se demostró tanto el efecto terapéutico y profiláctico de esta nueva estrategia de transporte del antígeno NY-ESO-1 para la activación de la respuesta inmune mediada por los linfocitos-T y prevenir así el desarrollo de tumores o retardar su crecimiento y aumentando la esperanza de vida. Además, se pueden insertar otros antígenos específicos para crear vacunas polivalentes que permitan protegernos contra diferentes tipos de cáncer. Aún falta mucho por investigar, pero el hecho que haya funcionado tanto en ratones como en líneas celulares humanas es una gran motivación para seguir trabajando y financiando este tipo de investigaciones, sobre todo las que son hechas en América Latina. Referencia: Caroline Junqueira, Luara I. Santos, Bruno Galvão-Filho, Santuza M. Teixeira, Flávia G. Rodrigues, Wanderson... Read more »

Caroline Junqueira, Luara I. Santos, Bruno Galvão-Filho, Santuza M. Teixeira, Flávia G. Rodrigues, Wanderson D. DaRocha, Egler Chiari, Achim A. Jungbluth, Gerd Ritter, Sacha Gnjati.... (2011) Trypanosoma cruzi as an effective cancer antigen delivery vector. Proceedings of the National Academy of Sciences. info:/10.1073/pnas.1110030108

  • October 8, 2010
  • 12:41 PM
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Una nueva técnica de reprogramación celular para formar células madre

by David Castro in BioUnalm

En el blog hemos hablado mucho acerca de las células madre debido a sus grandes potencialidades en la biomedicina, gracias a su capacidad de regenerar cualquier tipo de tejido. Como ya mencionamos reiteradas veces, las mejores células madre por su capacidad de regenerar cualquier tejido son las células madre embrionarias (ES cells); sin embargo, hay toda una controversia en cuanto a su uso ya que debemos tener embriones a los cuales les debemos extraer las células de la masa interna celular del blastocisto y provocando la muerte del embrión, en otras palabras, la muerte de un ser humano. Hace cuatro años, los científicos dieron un gran paso en la tecnología de las células madre. Este avance les permitió superar los problemas éticos provocados por el uso de las células madre embrionarias. Los científicos encontraron la forma de hacer que las células adultas, que ya están diferenciadas, se vuelvan a comportar como células madre embrionarias simplemente insertando cuatro genes que les devolvían esta habilidad. La técnica se llama reprogramación celular y el producto son las células madre pluripotente inducidas (iPS cells). Los cuatro genes insertados son factores de transcripción que se expresan en las células madre embrionarias: Oct3/4, Sox2, c-Myc y Klf4. Sin embargo, a diferencia de las ES cells, las cuales son totipotentes (pueden diferenciarse en cualquier tejido de las tres capas embrionarias: ectodermo, mesodermo y endodermo), las iPS cells pueden diferenciarse en muchos tejidos diferentes pero no es todos. Para diferenciarse en un tejido específico requieren del uso de determinados factores de transcripción, hormonas y hasta sustratos con relieves específicos. Esta tecnología se ve muy prometedora, pero las iPS cells también tienen grandes inconvenientes que no han podido ser resueltos en estos cuatro años. La primera es que las iPS cells retienen en su genoma los cuatro genes que les han sido insertados, volviéndolas propensas a formar tumores, los genes pueden reactivarse más adelante, cuando la célula ya se diferenció y volverlas a reprogramar para formar células madre, las cuales se dividirán constantemente (porque esa es una de las características de una célula madre) y formar un tumor. En vez de curar al paciente, le generamos un nuevo problema. El segundo inconveniente es que las iPS cells puede retener, “en su subconsciente”, recuerdos de que tipo de célula era antes de volverse célula madre. Es como si la iPS cell se dijera: “creo que en mi vida pasada era una célula muscular…”. Esto podría influir en el destino de diferenciación de la célula madre y en vez de regenerar un tejido óseo, forme nuevamente un tejido muscular. Y el tercer inconveniente es que este método de reprogramación celular es relativamente ineficiente, sólo 1 de cada 1000 células pueden convertirse en células madre y toma más de un mes para que las iPS cells aparezcan. Fue así que el Dr. Derrick Rossi de la Escuela de Medicina de Harvard desarrolló una nueva técnica para producir iPS cells. Rossi et al. en vez de insertar genes en el genoma de las células diferenciadas para convertirlas en células madre, insertaron moléculas de ARN (sintetizados químicamente) correspondientes a estos cuatro genes. Todos sabemos que la expresión genética consiste en convertir los genes – hechos de ADN – a ARN, para luego ser traducidos a proteína. Rossi insertó de frente el ARN para que sea traducida a proteína y exprese estos cuatro factores de transcripción (Oct3/4, Sox2, c-Myc y Klf4). A esta nueva tecnología la llamaron RiPS (RNA induced Stem Cells). Los resultados, que fueron publicados en la revista Cell Stem Cell, son muy alentadores. Primero, se podían obtener células madre en el mitad del tiempo que toma hacerlo mediante la técnica de iPS cells, en dos semanas ya se obtenían los resultados. Segundo, el ARN se degrada fácilmente, así que una vez que hemos obtenido las células madre, los cuatro factores de transcripción insertados no se volverán a expresar después. Y tercero, la eficiencia se mejoró considerablemente: el 4% de las células eran reprogramadas a células madre (RiPS: 4 de 100 y iPS: 1 de 1000). Claro, que desarrollar esta nueva tecnología tuvo grandes obstáculos que debieron ser superados. El primer intento de Rossi por insertar las moléculas de ARN en las células fueron frustrados por el mecanismo de defensa antiviral innata que poseen. Este mecanismo de defensa degrada cualquier molécula de ARN extraño que ingrese a la célula e induce la apoptosis de la misma (muerte celular programada). Así que Rossi hizo modificaciones al ARN para evitar su degradación. Además, inhibieron los interferones, los cuales también están envueltos en los mecanismos de defensa de la célula ante el ARN extraño para aumentar la expresión de los ARNs insertados. Rossi lograron convertir las células del tejido conectivo (fibroblastos) en células madre. Este método desarrollado por Rossi y sus colaboradores abre nuevos campos de aplicación de los ARNs en la reprogramación celular. Según los factores de transcripción que insertemos en forma de ARN podemos regenerar cualquier tipo de tejido. Además, esta técnica es bastante viable ya que la síntesis de moléculas de ARN es algo común en nuestros días… quien no ha mandado a sintetizar primers para su PCR? Claro que un primer tiene hasta 30nt de longitud, mientras que un factor de transcripción tiene más de 500nt, pero la maquinaria para “imprimir” secuencias de ADN y ARN ya están disponibles en el mercado y bajando de precio. Otra aplicación que se le puede dar a esta tecnología es que podemos insertar cualquier molécula de ARN y sintetizar proteínas humanas que pueden ser comercializadas. Además, se podrían usar estas moléculas de ARN para investigar el mecanismo de regulación de la expresión genética de los ARN de interferencia y los microARNs. Referencia: Warren, L., Manos, P., Ahfeldt, T., Loh, Y., Li, H., Lau, F., Ebina, W., Mandal, P., Smith, Z., & Meissner, A. (2010). Highly Efficient Reprogramming to Pluripotency and Directed Differentiation of Human Cells with Synthetic Modified mRNA Cell Stem Cell DOI: 10.1016/j.stem.2010.08.012 Vogel, G. (2010). New Technique RiPS Open Stem Cell Field Science, 330 (6001), 162-162 DOI: 10.1126/science.330.6001.162 BioUnalm... Read more »

  • March 26, 2010
  • 04:38 AM
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Una nueva estrategia para producir plantas haploides

by David Castro in BioUnalm

Producir plantas haploides viables es uno de los santos griales del fitomejoramiento y la biotecnología vegetal. ¿Por qué? Porque lo que un fitomejorador quiere es que una vez que consiga una planta con un alto rendimiento, que resista enfermedades o sequías o que no tenga muchos requerimientos nutricionales, esta siga una línea homocigota. Esto quiere decir que sólo tenga un determinado alelo para cada gen, de esta manera, al auto-fertilizarla o cruzarla con otra planta similar, estas características adquiridas no se pierdan. De manera más sencilla: Recordemos que una mitad de los genes son de la madre y la otra mitad del padre. Digamos que los genes de la madre  le dan un buen rendimiento a la planta pero no soportan las sequías (AAbb), mientras que los genes del padre no tienen buen rendimiento pero soportan muy bien las sequías (aaBB). Lo que buscaremos es cruzar estas dos plantas para obtener una planta con alto rendimiento y que soporte la sequías (AAbbXaaBB). Así que después de algunos meses por fin obtenemos la planta deseada (AaBb). Pero, como la planta tiene la mitad de los genes del padre y la otra mitad de la madre, será heterocigota (tiene los genes buenos y también los genes malos, pero los como buenos son dominantes, se expresan) así que al auto-fertilizarla (AaBbXAaBb) sólo un 25% de las plantas tendrán solo los genes buenos (AABB).   Entonces, lo ideal sería hacer que la planta se quede con un sólo juego de genes (los buenos) y eliminar los malos (ab) para recién auto-fertilizarla. Para esto debemos reducir su carga genética a la mitad, volverlas haploides (AB). Pero las plantas necesitan de los dos juegos (diploides) para poder vivir, así que debemos diseñar un método para producir plantas haploides viables, que posteriormente se puedan volver nuevamente diploides (AABB), se puedan cruzar o auto-fertilizar (AABBXAABB) para generar semillas viables homocigotas (AABB). ¿Se ve sencillo no? Pero no es así. Estas características no están gobernadas solo por dos genes (AB) con dos alelos (A, a, B, b), son muchos los genes y alelos que gobiernan estas características (A1, A2, A3,…B1, B2, B3,… C1, C2, C3,… D1… E… F…), así que obtener la planta deseada se hace demasiado tedioso, con muchos años de cruzas, retrocruzas y auto-fertilizaciones. Así que, porque no desarrollar una técnica que primero parta en la mitad los genes (AaB1B2CcDdEEF1F3 [diploide] –> AB2CDEF3 y aB1cdEF1 [haploides]) para luego regenerar la diploidía (AAB2B2CCDDEEF3F3 y aaB1B1ccddEEF1F1), todos homocigotas. ¿Cuanto tiempo ahorraría esto? Por suerte hasta ahora habían dos métodos —no muy buenos— usados para volver haploides a las plantas. El primero era cultivar gametofitos (células sexuales, haploides) en medios de cultivo especiales para regenerar plantas diploides homocigotas; lamentablemente, muchas especies son recalcitrantes a este proceso. La segunda opción era hacer cruces inter-específicos (cruzar una especie con otra diferente) en el cual el genoma de uno de los parentales es eliminado; pero la base molecular de este proceso de eliminación genómica aún no se entiende. No olvidemos que hay un proceso natural para generar células haploides: la meiosis. Si nos ponemos a pensar un rato en la división celular, tanto en la mitosis como en la meiosis las cromosomas migran a través del huso acromático. Estos microtúbulos se unen a un lugar específico de los cromosomas para jalarlos a un determinado polo para formar el material genético de cada una de las células hijas, esta zona es conocida como el centrómero. Los centrómeros son reconocidos específicamente por un tipo de histona, la CENH3 en Arabidopsis thaliana (una variable de la histona tipo H3), la cual es necesaria para una buena migración de los cromosomas por el huso acromático. El mutante cenh3-1 fue aislado. Este mutante provoca la muerte del embrión, pero si está presente un CEHN3 sano complementario (dominante), la planta expresa un fenotipo silvestre (normal). Entonces, este mutante debe tener algún efecto en la migración de los cromosomas para causar la muerte del embrión, por qué no aprovecharlo de alguna manera para generar plantas haploides. Se diseñó una planta GFP-tailswap, una planta con el gen mutante cenh3-1 rescatado por una CENH3 modificada unida a la proteína verde fluorescente (proteína que brilla de color verde bajo las luz UV) para ubicar la histona. Esta planta no tiene problemas al realizar la mitosis pero son estériles al llegar la floración. Esto quiere decir que se ha visto afectada la producción de los gametos, en otras palabras, ha fallado algo en la meiosis. Cuando la planta GFP-tailswap es polinizada por una planta silvestre, entre el 80 y el 95% de los óvulos fertilizados son abortados. Se esperaba que la descendencia viable fueran heterocigotas para cenh3-1 y hemicigota para GFP-tailswap, pero 10 de las 16 plantas viables solo tenían el gen CERH3 y no el GFP-tailswap. Pero, a pesar que tenían el genotipo silvestre eran estériles. ¿Por qué? Un estudio posterior reveló que eran haploides! Si no se han perdido… que quiere decir esto? Sólo permaneció el genoma del parental silvestre mientras que el genoma del parental GFP-tailswap se perdió. Por fin se pudo crear una planta haploide, y sólo del parental silvestre. Si en vez de ese parental silvestre usamos una parental con genes excelentes, podremos obtener un haploide sólo con los genes excelentes, justo lo que estamos buscando! La explicación de esto es que hay una perturbación en la estructura del centrómero que impide la segregación de los cromosomas en la mitosis zigótica creando un embrión haploide. Al analizar el ADN plastídico se observó que el citoplasma siempre era materno. Por esta razón cuando se cruza un tipo silvestre como madre y un GFP-tailswap como padre, la proporción de haploides es menor a que si fuera al revés. Esto porque el CERH3 presente en la madre, se expresa más tempranamente que el mutante del padre, uniéndose a los cromosomas antes que el mutante, generando diploides. Si es el mutante la madre, expresará primero el gen mutante cenh3-1 y se unirá a los cromosomas antes que el CERH3, evitando la segregación de los cromosomas, generando haploides. Los diploides y los haploides son morfológicamente similares, simplemente los haploides son ligeramente más pequeños. Pero para explotar el potencial de los haploides, hay que generar diploides fértiles. Una pequeña minoría de los haploides, todos los cromosomas segregan a una de las células hijas en la Anafase I y luego las cromátides hermanas se separan en la meiosis II, generando gametos haploides (tétradas haploides). Estos pueden auto-fertilizarse generando diploides homocigóticos. También se han observado raros episodios, donde las células somáticas (tallos) se vuelven diploides espontáneamente. También se puede hacer el uso de la colchicina para regenerar los diploides. Muchos cultivos comerciales son poliploides, esto dificulta más aún los programas de fitomejoramiento. También se ha probado esta técnica para reducir la ploidía de estas especies. Para ir más allá de este descubrimiento, no sólo se podría usar al mutante cenh3-1 para generar haploides, también se podría usar ARN de interferencia para silenciar (reducir o eliminar) la función endógena del CERH3. En el maíz se ha podido inducir la haploidía usando al gen indeterminate gametophyte (ig), lamentablemente su ortólogo en A. thaliana no pudo copiar este efecto. Pero esta técnica del mutante cenh3-1 fácilmente se podría extrapolar a otras especies, además presenta muchas ventajas como: no requiere de medios de cultivo sofisticados, se puede producir tanto haploides ... Read more »

  • May 11, 2010
  • 09:13 AM
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Los ratones expresan los mismos gestos de dolor que los humanos

by David Castro in BioUnalm

Cuando los ratones son sometidos al dolor pueden expresar gestos muy similares a los que expresamos los humanos; sobre todo, similares a aquellos que no pueden expresar el dolor verbalmente como los bebés y los mudos. Nadie había descubierto esto antes porque todos los estudios sobre la expresión facial del dolor sólo se hizo en humanos, ya que se creía que dependían, más que nada, de un factor social. Sin embargo, al observar que los ratones hacen muecas similares a nosotros, científicos liderados por Jeffery Mogil diseñaron una escala para usarlo en las pruebas para nuevos medicamentos contra el dolor. El principal problema por el que los nuevos analgésicos fallan al ser sometidos a ensayos clínicos en pacientes humanos es que en la fase previa —estudio en animales de experimentación— no se usan buenos indicadores del dolor. Los animales no dicen “Au!, Ouch!”, los investigadores se basan más bien en respuestas como la huída o el miedo del animal, pero nunca se habían puesto observar detenidamente sus rostros. La escala de dolor basado en los gestos del ratón son similares a la misma escala en humanos, lo cual es de mucha ayuda para los ensayos clínicos de los nuevos analgésicos. Mogil sometió a los ratones a pruebas de dolor moderado (similar a un dolor de cabeza o un dedo golpeado) los cuales son fáciles de tratar con analgésicos comunes como la Aspirina o el Paracetamol. Luego fotografiaron los rostros de los ratones bajo diferentes ángulos usando cámaras de alta definición, antes y después de inducirlos al dolor (Figura). Se usaron cinco expresiones faciales para determinar si el ratón estaba bajo dolor: ojos entrecerrados, abultamiento de la nariz, protuberancia en la mejilla, posición de las orejas y movimiento de los bigotes. Se observaron características notables cuando los pobres ratones estaban sufriendo algún tipo de dolor. Las tres primeras expresiones se tomaron a partir de la escala humana del dolor; mientras que las últimas dos son propias del ratón, ya que los humanos no podemos mover naturalmente los oídos ni tenemos bigotes. La gran similaridad de los gestos faciales entre los humanos y los ratones sugiere que es el resultado de la evolución, la cual mantiene conservada esta característica emocional en todos los mamíferos. Esta hipótesis ya había sido descrita por Darwin en 1872 en su libro “The Expression of the Emotions in Man and Animals”. El dolor tiene una respuesta física y otra emocional que van de la mano. En los seres humanos, hay una región en el cerebro relacionada con el aspecto emocional del dolor. Cuando esta área es destruida por un golpe o mediante la inducción de impulsos eléctricos, los pacientes pueden sentir esa sensación del dolor, pero no lo pueden describir como tal, hay una desconexión entre la parte física y la parte emocional del dolor. En los ratones, cuando esa área es dañada, se bloquean automáticamente las expresiones faciales de dolor, pero no se pierden los otros tipos de respuesta a él. Por mucho tiempo se creyó que las expresiones faciales del dolor estaban determinadas por la conducta y la cultura de la persona o grupo de personas. Si embargo, en 1972, Paul Eckman realizó un estudio en una comunidad aislada de Papúa y Nueva Guinea y observó que las expresiones faciales del dolor era universales. Ahora, con este descubrimiento hecho por Mogil sabemos que las expresiones faciales del dolor no sólo son universales en los seres humanos, sino podría ser en todos los mamíferos. Referencia: Langford, D., Bailey, A., Chanda, M., Clarke, S., Drummond, T., Echols, S., Glick, S., Ingrao, J., Klassen-Ross, T., LaCroix-Fralish, M., Matsumiya, L., Sorge, R., Sotocinal, S., Tabaka, J., Wong, D., van den Maagdenberg, A., Ferrari, M., Craig, K., & Mogil, J. (2010). Coding of facial expressions of pain in the laboratory mouse Nature Methods DOI: 10.1038/nmeth.1455 BioUnalm

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Langford, D., Bailey, A., Chanda, M., Clarke, S., Drummond, T., Echols, S., Glick, S., Ingrao, J., Klassen-Ross, T., LaCroix-Fralish, M.... (2010) Coding of facial expressions of pain in the laboratory mouse. Nature Methods. DOI: 10.1038/nmeth.1455  

  • October 10, 2010
  • 07:49 PM
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El maíz transgénico beneficia más a los que cultivan maíz no transgénico

by David Castro in BioUnalm

Para los que han leído mis artículos sobre transgénicos se habrán dado cuenta que yo no soy un partidario del ingreso de estos cultivos al Perú por las razones que he expresado anteriormente. Pero, estar en contra al ingreso de transgénicos no es lo mismo que estar en contra de la biotecnología moderna, tal como algunos de nuestros brillantes científicos lo pretenden pintar. Con una buena regulación, donde los desarrolladores de cultivos transgénicos asuman sus responsabilidades por algún efecto negativo sobre la biodiversidad, y orientar el desarrollo de cultivares genéticamente modificados para que estos puedan crecer con bajas cantidades de agua o soportar climas fríos para que así se puedan aprovechar terrenos no usados en la agricultura sería muy beneficioso para nuestro país. No necesitamos depender de semillas vendidas por empresas extranjeras, nosotros tenemos la tecnología para desarrollar nuestros propios transgénicos, tal como lo viene haciendo el Centro Internacional de la Papa (CIP), sólo con un poco más de inversión por parte del estado y mayor seriedad en la elaboración de la normativa regulatoria, dejando de lado los intereses personales, el Perú podría aprovechar de manera óptima sus recursos genéticos. Además, creo que los medios de  comunicación no son objetivos cuando hablan sobre el tema. Según su posición y sus intereses personales o bien muestran a los transgénicos como los causantes de alergias, tumores, suicidios masivos y a los que apoyan los transgénicos  los pintan de lobbystas y vendepatrias; o bien muestran a los transgénicos como los que salvarán al mundo del hambre, volverá ricos a los agricultores y a los opositores de los transgénicos los pintan de ignorantes o activistas. Es triste ver como reconocidos científicos llegan hasta los insultos por defender imponer sus ideas, tal como en una lucha entre ateos y cristianos o creacionistas y evolucionistas. En fin, dejando de lado esta pequeña opinión, les comentaré un interesante artículo publicado por Hutchison et al. el día viernes en Science, donde analiza datos de áreas de cultivo de maíz transgénico (especialmente el Maiz Bt), reducción de población de plagas (Ostrinia nubilalis, una plaga del maíz), y beneficios económicos de los agricultores del centro de los Estados Unidos antes y después de la introducción de cultivos de maíz Bt en el año 1996. Primero algunos números para que vean la importancia de los cultivos transgénicos en la agricultura. Sólo el año pasado se han plantado 134 millones de hectáreas de cultivos transgénicos en 25 países del mundo. En USA el más abundante es el maíz transgénico, especialmente el Bt, el cual tiene insertado un gen de una bacteria (Bacillus thuringiensis) que codifica para una toxina que se expresa en las hojas de la planta y mata a las orugas de muchas lepidópteras, incluido el piral del maíz (Ostrinia nubilalis), una polilla europea que fue introducida por casualidad en USA en 1917. Las pérdidas por esta plaga – antes del maíz Bt – ascendían a $1000 millones/año. Si bien la toxina Bt puede matar a los insectos que atacan el cultivo, no sería nada raro que aparezcan insectos que sean resistentes a esta toxina. El maíz Bt ejerce una fuerte presión evolutiva sobre estos insectos, tal como los antibióticos lo hacen sobre las bacterias patógenas. Así que si aparece un insecto inmune a la toxina Bt, con un buen fitness (aptitud para dar descendencia fértil), los días de este maíz transgénico podrían estar contados y sería una grave amenaza para la agricultura mundial, ya que 25 países cultivan este maíz. Sin embargo, en los 14 años que lleva introducido el maíz Bt en el territorio norteamericano, los daños causados por el piral del maíz se ha reducido con respecto a los años donde no había maíz Bt (antes de 1996). La clave de este éxito del maíz Bt no ha sido sólo su resistencia a las plagas, sino la presencia de cultivares de maíz no transgénicos aledaños. ¿Cómo? Ahora les explico… Las polillas hembra no tiene preferencia al momento de poner sus huevecillos, lo hacen indistintamente en el maíz Bt o en el maíz NO-Bt. Entonces, si hay más cultivos de maíz Bt, más larvas de polillas morirán y la población de estas plagas se irá reduciendo con el tiempo.   Y por qué no cultivar puro maíz Bt para que eliminar por completo estas plagas? La idea de tener chacras de maíz NO-Bt aledaños a las chacras de maíz Bt es para que actúen como un refugio para los lepidópteros, de esta manera, la presión evolutiva que ejerce la toxina Bt se verá contrarrestada por un refugio natural de plagas sensibles al Bt.   Sí sólo hubiera maíz Bt, las plagas empezarían a morir y desaparecer, pero se correría el riesgo que una población adquiera resistencia a la toxina y se empiece a multiplicar y a diezmar con los cultivos de maíz transgénico. Pero, si tenemos un reservorio de plagas sensibles al Bt, la presión evolutiva que ejercería la toxina se vería reducida, porque las poblaciones de plagas se distribuirán indistintamente entre los cultivos de maíz Bt y NO-Bt. Menos población de plagas en las plantas transgénicas, menos probabilidades de que surja un mutante resistente y una fuente de retroalimentación de plagas sensibles al Bt. Es por esta razón que la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) exige a los agricultores que usan maíz Bt, sembrar también refugios de maíz NO-Bt a no más de 800m de distancia, para promover la supervivencia de insectos susceptibles a la toxina. Aún así, los insectos pueden mutar y adquirir la resistencia al maíz Bt. Pero, las mutaciones son principalmente recesivas, así que estos híbridos seguirán siendo sensibles aunque en menor medida. Para evitar que lleguen a pasar su resistencia a sus descendientes, deben consumir una cantidad mayor de toxina Bt para que mueran, de no ser así se correría el riesgo de que aparezcan poblaciones resistentes. Para evitar esto, otra estrategia más que ha adoptado EPA es que los desarrolladores de semillas usen más de una toxina Bt que actúe sobre la misma plaga. De esta manera, si el insecto adquiere resistencia para una toxina Bt habrá otra que la matará. (…) Retomando el tema principal de este artículo (…) Hutchison et al. descubrieron que los mayores beneficios económicos entre 1996 y el 2009 estaban asociados a los agricultores que no sembraban maíz Bt ¿Como? . O sea, ¿beneficia más al que no usa la tecnología que al que la usa? Sí, y esto se debe al “efecto halo”. ¿En que consiste?… Como ya explicamos anteriormente, las lepidópteras hembra ponen sus huevos indistintamente en el maíz Bt y NO-Bt, si hay mayor proporción de maíz Bt, más poblaciones de insectos serán eliminados así que habrá menos insectos que infecten a los maíces no transgénicos. Ver figura: Así que, indirectamente, los que cultivan maíz NO-Bt se están librando de las plagas gracias al maíz Bt de los agricultores vecinos. En ciertos estados de USA como Minnesota, Illinois y Wisconsin, más del 50% del maíz es Bt, así que el efecto será mayor. Por ejemplo, en Minnesota, antes del ingreso del maíz Bt, el número de larvas era de 59 por cada 100 plantas. Cuando los campos de maíz Bt alcanzó el 40% del total del maíz cultivado, el número de larvas por cada 100 plantas se redujo en más del 70% (16 larvas por cada 100 plantas). Resultados similares se obtuvo en Illinois y Wisconsin. Aunque, si bien muchos factore... Read more »

Hutchison, W., Burkness, E., Mitchell, P., Moon, R., Leslie, T., Fleischer, S., Abrahamson, M., Hamilton, K., Steffey, K., Gray, M.... (2010) Areawide Suppression of European Corn Borer with Bt Maize Reaps Savings to Non-Bt Maize Growers. Science, 330(6001), 222-225. DOI: 10.1126/science.1190242  

Tabashnik, B. (2010) Communal Benefits of Transgenic Corn. Science, 330(6001), 189-190. DOI: 10.1126/science.1196864  

  • October 30, 2011
  • 06:18 PM
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El curioso caso de la enzima que funciona una sola vez

by David Castro in BioUnalm



Las enzimas son la base del metabolismo celular, gracias a ellas las células pueden generar la energía necesaria para vivir, producir los bloques de construcción de sus membranas y organelos, duplicar su material genético cada vez que se dividen, sintetizar hormonas y otras moléculas señalizadoras, degradar las toxinas, y hacer muchas cosas más. En otras palabras, las enzimas son unas macromoléculas capaces de llevar a cabo una serie de reacciones químicas que de manera natural no se podrían realizar o necesitarían una gran cantidad de energía para hacerlo. Para serles sincero, hasta ahora yo creía que las enzimas llevaban a cabo muchas reacciones antes de degradarse, siendo su reusabilidad una de sus principales características. En un artículo publicado esta semana en Nature, un grupo de investigadores norteamericanos han descrito el mecanismo de acción de una de las enzimas que participan en la síntesis de la vitamina B1 (Tiamina Pirofosfato), descubriendo que ésta sólo realiza una única reacción para después quedar inutilizable. En otras palabras, se trata de una enzima suicida. La vitamina B1 es un cofactor esencial en todos los seres vivos. Para su síntesis se requiere de dos precursores: una pirimidina y un tiazol azufrado. El mecanismo de síntesis de la pirimidina está muy bien entendido; sin embargo, la gran interrogante que queda es de dónde proviene el azufre del tiazol. Cuando aislaron y estudiaron los intermediarios que participan en la síntesis del tiazol, los científicos observaron que una enzima era purificada conjuntamente con tres de ellos. Esta enzima es conocida como la THI4p (tiamina tiazol sintasa). Cuando la analizaron bajo el espectrómetro de masas se dieron con la sorpresa que su peso era de 34 Daltons (Da) menor a lo predicho a partir de la secuencia genética que la codifica. Sin embargo, cuando la enzima no era funcional debido a una mutación, ya no se observaba estos 34Da de déficit. Esto indicaba que esta modificación era clave en el funcionamiento de la enzima. Para analizar más profundamente el sitio activo, Chatterjee y sus colaboradores partieron la enzima en muchos pedacitos con la ayuda de una quimiotripsina —un tipo de proteasa que rompe los enlaces peptídicos de las proteínas. Cuando estudiaron la porción de la proteína que contenía al sitio activo vieron que habían dos cisteínas (CyS) juntas en las posiciones 204 y 205. Las cisteínas son aminoácidos que se caracterizan por tener el grupo “tiol” (R-SH), que junto con la metionina, son los dos únicos aminoácidos azufrados. Con estas dos pistas —las cisteínas adyacentes y el déficit de 34Da— los investigadores sospechaban que el azufre del tiazol provenía de una de estas dos cisteínas. Por si no se dieron cuenta, el azufre pesa 32Da y el hidrógeno 1Da, entonces el grupo SH2 que pasa al tiazol pesa 34Da, justo los que se pierden de la enzima. Esto lo confirmaron cuando al sitio activo le hicieron un tratamiento con a una acetamida (un compuesto que se une a los residuos -SH de la cisteína). Cuando la enzima estaba mutada, la acetamida (CM) se unía a las dos cisteínas, algo que no ocurría cuando la enzima era funcional. Fragmento correspondiente al sitio activo. CC corresponde a las cisteínas. WT es la versión normal o silvestre y R301Q es la versión mutada. Las cetamidas (CM) sólo pueden unirse a la versión mutada porque el azufre de la cisteína-205 no puede pasar al tiazol. Cuando el azufre de la Cys-205 se pierde, se forma una dehidroalanina, la cual reacciona con el azufre del Cys-204 formando un enlace cíclico que no puede reaccionar con la cetamida. Para saber cuál de los dos azufres era el que pasaba al tiazol, los investigadores mutaron y remplazaron las cisteínas por serinas. Los resultados mostraron que sólo el cambio de la Cys-205 por la serina provocaba una pérdida de la función enzimática. Esto indicaba que era la Cys-205 la que donaba su grupo SH2 al tiazol. Una vez que la cisteína-205 perdía su azufre, se convertía en una dehidroalanina formando un enlace cíclico con el grupo –SH de la cisteína-204, evitando su unión a la acetamida. Chatterjee et al. también descubrieron que la THI4p era dependiente de el Hierro (II) (Fe2+). Cuando las bacterias que portaban este gen los pusieron en un medio mínimo (M9), la síntesis de vitamina B1 se reducía considerablemente. La función se restauraba una vez que se agregaba el hierro (II) al medio. Los investigadores determinaron que el hierro (II) activa el grupo tiol y se da en condiciones anaeróbicas porque se oxida con gran facilidad formando FeO (óxido ferroso). Finalmente, Chatterjee y sus colegas observaron que la enzima THIp4 no se regeneraba y no se podía volver a usar una vez que perdía su azufre. Todas las enzimas que participan en la biosíntesis de la vitamina B1 se expresan en cantidades muy bajas; sin embargo, la THIp4 está sobreexpresada. Cuando analizaron las proporciones de THI4p y vitamina B1, estas eran iguales (1:1) —cada enzima producía un tiazol. Este caso, si bien es bastante inusual, no es el primero. En el año 1985 Demple et al. descubrieron a la primera enzima suicida. Se trataba de la proteína Ada, una metiltransferasa que repara las O6-metilguaninas y los metilfosfotriésteres del ADN cuando sufren algún tipo lesión. Como su nombre lo dice, repara el daño transfiriendo el grupo metil de una cisteína de su sitio activo. En este caso, la enzima inactiva que queda funciona como un inductor de su propio gen, generando más proteínas Ada que reparan más lesiones. Sin embargo, queda por investigar si la THIp4 inactiva también tiene un efecto inductor similar a la proteína Ada. Lo cierto es que hay casos en que las enzimas pueden funcionar tan sólo una vez, contradiciendo nuestra creencia de que todas las enzimas pueden reusarse muchas veces antes de degradarse. Referencia: Chatterjee, A., Abeydeera, N., Bale, S., Pai, P., Dorrestein, P., Russell, D., Ealick, S., & Begley, T. (2011). Saccharomyces cerevisiae THI4p is a suicide thiamine thiazole synthase Nature, 478 (7370), 542-546 DOI: ... Read more »

Chatterjee, A., Abeydeera, N., Bale, S., Pai, P., Dorrestein, P., Russell, D., Ealick, S., & Begley, T. (2011) Saccharomyces cerevisiae THI4p is a suicide thiamine thiazole synthase. Nature, 478(7370), 542-546. DOI: 10.1038/nature10503  

  • January 9, 2011
  • 04:59 PM
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¿Por qué las plantas florecen en primavera?

by David Castro in BioUnalm

Antes de empezar definiré qué es la vernalización. Para esto quiero que se pregunten ¿por qué la gran mayoría de plantas florecen en primavera más que en otras estaciones? Tal vez  muchos se han hecho esta pregunta cuando eran niños, tal vez otros se la sigan haciendo pero les da vergüenza preguntar. La respuesta es que las plantas, al ser sometidas a un prolongado periodo a bajas temperaturas, adquieren una competencia para producir flores, a este fenómeno se le llama vernalización. Tal vez este fenómeno no es apreciable en nuestro país y en otros países ubicados cerca al ecuador, ya que por nuestra latitud, las temperaturas no pasan de 35°C en el verano a -20°C en el invierno como en Europa o EEUU. En el Perú, generalmente van de 35°C a 22°C en la selva, de 25°C a 5°C en la sierra y de 30°C a 10°C en la costa, dependiendo si es verano o invierno, respectivamente. Además, como la duración del día y la noche tanto en verano como en invierno no se desvían más de 1 hora (11 – 13 horas), nuestra temperatura promedio por día es bastante agradable. La vernalización es ampliamente aprovechada por los horticultores, para inducir la floración de sus plantas ornamentales en cualquier momento del año, siempre y cuando tengan un vivero con la temperatura y la iluminación controlada. Los horticultores ponen a sus plantitas en ambientes fríos por unas cuantas semanas y luego las regresan al ambiente con una temperatura agradable, al cabo de unos días empiezan a florecer. En otras palabras, someten a las plantas a un invierno artificial. Es por esta razón, que en la naturaleza, las plantas florecen en primavera, justo después del invierno, para así garantizar su éxito reproductivo. Sin embargo, se desconoce las bases bioquímicas y moleculares de este fenómeno. Además, tampoco se entiende por qué se da este fenómeno sólo en el invierno y no en el otoño, donde las temperaturas también son bajas la mayoría de los días. Fue así que Jae Bok Heo y Sibum Sung, ambos investigadores de la Universidad de Texas estudiaron a profundidad cómo se da este mecanismo en la planta modelo Arabidopsis thaliana. En A. thaliana la vernalización está controlado por el locus FLC (FLOWERING LOCUS C), quien es un potente represor de la floración. Durante el invierno, la cantidad de ARN mensajero (ARNm) de FLC disminuye progresivamente. La expresión de FLC baja debido a cambios en la estructura de la cromatina. Los cambios en la cromatina están controlados por un grupo de proteínas llamadas Polycomb como la PRC2. Por si no lo recuerdan, el ADN al ser tan largo que no cabría dentro de la célula, necesita empaquetarse y compactarse. Este empaquetamiento se da gracias a la acción de unas proteínas llamadas Histonas, que sirven como sostén para que el ADN se enrolle sobre él. De esta manera se forman los cromosomas. Pero, cuando el ADN está empaquetado no puede ser transcrito y los genes no serán expresados. Pero, un reciente descubrimiento muestra que el locus FLC al ser expresado de manera inversa, genera un ARN antisentido que boquea al ARNm de FLC. Este ARN antisentido se llama COOLAIR, el cual reprime a FLC durante la primera fase de la vernalización. Entonces, para que no se pierdan, haremos un recuento cronológico. Una vez que las flores fueron fecundadas, las altas temperaturas del verano y las temperaturas templadas del otoño mantienen activa la expresión del locus FLC, reprimiendo la floración de las plantas durante estas estaciones. Cuando llega el invierno, el constante frío hace que los niveles de FLC empiecen a caer, gracias a la acción de PCR2 que modifica la cromatina y el aumento en la expresión del ARN antisentido COOLAIR que bloquea al ARNm de FLC. Sin embargo, hasta ahora no se sabía como PCR2 se unía a la cromatina para modificarla. Así que Heo & Sung identificaron otro ARN no codificante que se expresa una vez que COOLAIR alcanza su pico máximo de expresión. A este ARN le pusieron el nombre de COLDAIR (COLD ASSISTED INTRONIC NO CODING RNA). El promotor de este ARN no codificante se encuentra en el primer intrón del locus FLC (ver Figura). Recordemos que en eucariotas, los genes están conformados tanto por intrones y exones. Cuando se transcribe un gen a partir de ADN se forma un pre-ARNm, el cual posee tanto los intrones como los exones, sin embargo, los intrones no llegan a traducirse en proteínas y por lo tanto son eliminados en un proceso conocido como splicing. De esta manera el pre-ARNm pasa a ser un ARNm, compuesto de puros exones. La inducción de la expresión de COLDAIR sólo depende del frío, mas no de otros factores de transcripción codificados en el genoma de la planta, así que se acción es independiente. Pero, ¿por qué COLDAIR no se expresa en otoño cuando hay algunos días fríos? La clave es que COOLAIR modifica la cromatina de tal manera que COLDAIR pueda expresarse. Y como vimos anteriormente, la cantidad de COOLAIR aumenta gradualmente a medida que la planta está siendo sometida al frío. Cuando COOLAIR alcanza un pico máximo de expresión recién en ese momento se expresa COLDAIR y la cantidad de ARNm de FLC cae considerablemente. A este pico máximo se le llama umbral. Esta es la explicación de por qué se requiere de una prolongada exposición al frío continuo para que la planta experimente la vernalización. Para que los niveles de COOLAIR logren acumularse hasta alcanzar el pico máximo. Ahora, ¿para qué sirve COLDAIR? Ya vimos que PCR2 es necesario para la modificación de la cromatina y la posterior represión de FLC. Sin embargo, PCR2 está unida a una región del locus FLC que no afecta su transcripción, así que PCR2 debe ser movido hacia un punto donde si afecte la expresión de FLC. COLDAIR se encarga de este trabajo manteniéndose el tiempo suficiente como para que PCR2 sea capturado y realice su trabajo de modificar la cromatina. Una vez PCR2 se ubica en el locus FLC, modifica las histonas H3 mediante metilaciones, formando una estructura más estable y empieza a unirse a más PCR2 gracias a la acción de proteínas accesorias como la VIN3 y la VIL1. En este punto ya no se requiere de la presencia de COLDAIR y termina por desaparecer. Así que para el final de la vernalización ya no hay ni FLC, ni COOLAIR ni COLDAIR y la planta empieza a formar las flores, coincidiendo justo con el inicio de la primavera. Aquí les pongo un diagrama que resume todo el proceso: Las plantas están muy adaptadas a su ambiente. Su sistema de represión de FLC está sincronizado con la duración del invierno según la región donde habitan. Es por esta razón que hay muchas plantas ornamentales que nunca producirán sus bellas flores si no se encuentran en su ambiente natural. Hacer una vernalización artificial es la mejor solución. Esto también explica por qué el calentamiento global afecta el comportamiento de las plantas, ya que se ha observado que algunas plantas han adelantado sus periodos de floración durante los últimos años. Esto puede perjudicarlas enormemente ya que los insectos que las polinizan y las aves que transportan sus semillas pierden la sincronización, y hay una considerable pérdida en la biodiversidad. Aún falta determinar cómo hace el frío para inducir la expresión de COOLAIR y COLDAIR, y como FLC vuelve a su estado activo una vez que las temperaturas aumentan. Una posible explicación es que... 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  • September 1, 2011
  • 12:27 AM
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Scale—volviendo los tejidos transparentes

by David Castro in BioUnalm



Uno de los retos más grandes dentro de las investigaciones biológicas es poder ver las células que conforman los tejidos internos de los animales entre tres dimensiones y con una resolución que hasta ahora sólo era obtenida con animaciones computarizadas. Un grupo de investigadores japoneses han desarrollado una novedosa solución acuosa llamada Scale que permite volver los tejidos en estructuras ópticamente transparentes, sin perder su forma ni función. Además, han usado esta sustancia para estudiar a fondo el cerebro de ratones a una escala subcelular y con una resolución sin precedentes. El artículo fue publicado ayer en Nature Neuroscience. Una de las cosas más difíciles es observar la disposición estructural y la geometría que adoptan las células en los tejidos que forman órganos como el hígado, los riñones o el cerebro. Una de las formas de obtener imágenes tridimensionales es usando técnicas de tomografía por resonancia magnética, la cual carece de una resolución a nivel celular y subcelular. Otra forma es rebanando (seccionando) un determinado tejido en tajadas sumamente delgadas y observándolas bajo un microscopio electrónico. Si bien esta última técnica permite reconstruir la estructura tridimensional de un tejido, el proceso es sumamente laborioso y costoso —sólo se puede analizar una pequeña porción de un determinado tejido. El seccionamiento óptico usando proteínas fluorescentes permite acelerar el proceso y reducir los costos. Sin embargo, su poder de penetración está limitado por la dispersión de la luz. Por ejemplo, la microscopia de escaneo láser confocal sólo tiene un poder de penetración de 150um, mientras que la microscopía de excitación de dos fotones puede alcanzar los 800um. Si nos preguntamos cómo podríamos solucionar el problema de la dispersión de la luz la respuesta más lógica sería incrementando la transparencia de los tejidos, para que la luz pueda penetrar más distancia antes de refractarse. En el mercado existen sustancias que clarifican los tejidos, por ejemplo, el FocusClear® —muy costoso para grandes muestras. También existen otras más caseras como la sucrosa al 60% con PBS o el BABB (una mezcla de alcohol bencílico y benzoato bencílico), la cual es más usada por su facilidad y bajo costo. Sin embargo, estas técnicas pueden interferir y atenuar la fluorescencia o muchas veces no vuelven los tejidos lo suficientemente transparentes como para hacer buenos estudios tridimensionales. Un grupo de investigadores japoneses liderados por el Dr. Hiroshi Hama desarrollaron una solución llamada Sca/e, la cual está compuesta por urea 4M, glicerol 10% y Triton X-100 0.1%. [Creo que estos insumos están presentes en cualquier laboratorio]. Hama y sus colaboradores probaron el Scale en embriones de ratones y obtuvieron la imagen ubicada al inicio de esta entrada. Para probar si la fluorescencia era atenuada por la solución de Scale, los investigadores probaron la técnica de clarificación en una línea celular humana (HeLa). Los resultados mostraron que la fluorescencia no era atenuada. Una vez obtenidos estos resultados, probaron la técnica in vivo. Para ello usaron una línea de ratones transgénicos (YFP-H) con la capacidad de expresar la proteína amarilla fluorescente (YFP) en las neuronas. Usando el microscopio de excitación de dos fotones lograron hacer la reconstrucción tridimensional hasta una profundidad de 4mm! Pero, cuando se marcó fluorescentemente de manera exclusiva un cierto grupo de neuronas, el poder de penetración fue mucho mayor. Hama et al. marcaron los axones de las neuronas del corpus callosum, que es el encargado de comunicar ambos hemisferios del cerebro. Para ello usaron el Microscopio Macro Confocal AZ-C1 de NIkón y lograron obtener imágenes a una profundidad de 35mm. Con esto queda demostrado los usos potenciales de esta técnica, sobre todo para revelar cómo se ensambla el sistema nervioso y como se forman las conexiones interneuronales —también conocido como el conectoma— en el cerebro. Por ejemplo, Hama y sus colaboradores usaron otra proteína fluorescente, esta vez roja, para estudiar la asociación de las vasos capilares con las células madre neuronales. También se usaron otras técnicas específicas de marcación fluorescente para observar otros arreglos neuronales en el cerebro. Las posibilidades de visualización son muchas. Los investigadores desarrollaron también otras variantes del Scale, usando diferentes concentraciones de glicerol para reducir la expansión observada en los tejidos sometidos al Scale original. Por otro lado, usando urea más concentrada se lograba reducir el tiempo de clarificación de varias semanas y hasta meses, a tan sólo una semana. Además, la clarificación con Scale es reversible ya que bastaba con un lavado con PBS para restaurar la opacidad original del tejido. Sin dudas, es un procedimiento sencillo y económico que ayudará a entender más a fondo el desarrollo y función del cerebro en los animales superiores. Además, Scale nos ayudará a ver cómo se organizan las neuronas y cómo interactúan entre ellas en el cerebro, sin la necesidad de seccionarlo. La conectómica ahora tiene un gran aliado. Referencia: ... Read more »

Hama, H., Kurokawa, H., Kawano, H., Ando, R., Shimogori, T., Noda, H., Fukami, K., Sakaue-Sawano, A., & Miyawaki, A. (2011) Scale: a chemical approach for fluorescence imaging and reconstruction of transparent mouse brain. Nature Neuroscience. DOI: 10.1038/nn.2928  

  • November 11, 2010
  • 04:29 PM
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Obtención de metabolitos secundarios a partir de células madre vegetales

by David Castro in BioUnalm

Los productos naturales obtenidos de plantas han sido nuestra principal fuente de medicamentos, insecticidas, tintes, aromas y condimentos. Muchos de los compuestos que han salvado al mundo de enfermedades devastadoras como la malaria (quinina) o ciertos cánceres (vincristina, vinblastina, taxol), son derivados de las plantas. Pero, en los últimos años, las investigaciones en estos productos naturales han sido eclipsados por el desarrollo de técnicas como el tamizaje de alto rendimiento (high throughput screening), el cual se basa en probar – uno por uno – un catálogo de miles de moléculas contra diferentes agentes, ya sean microorganismos, virus, células cancerígenas u otros compuestos químicos. Sin embargo, hasta ahora no se ha podido igualar la eficiencia de los productos naturales de las plantas, ya que son sus complejas estructuras, difíciles de obtener mediante síntesis orgánica, las responsables de su actividad farmacológica. Pero, el principal problema es que, por ser metabolitos secundarios, su concentración en las plantas es muy baja y muchas veces se expresan sólo en condiciones especiales, lo cual reduce su rendimiento (cantidad de producto obtenido por planta) y se necesitan extraer más plantas para poder satisfacer la demanda del producto, esto trae consigo la reducción de su población y, posteriormente, su extinción. Muchos investigadores han desarrollado técnicas de cultivo in vitro de estas plantas, con medios especiales para promover la producción del metabolito secundario deseado, funcionando muy bien a pequeña escala, pero, cuando es llevado a un biorreactor de producción de gran escala, su rendimiento cae considerablemente y la viabilidad de los cultivos se pierde a medida que pasa el tiempo. Otra estrategia usada es identificar los genes responsables de la síntesis del metabolito secundario deseado, aislarlos e insertarlos en bacterias de fácil cultivo y crecimiento, mediante la ingeniería genética, para que sean las bacterias y no las plantas las encargadas de producir la molécula, o por lo menos un precursor a ella que luego es transformado en el compuesto deseado mediante síntesis orgánica. Sin embargo, la cantidad de enzimas involucradas en la síntesis del producto, así como los factores de transcripción que sólo se encuentran dentro de las células vegetales de donde fueron extraídos, hace que la bacteria sea incapaz de producir el metabolito secundario deseado. El Taxol®, es quizás la droga más usada en el tratamiento del cáncer. Este fármaco es derivado del paclitaxel, un metabolito secundario obtenido de la corteza del “tejo del pacífico” (Taxus brevifolia). Debido a la sobre-explotación de este árbol, grandes empresas farmacéuticas desarrollaron un método alternativo para producir paclitaxel usando biorreactores. La técnica consistía en cultivar células obtenidas de los embriones y pistilos de diferentes especies de Taxus. Estos medios de cultivo eran especiales porque permitían que estas células pasen a un estado de desdiferenciación (CDD) formando pequeños “callitos”. Luego, estas mezcla de células desdiferenciadas son puestas en biorreactores para producir el metabolito deseado. Sin embargo, este método de producción del paclitaxel tenía varias limitaciones incluyendo una baja tasa de crecimiento, agregación de las células (que dificultaban la producción a gran escala), bajos rendimientos y alta variabilidad en el producto obtenido. Un gran avance en este campo fue presentado por Lee et al. en la revista Nature Biotechnology. En vez de cultivar una mezcla de células desdiferenciadas, Lee usó células del cambium vascular, que forma parte del meristemo lateral de la planta (célula vegetal de constante crecimiento, capaces de diferenciarse en diferentes tejidos, o sea, similar a una célula madre) y las propagó en un medio de cultivo especial para inducir la formación de callos, tal como en el método anterior. ¿Cómo hizo Lee para extraer estas células? Primero extrajeron el cambium vascular con todas sus partes (indicados con flechas, en el mismo orden que la figura a): médula (amarillo), xilema (blanco), cambium (verde), floema (rojo), córtex (azul) y epidermis (turquesa). Luego, pelaron cuidadosamente y separaron la médula y el xilema de lo demás.  Luego, cultivaron el cambium, floema, córtex y epidermis en un medio especial para inducir la formación de los callitos. Después de unos días, se ve claramente la división entre las células desdiferenciadas (CDD) del floema, córtex y epidermis (Bottom) de las células indiferenciadas del cambium (Top). Separaron esos dos tipos celulares y se quedaron con las células meristemáticas del cambium (CMC). Las CMC fueron transferidas a un frasco con medio líquido y observaron que se desagregaron en pequeños grupos de células. Esto es una gran ventaja, porque si recordamos un poco, es la agregación de células la que provoca una caída en el rendimiento del producto en las CDD. Al medir el tamaño de los agregados celulares, en CMC el 95% medía menos de 0.5mm, mientras que en las CDD sólo el 5% eran de este tamaño. En cuanto al rendimiento de producción se encontraron grandes diferencias. Usando técnicas cuantitativas precisas (HPLC y LC-MS) determinaron que el rendimiento en frascos experimentales (125mL) fue tres veces superior usando las CMCs. Pero, como los lotes de producción son de varios litros, se debía estudiar el comportamiento de las células en mayores volúmenes, donde las fuerzas de cizalla o corte debido a la agitación, son bastante perjudiciales. En un pequeño biorreactor de 3 litros, las CMCs produjeron 100000% (cien mil porciento) más biomasa que las CDDs, y en cuanto al rendimiento de producción en estos tanques de 3 litros, las CMCs produjeron 8 veces más paclitaxel que las CDDs. Otra gran diferencia fue que las CMCs secretaban al medio de cultivo el 74% del paclitaxel que producían, mientras que las CDDs menos del 5%. Esto es una gran ventaja porque permite reducir los costos de purificación del producto que es lo más caro de todo el proceso. Aún así, falta mucho por investigar ya que se deben mejorar las células mediante la ingeniería genética y metabólica para aumentar sus rendimientos, de esta manera poder reducir los costos de producción, y por lo tanto, el precio del producto en e... Read more »

Lee, E., Jin, Y., Park, J., Yoo, Y., Hong, S., Amir, R., Yan, Z., Kwon, E., Elfick, A., Tomlinson, S.... (2010) Cultured cambial meristematic cells as a source of plant natural products. Nature Biotechnology, 28(11), 1213-1217. DOI: 10.1038/nbt.1693  

  • February 16, 2011
  • 05:59 AM
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¿Los receptores olfativos reconocen la forma de las moléculas o las vibraciones moleculares?

by David Castro in BioUnalm

Si les pregunto… ¿Cuál de todos tus sentidos es el más importante? Les aseguro que casi el 100% me dirá la vista. Para muchos quedar ciegos es lo peor que nos podría pasar en la vida, y tal vez sea cierto, porque casi todo lo que hacemos depende de ella. Para otros animales, el oído será el sentido más importante, sobre todo para aquellos que viven en las profundidades del mar o para los que se valen del sonar para poder cazar o de la ecolocalización para poder orientarse. Para otros animales, el más importante será el olfato, ya que gracias a él pueden detectar las moléculas que hay en el entorno (feromonas) y poder encontrar una pareja con quien aparearse. En los humanos, hemos despreciado mucho al sentido del olfato. Sin embargo, para muchos biólogos evolutivos, este sentido es uno de los más importantes, tal vez tan importante como lo es el sentido de la vista. En primer lugar, un olor puede evocar muchos más recuerdos que una imagen o un sonido. Y en segundo lugar, un gran porcentaje de los sabores que sentimos se dan gracias al sentido del olfato y no del gusto. Esto lo podemos demostrar fácilmente al taparnos la nariz y tomar un sorbo de café y uno de té. No podremos distinguir la diferencia entre ellos. Otro ejemplo es cuando tomamos un jarabe muy feo, al taparnos la nariz pasará desapercibido. Cuando estamos resfriados y con la nariz tapada, las comidas nos sabrán insípidas. El cebiche no será el mismo si nos tapamos la nariz. A pesar de ser un sentido muy importante, sabemos poco acerca de su funcionamiento. De manera sencilla, la principal teoría que explica cómo olemos dice que cada molécula o parte de ella (odotipos) es reconocida en base a su forma (disposición de sus átomos) por un receptor en particular, formando u mecanismo tipo ‘llave-cerradura’. Sin embargo, la principal falla de esta teoría es que podemos captar decenas de miles de olores diferentes sólo con unos cientos de receptores, ¿cómo puede ser posible esto bajo un mecanismo de llave-cerradura? Otra falla en la teoría es que moléculas con estructuras muy similares tienen olores completamente diferentes. Una teoría alternativa para explicar como los receptores olfativos reconocen un olores se basa en las vibraciones de los átomos o de los grupos funcionales que conforman una molécula. Reemplazando los átomos de hidrógeno por deuterio, sería una buena forma de probar esta teoría. El deuterio es un isótopo del hidrógeno el cual tiene un neutrón y un protón en el núcleo, volviéndolo el doble de pesado que el hidrógeno y afectando la vibración molecular. A pesar de la sutil diferencia entre el hidrógeno y el deuterio, las propiedades químicas de ambos isótopos son las mismas. Esto quiere decir que la molécula que posea deuterio en vez de hidrógeno tendrá las mismas propiedades químicas que la molécula original. Entonces, si la molécula deuterada y no deuterada posee las mismas propiedades químicas y estructurales, no debería haber diferencia entre ellas al momento de olerlas si la teoría de llave-cerradura es la correcta. Sin embargo, científicos griegos liderados por la Dra. María Isabel Franco, demostraron que la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) tiene la capacidad de distinguir el olor de una misma molécula deuterada y no deuterada, según reportaron el día lunes en PNAS. Para probar la hipótesis de las vibraciones moleculares, los investigadores usaron un compuesto comercial llamado aceptofenona (ACP). La ACP también fue comprada en sus versiones deuteradas, las cuales tenían 3, 5 y 8 átomos de deuterio reemplazando a los hidrógenos. Las cuatro versiones del ACP fueron diluidos y puestos en dos extremos de un pequeño laberinto en forma de ‘T’. Las moscas se sintieron atraídas por el compuesto así que compararon la respuesta hacia el ACP normal con los deuterados. Los resultados mostraron que las moscas tenían la capacidad de distinguir entre las dos versiones de la ACP, y cuanto más deuterada se encontraba, más se alejaban de ella. Además, se obtuvo el mismo resultado cuando se usó 1-octanol normal y deuterado, y también cuando usaron benzaldehido normal y deuterado. Las moscas distinguían estos dos tipos de moléculas y en casi todos los casos no les gustaba la versión deuterada de la molécula. Para corroborar estos resultados, los investigadores entrenaron a las moscas para que evitaran escoger una de las dos moléculas a través de una descarga eléctrica. Por ejemplo, cada vez que la mosca elegía la ACP normal recibía una descarga eléctrica. Así que cuando pusieron en el laberinto la versión deuterada con la normal, las moscas elegían la versión deuterada, a pesar que en el primer experimento no lo hacían. Esto demostraba que las moscas eran capaces de distinguir entre los dos olores. Si bien en humanos no se ha demostrado la capacidad de distinguir el olor de moléculas deuteradas y no deuteradas, este artículo ofrece una buena evidencia que indicaría que la teoría de las vibraciones moleculares es la correcta. Aunque ha científicos que se mantienen escépticos ya que creen que las moscas tienen la capacidad de distinguir entre una molécula deuterada y otra no deuterada, sin la necesidad de que las vibraciones moleculares jueguen un papel crucial en este echo. Para responder a esta crítica, los científicos diseñaron otro experimento en el cual se reemplazó los enlaces carbono-deuterio  (C-D) por grupos nitrilo (C≡N), los cuales poseen una vibración similar. Cuando a las moscas entrenaron para que la mosca relacionara la descarga eléctrica con la versión normal de la molécula y luego las sometieron al laberinto confrontando las versiones deuteradas y nitriladas, las moscas no pudieron encontrar diferencia significativas entre ellas, dando un punto a favor a la teoría de las vibraciones moleculares. Bueno, el estudio se ve bastante prometedor, pero no significa que nuestro sentido del olfato funcione de esta manera, aunque si ayudaría a resolver ciertas interrogantes. Se debe hacer experimentos similares en humanos, pero dichos experimentos deben ser bien diseñados ya que nosotros no podemos distinguir entre una forma normal y una deuterada, ya que nuestros receptores olfatorios no son tan sensibles. Aunque los perros, quienes también tienen buenos receptores olfatorios, tampoco pueden discriminar entre una y otra molécula, lo cual indicaría que hay algo más que aún nos falta entender. Referencia: Franco, M., Turin, L., Mershin, A., & Skoulakis, E. (2011). Molecular vibration-sensing component in Drosophila melanogaster olfaction Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1012293108 BioUnalm
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Franco, M., Turin, L., Mershin, A., & Skoulakis, E. (2011) Molecular vibration-sensing component in Drosophila melanogaster olfaction. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.1012293108  

  • July 18, 2011
  • 03:20 PM
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La carencia de un gen convierte a un ratón en todo un maratonista

by David Castro in BioUnalm



¿Te imaginas algún día tomar un medicamento capaz de bloquear la acción de un gen y convertirte en todo un atleta capaz de completar la Maratón de Nueva York fácilmente?. Tal vez ese día está más cerca de lo que pensamos ya que un grupo de investigadores australianos y estadounidenses liderados por el Dr. Emidio Pistilli de la Universidad de Pensilvania demostraron que aquellos ratones que carecían del gen IL-15Rα mostraban una mayor capacidad atlética y resistencia a la fatiga según un artículo publicado hoy en The Journal of Clinical Investigation. El gen IL-15Rα codifica para un receptor de membrana que reconoce a la citoquina llamada IL-15. Tanto el receptor como su ligando se expresan en una gran variedad de tejidos, pero es en el tejido muscular esquelético donde dicha expresión es mayor, es por esta razón que tienen un rol importante en el fenotipo de los músculos y se los ha encontrado asociados con la resistencia muscular, síndromes metabólicos e incluso con la obesidad. Para determinar si este gen tiene algún efecto sobre la capacidad atlética de un organismo, Pistilli et al. desarrollaron ratones mutantes carentes del gen IL-15Rα. Los ratones, al igual que los humanos, poseen dos tipos de tejido muscular: los de contracción rápida, encargados de los movimientos más finos (Ej.: los músculos de los dedos) y los de contracción lenta, encargados de los movimientos más grandes (Ej.: los músculos de las piernas o la espalda). Los músculos de contracción rápida son menos resistentes a la fatiga, así que los investigadores primero se enfocaron en el músculo extensor largo de los dedos de los ratones carentes del gen IL-15Rα. Los investigadores observaron que en estos ratones mutantes había un reordenamiento del tejido muscular de contracción rápida el cual mostró un fenotipo más oxidativo y una mayor resistencia a la fatiga. Sin embargo, la resistencia no se debe a que el músculo de contracción rápida se convirtió en uno de contracción lenta, sino que el cambio se encontraba a nivel del número de mitocondrias y fibras musculares. Luego, Pistilli et al. quisieron ver que efectos tenía este cambio fenotípico en los músculos sobre la capacidad atlética del ratón. Para ello, los investigadores pusieron una rueda giratoria dentro de las jaulas de los ratones. Estas ruedas giratorias estaban acopladas a un dispositivo que contabilizaba el número de revoluciones que da, para así determinar la distancia recorrida por el ratón. Los resultados obtenidos fueron sorprendentes: los ratones que no tenían el gen IL-15Rα recorrían seis veces más distancia que los ratones normales (B6129). Si bien estos estudios han sido hechos en ratones, existen reportes de análisis genéticos de este mismo gen en humanos. Los datos han mostrado que ciertas mutaciones en estos genes (IL15 y IL-15Rα) están asociados con la respuesta del tejido muscular al entrenamiento físico. Por ejemplo, hay una mutación puntual en el exón 3 del gen IL-15Rα que se está presente en ciertos atletas de élite, principalmente en aquellos que requieren de gran resistencia a la fatiga. Estos resultados no indica que si queremos convertirnos en todos unos maratonistas basta con bloquear el gen IL-15Rα ya que éste se expresa no sólo en los músculos, sino en muchos otros más, y los efectos sobre la fisiología de nuestro organismo podrían ser perjudiciales. Por otro lado, los investigadores no entienden por qué los ratones mutantes tenían ese deseo de correr mayores distancias en sus ruedas giratorias —que tengan una mayor resistencia física no indica que los ratones corran voluntariamente por más tiempo. Sin embargo, entender a fondo la función de este gen podría ayudar a solucionar ciertos tipos de enfermedades metabólicas que aquejan a la humanidad. Referencia: Pistilli, E., Bogdanovich, S., Garton, F., Yang, N., Gulbin, J., Conner, J., Anderson, B., Quinn, L., North, K., Ahima, R., & Khurana, T. (2011). Loss of IL-15 receptor α alters the endurance, fatigability, and metabolic characteristics of mouse fast skeletal muscles Journal of Clinical Investigation DOI: 10.1172/JCI44945 BioUnalm... Read more »

Pistilli, E., Bogdanovich, S., Garton, F., Yang, N., Gulbin, J., Conner, J., Anderson, B., Quinn, L., North, K., Ahima, R.... (2011) Loss of IL-15 receptor α alters the endurance, fatigability, and metabolic characteristics of mouse fast skeletal muscles. Journal of Clinical Investigation. DOI: 10.1172/JCI44945  

  • May 21, 2010
  • 02:53 AM
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En busca de nuevos compuestos antimaláricos

by David Castro in BioUnalm

La malaria es una enfermedad que afecta a cientos de millones de personas en el mundo. Durante la mayor parte del siglo XX, se ha combatido esta enfermedad con drogas de rápido efecto y bajos precios como la cloroquina y la sulfadoxina-pirimetamina; sin embargo, desde los años 60’s, estas drogas han sucumbido a la aparición de Plasmodium resistentes a estas drogas, las cuales se han diseminado por todo el mundo. En los años 90’s, el 50% de las muertes infantiles en África se debían al P. falciparum. Actualmente, los tratamientos se basan en terapias combinadas con derivados de la artemisina; y junto al uso de insecticidas para controlar la población de mosquitos, se ha ido reduciendo la incidencia de esta enfermedad, pero aún así, es muy alta. Es así que Gamo et al. probaron la capacidad antimalárica —inhibidores del ciclo intra-eritrocítico— de aproximadamente 2 millones de compuestos diferentes obtenidos de la librería química de GlaxoSmithKline. (Este experimento se parece mucho al realizado por Min Gao et al. para buscar inhibidores de la replicación del HCV). Gamo describió 13533 compuestos diferentes que inhibían más del 80% del crecimiento del parásito usando una concentración de sólo 2uM. El 15% presentaron signos de toxicidad en cultivos de células hepáticas y el 82% eran de propiedad de la empresa farmacéutica, así que eran desconocidos para la comunidad científica. Sin embargo, a fin de encontrar nuevos compuestos antimaláricos, se han puesto estás moléculas a libre disposición de cualquier investigador en el mundo. Al probarlos en la cepa Dd2, la cual es resistente a muchas drogas derivadas de las quinolinas y antifolatos, ~8000 presentaron un efecto inhibitorio superior al 50% y sólo ~2000 no mostraron actividad alguna en células hepáticas. Todos los compuestos seleccionados se agruparon según su estructura y propiedades químicas. Se encontró que dos grupos actuaban sinérgicamente con los derivados de la arteminisa, lo cual es muy favorable y beneficioso para el control de la enfermedad porque evitamos que el Plasmodium adquiera resistencia rápidamente. Además, se probaron los compuestos seleccionados en otros parásitos patogénicos: Toxoplasma, Leishmania y Trypanosomas, y encontraron que la mayoría de ellos eran específicos para el Plasmodium. Al determinar las propiedades farmacocinéticas de los compuestos (absorción, eliminación y distribución en el organismo), los investigadores quedaron muy satisfechos. Gamo encontró que muchos de los compuestos antimaláricos encontrados en este estudio tenían una actividad sobre las enzimas kinasa del Plasmodium. Además, estos datos pueden ser usados para el tratamiento de enfermedades producidas por desórdenes de las kinasas como ciertos tipos de cánceres y tumores, artritis, diabetes y enfermedades cardiovasculares. Otro lugar donde tienen efecto es a nivel de las interacciones celulares entre el hospedero y el patógeno. Este estudio no es concluyente, más bien es el punto de inicio para el desarrollo de nuevos compuestos antimaláricos más efectivos que los anteriores. Toda esta base de datos esta disponible para cualquier investigador en European Bioinformatics Institute’s ChEMBL, con el fin de animar a los científicos de todo el mundo a encontrar alguno que tenga la capacidad de erradicar esta enfermedad del mundo. Para seleccionar un compuesto y ser probado en pacientes, primero debe cumplir con algunos requisitos: debe ser fácil de sintetizar, económico, efectivo en animales modelo como ratas, ratones y monos, seguros y no deben ser afectados por los mecanismos de resistencia de los Plasmodium actuales, no solo aquellos que causan la malaria, sino en especies de vida silvestre que podrían ser una fuente de resistencia para ser usado en cualquier momento. Referencia: Gamo, F., Sanz, L., Vidal, J., de Cozar, C., Alvarez, E., Lavandera, J., Vanderwall, D., Green, D., Kumar, V., Hasan, S., Brown, J., Peishoff, C., Cardon, L., & Garcia-Bustos, J. (2010). Thousands of chemical starting points for antimalarial lead identification Nature, 465 (7296), 305-310 DOI: 10.1038/nature09107 BioUnalm

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Gamo, F., Sanz, L., Vidal, J., de Cozar, C., Alvarez, E., Lavandera, J., Vanderwall, D., Green, D., Kumar, V., Hasan, S.... (2010) Thousands of chemical starting points for antimalarial lead identification. Nature, 465(7296), 305-310. DOI: 10.1038/nature09107  

  • November 11, 2011
  • 08:31 PM
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Descubren receptor usado por el parásito de la malaria para invadir los glóbulos rojos

by David Castro in BioUnalm



La malaria es una enfermedad que afecta a millones de personas en el mundo, sobre todo, en países tropicales como el nuestro. El agente causante de esta enfermedad es un protozoario llamado Plasmodium falciparum, quien invade los glóbulos rojos de la sangre (eritrocitos) a diestra y siniestra, destruyéndolos rápidamente. A inicios de año, vimos que un grupo de investigadores australianos usaron la microscopía electrónica, la inmunofluorescencia y el modelamiento en 3D, para observar y describir, en tiempo real todo, el proceso de invasión del parásito. Sin embargo, para que el parásito pueda invadir el eritrocito, antes debe reconocerlo. Por lo general, el reconocimiento se da a través de ciertas proteínas que se expresan tanto en la superficie de los glóbulos rojos (receptores) como en la superficie del parásito (antígeno o ligando). En los últimos años, se han descrito una gran cantidad de interacciones del tipo receptor-ligando. Sin embargo, hasta ahora ninguna de ellas ha demostrado ser esencial en el proceso invasivo. En el año 2009, otro grupo de investigadores australianos descubrieron una proteína esencial para la invasión del parásito en el glóbulo rojo. La proteína se llama PfRh5 y era expresada en las roptrias —unos organelos secretores situados la superficie apical del protozoo. Lamentablemente, los australianos no pudieron identificar a la proteína receptora presente en la superficie de los eritrocitos que es reconocida por la PfRh5. En un estudio publicado esta semana en Nature, un grupo investigadores británicos del Instituto Sanger de Cambridge han descrito a la proteína receptora clave usada por P. falciparum para reconocer e invadir los glóbulos rojos, dando nuevas perspectivas para el desarrollo de agentes terapéuticos mucho más efectivos. Lo primero que hicieron la Dra. Cécile Crosnier y sus colegas fue determinar qué proteínas del eritrocito presentaban un dominio ectópico (porción de la proteína que se expresa hacia la superficie de la célula y que podría ser usada como señal receptora). De un total de 40 proteínas candidatas, sólo una de ellas, la basigina (BSG), mostró una buena interacción con la PfRh5. [Por cierto: la BSG también es conocida como CD147 ó M6]. Las basiginas están implicadas en diferentes funciones fisiológicas, incluyendo la implantación del embrión en el útero, la espermatogénesis (ó formación de los espermatozoides) y el desarrollo de la retina. En nuestro cuerpo, esta proteína puede estar presente de dos formas: una larga, con tres dominios ectópicos IgSF (BSG-L); y una corta, con dos IgSF (BSG-S). Además, BSG es una glicoproteína, o sea posee azúcares en determinados aminoácidos de su secuencia, que podrían favorecer su reconocimiento por parte del parásito. Los científicos observaron que PfRh5 interactuaba de la misma manera con las dos isoformas de BSG, pero sólo lo hacía cuando al menos dos de los dominios IgSF (1 y 2) estuvieran presentes. Cuando BSG-S era modificado y se le quitaba uno de sus dos dominios IgSF, ya no había una interacción con PfRh5. Por otro lado, cuando se removían los azúcares de los aminoácidos de BSG, la interacción con PfRh5 no se veía afectada. Pero, ¿realmente la proteína BSG está involucrada en la invasión de los glóbulos rojos?. Si la respuesta es afirmativa, debería de haber una reducción o inhibición de la invasión si la proteína BSG fuera bloqueada antes de la infección. Crosnier et al. dieron una respuesta a la interrogante con tres ingeniosos experimentos. El primero consistía en aislar y purificar la basigina, para luego añadirla al medio de cultivo donde se llevaría a cabo la infección. Las BSG libres competirían con las BSG de las células por unirse a la proteína PfRh5 del parásito, reduciendo así su capacidad de invasión. Los resultados obtenidos fueron los esperados: la invasión fue fuertemente inhibida en presencia de un competidor. El segundo experimento consistía en bloquear la basigina usando anticuerpos contra ella (anti-BSGs). Las pruebas preliminares hechas por Crosnier y sus colaboradores ya habían demostrado que los anti-BSG bloqueaban la unión de la basigina a la PfRh5. Entonces, cuando aplicaron el anticuerpo en los medios de cultivo antes de ser inoculados con nueve cepas diferentes de P. falciparum, observaron que la invasión fue completamente inhibida en todas las cepas experimentadas. Este resultado, en particular, es bastante alentador porque esta estrategia demostró ser efectiva contra diferentes variantes de la proteína PfRh5. El tercer experimento consistía usar un ARN de interferencia para bloquear la expresión del gen que codifica para la basigina. Como era de esperarse, las células BSG— mostraron ser resistentes a la invasión por parte del protozoario. En fin, los resultados obtenidos en los tres experimentos apuntan hacia lo mismo: la basigina es esencial para el reconocimiento e invasión del Plasmodium falciparum a los glóbulos rojos. Las implicancias de este trabajo son grandes. En primer lugar, se ha identificado la proteína clave usada por el P. falciparum para reconocer e invadir los glóbulos rojos. En segundo lugar, se ha demostrado que los anticuerpos contra la basigina (anti-BSG) son más que suficientes para inhibir por completo la entrada del parásito al glóbulo rojo, al menos en el laboratorio. Y tercero, se puede analizar el gen que codifica para la basigina en diferentes poblaciones humanas que habitan en zonas expuestas a los mosquitos transmisores de la malaria para ver si presentan variantes que les confieren resistencia a la enfermedad. Referencia: Crosnier, C., Bustamante, L., Bartholdson, S., Bei, A., Theron, M., Uchikawa, M., Mboup, S., Ndir, O., Kwiatkowski, D., Duraisingh, M., Rayner, J., & Wright, G. (2011). Basigin is a receptor essential for erythrocyte invasion by Plasmodium falciparum Nature DOI: 10.1038/nature10606 Imagen | Flickr @flashlightfish ... Read more »

Crosnier, C., Bustamante, L., Bartholdson, S., Bei, A., Theron, M., Uchikawa, M., Mboup, S., Ndir, O., Kwiatkowski, D., Duraisingh, M.... (2011) Basigin is a receptor essential for erythrocyte invasion by Plasmodium falciparum. Nature. DOI: 10.1038/nature10606  

  • August 10, 2010
  • 12:26 AM
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Las esponjas y la complejidad animal

by David Castro in BioUnalm

Las esponjas existen desde hace unos 635 millones de años, siendo los primeros organismos multicelulares (metazoos) en aparecer sobre la Tierra. Conocerlos a fondo nos daría muchas claves acerca de la evolución de todos los animales complejos que hoy conocemos, desde las medusas hasta el mismo hombre. Las esponjas no tienen una arquitectura corporal definida – como si lo tienen los Bilaterios –, tampoco presentan órganos, ni músculos y mucho menos sistema nervioso. Por estas razones, científicos de la Universidad de Berkeley, liderados por la Dra. Mansi Srivastava, secuenciaron el genoma de una esponja típica, la Amphimedon queenslandica, y presentaron el primer borrador en la revista Nature. El genoma es relativamente pequeño – en comparación con el de otros animales – ya que cuenta con sólo 167Mpb (millones de pares de base); sin embargo, su genoma es sumamente complejo. Al analizarlo se identificaron ~30000 posibles genes (el 97% de su genoma es codificante), de los cuales 18693 (~63%) tienen homólogos en otros organismos. Para tener una visión mas clara del genoma de la esponja la compararemos con el genoma humano. Nuestro genoma tiene unos 3200Mpb y ~27000 genes. Sólo el 1.5% de nuestro genoma es codificante. Si es un organismo primitivo, ¿de donde tiene tantos genes?. En primer lugar, esos casi 30000 genes son putativos, o sea, han sido predichos usando herramientas bioinformáticas los cuales ubican codones de iniciación y codones de terminación para generar los ORFs (marcos abiertos de lectura). Luego, esos ~30000 genes han sido comparados con genes de otras especies usando herramientas como BLAST y ~18693 encontraron algún gen homólogo o semejante en toda la base de datos (GenBank). Además, los genes de la esponja presentaron una marcada conservación estructural (disposición de los intrones y exones) y una organización genómica similar al de otros animales más complejos. Esta semejanza estructural sugiere que el último ancestro común entre las esponjas y las “animales verdaderos” o Eumetazoos, ha sido el punto de partida de la alta complejidad de los animales que hoy conocemos. Ver la siguiente figura para explicarles: Filogenia de los metazoos Antes de secuenciar el genoma de la esponja se creía que la complejidad de los animales empezó desde el último ancestro común entre los unicelulares (Monosiga) y los animales (Metazoos), en la transición del lila al rosado; en otras palabras, las esponjas evolucionaron como un grupo parafilético; sin embargo, Srivastava et al. encontró que el 28% de las sustituciones de aminoácidos que diferencian al hombre del último ancestro común con los unicelulares ocurrió más adelante, antes de la divergencia entre las esponjas y los verdaderos animales (eumetazoos), en la transición del rosado al celeste, y este periodo se calcula que duró unos 150-200 millones de años, denominándolo periodo “pre-metazoo”. Pero, ¿que implicancias tiene este descubrimiento?. En primer lugar, los genes se agrupan por familias, según sus semejanzas en secuencias conservadas y función que cumplen. Las familias de genes de todos los metazoos suman 4670, de las cuales 1286 (27%) se encontraron en el genoma de la esponja. Este 27% vendrían a ser las familias de genes específicos de los metazoos y la madre de todas las demás familias de genes de los Eumetazoos, quienes, mediante duplicación genética, divergieron y evolucionaron. Esta divergencia aumentó entre 2 y 34 veces el número de factores de transcripción (reguladores de la expresión de los genes) en los eumetazoos con respecto a las esponjas. En cuanto a las proteínas codificadas por estos genes, se encontraron 235 dominios específicos de proteínas de animales complejos y 769 combinaciones de ellos que evolucionaron y divergieron en los eumetazoos. Todo esto sugiere y confirma que las esponjas ya tenían las familias de genes y proteínas madre de donde divergieron y evolucionaron todas las familias que hoy conocemos, mediante procesos de duplicación genética. La divergencia entre las esponjas y los eumetazoos fue el inicio de la complejidad de todos los animales que hoy conocemos. Otro punto bastante interesante del artículo es la presencia de 705 proteínas kinasa en Amphimedon, el número más grande reportado hasta el momento en cualquier metazoo, el cual incluye al 70% de las clases de kinasas humanas y al menos a un representante de la mayoría de clases de kinasa de todos los metazoos. Y, ¿que tienen de bueno las kinasas?. Las proteínas kinasa son la clave de la multicelularidad de los metazoos. Participan en los 6 procesos más importantes del desarrollo celular: Regulan el crecimiento y ciclo celular. Si bien la p53 apareció desde los Holozoos, su capacidad para responder ante el daño de ADN apareció justo cuando divergieron los eumetazoos, así como las Ciclinas dependientes de Kinasa (CDK) que son conocidos, en la actualidad, como supresores de tumores. La regulación del crecimiento celular vía insulina también emergió a partir de los genes ancestros PDK1 y Akt kinasas. Regulan la muerte celular programada (Apoptosis). Las proteínas clave en este mecanismo son las Caspasas, las cuales interactúan con muchas kinasas. Amphimedon codifica para ciertos iniciadores y efectores de caspasas. Adhesión celular. La adhesión célula-célula y célula-matriz celular es la clave para el desarrollo y evolución de los tejidos, componentes importantes de todos los animales. Las proteínas clave son las Cadherinas, las cuales son activadas vía fosforilación por kinasas. Amphimedon posee determinados receptores de membrana que interactúan con la matriz celular en animales complejos como las Integrinas. Señalización celular y regulación genética. Muchas vías de señalización y factores de transcripción están presentes en Amphimedon, sin embargo al no tener mesodermo carece de dichos mecanismos de desarrollo que están muy evolucionados en los eumetazoos. Amphimedon también carece de la familia de genes Hox, envueltos en el desarrollo del sistema nervioso y la arquitectura corporal. Este es uno de los procesos en los cuales los eumetazoos, especialmente los bilaterios, han evolucionado enormemente. Aloreconocimiento e inmunidad innata. La transición de unicelular a pluricelular trajo consigo la evolución de mecanismos de defensa contra invasores patógenos. si bien los genes de inmunidad aparecieron muy temprano, en el desarrollo de los eucariotas (hongos, plantas y animales), actualmente, casi todos están restringidos a los animales. Amphimedon y otras esponjas codifican para ciertos proteoglicanos que actúan como factores de agregación, promoviendo la adhesión celular y el aloreconocimiento. Especialización de tipos celulares. Las esponjas ya poseen varios genes con dominios tipo lamininas, las cuales están envueltas en la arquitectura de sistemas sensoriales y en la formación de estructuras tipo tejidos, esto permite que las esponjas puedan responder a los cambios en su entorno. Sin embargo, aún no han desarrollado células nerviosas propiamente dichas, pero si tienen un sistema sensorial primitivo. Como podemos ver, muchas clases de factores de transcripción y proteínas envueltas procesos del desarrollo celular ya están presentes en las esponjas. Además, todos estos procesos están envueltos en el desarrollo de tumores y cánceres cuando mutan y funcionan mal. Entender como han ido evolucionando estos genes, a través de los años, tal vez nos permita conocer como se han originado ciertas enfermedades que hoy ... Read more »

Srivastava, M., Simakov, O., Chapman, J., Fahey, B., Gauthier, M., Mitros, T., Richards, G., Conaco, C., Dacre, M., Hellsten, U.... (2010) The Amphimedon queenslandica genome and the evolution of animal complexity. Nature, 466(7307), 720-726. DOI: 10.1038/nature09201  

  • May 5, 2010
  • 01:45 AM
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Haciendo lluvias con láser

by David Castro in BioUnalm

Las sequías son uno de los principales problemas que afectan a la agricultura, costando millones de dólares en pérdidas y no podemos evitarla. El fenómeno del Niño causa sequías en zonas donde siempre fueron húmedas, mientras que causa lluvias e inundaciones en zonas desérticas, algo así como una inversión climática. Pero, no sería fantástico poder controlar las lluvias, hacer que llueva cuando realmente lo necesitáramos. Esto ya está cerca de ser posible. Los científicos han intentado generar lluvias artificiales desde la década de los 40’s. Uno de los métodos más populares era “sembrar” pequeñas partículas de ioduro de plata en las nubes. ¿Pero que tienen que ver estás partículas con las lluvias? Todos nosotros sabemos que las nubes son grandes masas de vapor de agua que se juntan y se mueven debido a los vientos. Sin embargo, alguna vez se han puesto a pensar por qué el vapor de agua no se condensa —o en el mejor de los casos, se congela— si las temperaturas a esas alturas son muy bajas, a veces por debajo del punto de fusión del agua (0°C)?. La respuesta es que el vapor de agua puede estar a muy bajas temperaturas y aún así mantenerse en estado gaseoso, esto porque requieren de una superficie para iniciar el proceso de condensación; sin un soporte, el agua no puede condensarse. Una forma más fácil de entenderlo es cuando nos tomamos una ducha con agua caliente en invierno, nuestro baño se inunda de vapor pero sólo se condensa en las paredes, cortinas, ventanas y espejos, nunca cae como lluvia, esto mismo ocurre en las nubes. Así que, al bombardear las nubes con partículas, en este caso de ioduro de plata, lo que estamos haciendo es dar un soporte para que el agua se condense y caiga como lluvia. En 1911, un físico llamado Charles Wilson, hacía mediciones de los rayos cósmicos —partículas subatómicas altamente energéticas— usando un aparato llenado con vapor de agua (detector). Wilson observó que cuando los rayos cósmicos atravesaban el detector dejaban una estela visible de gotitas de agua tras su trayectoria… había una condensación! Esto ocurría porque el rayo cósmico chocaba con las moléculas de agua y le quitaba un electrón (las ionizaba), y cuando la molécula de agua tiene carga actúa como si fuera una partícula de polvo y las demás moléculas de agua empiezan a condensarse a su alrededor. La molécula de agua ionizada actúa como si fuera una superficie. Este mecanismo fue aprovechado por Rohwetter et al. quienes pensaron que si se daba la condensación del agua con los rayos cósmicos o fotones de alta energía, también podrían darse con rayos láser de gran potencia. Así que, primero diseñaron un experimento de laboratorio bombardeando con un láser infrarrojo —a una longitud de onda de 800nm y a 3.5 TW (3.5 trillones de wats) de potencia— una nube artificial dentro de una cámara cerrada. Observaron que inmediatamente después del bombardearla con el láser (Fig. a y b), la niebla empezaba a formar pequeñas gotitas de agua condensada de unos 50 micrómetros (um) de diámetro y que crecían a 80um en los siguientes tres segundos. Hasta aquí el experimento se veía bastante prometedor. a. Antes de bombardearlo con el laser. b. Después. Así que intentaron reproducir este experimento “in vivo”, o sea, bombardeando con el láser una nube de verdad. Así que durante varias noches del tercer trimestre del 2008 apuntaron con un láser de gran potencia (“Teramobile”) hacia el cielo. Debido a la distancia de las nubes no pudieron apreciar si había o no condensación del agua. Usaron un segundo láser para confirmar la formación de las gotitas de agua. Si bien encontraron que había un cierto grado de condensación del agua, no era capaz de generar una lluvia artificial. Sin embargo ha sido un gran avance hacia el control de las lluvias la cual tendrá grandes implicancias en la agricultura y otros sectores económicos. El estudio en laboratorio también demostró que se podría condensar el agua en la atmósfera así aún no esté saturada de agua. Pero, si se sigue desarrollando esta tecnología, en pocos años podremos generar nubes y lluvias en cualquier parte del mundo. Referencia: Rohwetter, P., Kasparian, J., Stelmaszczyk, K., Hao, Z., Henin, S., Lascoux, N., Nakaema, W., Petit, Y., Queißer, M., Salamé, R., Salmon, E., Wöste, L., & Wolf, J. (2010). Laser-induced water condensation in air Nature Photonics DOI: 10.1038/nphoton.2010.115 BioUnalm

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Rohwetter, P., Kasparian, J., Stelmaszczyk, K., Hao, Z., Henin, S., Lascoux, N., Nakaema, W., Petit, Y., Queißer, M., Salamé, R.... (2010) Laser-induced water condensation in air. Nature Photonics. DOI: 10.1038/nphoton.2010.115  

  • May 24, 2010
  • 02:59 AM
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S. aureus vs S. epidermidis

by David Castro in BioUnalm

Día a día luchamos contra pequeños organismos capaces de causarnos serias enfermedades e infecciones, pero también vivimos en armonía con millones de bacterias que en vez de hacernos daño nos favorecen, tal como las bacterias que viven en nuestro sistema digestivo. Sin embargo, también tenemos bacterias que habitan normalmente nuestra piel, sin causarnos daño alguno, pero que si llegan a entrar a nuestro organismo pueden causarnos terribles males como la neumonía, meningitis, endocarditis y septicemia. Estamos hablando del Staphylococus aureus. El S. aureus es un habitante común de las fosas nasales, más de la tercera parte del mundo la tiene colonizando sus narices, pero hay una con la que debemos tener cierto cuidado, la S. aureus resistente a la meticilina (SARM). Sin embargo, la mayoría de las personas podemos combatir a esta bacteria, pero puede llegar a ser mortal si infecta a pacientes con el sistema inmunológico comprometido como son los infectados con el VIH o los que están recibiendo tratamiento para alguna enfermedad autoinmune. Los esfuerzos por diseñar nuevos compuestos capaces de inhibir el crecimiento de SARM son grandes, pero hasta ahora no se han obtenido buenos resultados. Por suerte, S. aureus no es el único comensal que vive en nuestras narices, también lo hace su primo hermano, el S. epidermidis, que es más común que el S. aureus y es el principal contaminante de todos nuestros equipos de laboratorio. Al igual que su primo hermano, S. epidermidis es inofensivo menos en las personas con el sistema inmune comprometido. Pero lo que Iwase et al. encontraron fue muy interesante… S. epidermidis inhibía el desarrollo de S. aureus. Iwase y sus colaboradores revisaron las narices de 88 voluntarios. Virtualmente, todo ellos estaban colonizados por S. epidermidis, pero S. aureus pudieron “establecer sus carpas” en la tercera parte de los voluntarios. Normalmente, S. aureus y S. epidermidis son capaces de coexistir en armonía, pero los investigadores encontraron algunas cepas de S. epidermidis eran los némesis de S. aureus. Las colonias de S. aureus forman estructuras morfológicas con características funcionales complejas llamadas biopelículas (biofilms), las cuales son una extensión de la matriz extracelular de las bacterias rica en polisacáridos, que les da protección haciéndolas difícil de matar. Muchas de las bacterias patógenas que hoy conocemos forman biopelículas, convirtiéndolas en un importante reto para la salud pública. S. epidermidis no solo previene la formación de biopelículas por parte de S. aureus, también puede destruir las existentes. Las personas que tienen S. epidermidis en sus narices, tienen un 70% menos de probabilidad de ser colonizados por S. aureus. Iwase aisló estas cepas de S. epidermidis y las cultivó junto a S. aureus para extraer y purificar el compuesto que le daba esta propiedad asesina. Las secreciones eran ricas en una proteína a la cual llamaron Esp (serina proteasa de S. epidermidis). Como era de esperarse, esta proteína estaba ausente en aquellas cepas que no inhibían el crecimiento de S. aureus y si se removía el gen que la codificaba, la S. epidermidis perdía su capacidad inhibidora. Barras Negra: efecto de S. epidermidis competente. Barras blancas: efecto de S. epidermidis no-inhibitoria Pero la Esp no actúa por sí sola, lo hace en conjunto con una proteína defensiva humada llamada hBD2 (β-defensina Humana 2) que es secretada por nuestras células de la piel. De por sí sola, la hBD2 puede matar al S. aureus, pero no lo suficiente como para evitar que formen las biopelículas. Sin embargo, Esp no tenía la capacidad de hacerlo por sí misma. Pero una vez juntas, su efecto era sumamente efectivo, aún así S. aureus ya esté protegida por sus biopelículas. No se sabe si estas dos proteínas coevolucionaron quedando la puerta abierta para futuras investigaciones. Como experimento final, insertaron S. epidermidis competentes en pacientes con las fosas nasales colonizadas por el S. aureus y observaron que la bacteria trasplantada eliminó a todos sus primos hermanos. También se introdujo una pequeña dosis de la proteína Esp purificada y se obtuvieron los mismos resultados. Este descubrimiento da el primer paso al desarrollo de compuestos capaces de combatir a la temible SARM que permitirían mejorar la calidad de vida de los pacientes que sufren de VIH o de enfermedades autoinmunes. Otra pregunta queda abierta… ¿Por qué S. aureus no ha desarrollado algún tipo de resistencia a la Esp? Referencia: Iwase, T., Uehara, Y., Shinji, H., Tajima, A., Seo, H., Takada, K., Agata, T., & Mizunoe, Y. (2010). Staphylococcus epidermidis Esp inhibits Staphylococcus aureus biofilm formation and nasal colonization Nature, 465 (7296), 346-349 DOI: 10.1038/nature09074 BioUnalm

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  • January 31, 2010
  • 01:58 PM
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Un escándalo evolutivo

by David Castro in BioUnalm

La reproducción sexual ha sido uno de los grandes motores de la evolución, sobre todo en una carrera armamentista entre hospedero y parásito o presa y depredador. Hay un modelo que explica este fenómeno, la Reina Roja (Red Queen Model), que más o menos dice que una presa se volverá cada vez más rápida o un hospedero desarrollará nuevas estrategias para evitar ser cazado o colonizado por un predador o parásito y a su vez este predador o parásito se hará más veloz o desarrollará nuevas estrategias para poder alcanzar y colonizar a su presa u hospedero, volviéndose un círculo vicioso. La reproducción sexual favorece la eliminación de mutaciones perjudiciales para un organismo, facilita la coevolución y aumenta la variabilidad genética dentro de una especie, que a la larga será una ventaja en su supervivencia. Menos del 1% de los animales tienen una reproducción asexual, ya que los animales que han evolucionado una reproducción asexual se han extinto a través del tiempo. Pero, la reproducción sexual también tiene sus desventajas ya que la eficiencia de transmisión genética es del 50%, haciendo que se pierdan las combinaciones genéticas buenas, además, disemina una serie de enfermedades e infecciones y es energéticamente costosa, yendo en contra de la parsimonia (hacer todo con el menor gasto de energía posible). La clase Bdelloidea, del phylum Rotífera, es uno de los pocos animales que teniendo reproducción asexual, han sobrevivido por millones de años, a pesar de acumular varias mutaciones en su genoma. Ninguna de las 450 especies observadas tienen machos o algún tipo de división meiótica. El éxito de su supervivencia se basa en librarse de su parásito y migrar a otro lugar libre de ellos. Los parásitos más comunes son los hongos oomicetos, los hifomicetos y el parásito exclusivo Rotiferophthora. La migración y variabilidad clonal a nivel de población puede sustituir la recombinación y variabilidad genética a nivel individual. Como se da esta estrategia? Los bdelloides pueden llegar a vivir hasta 9 años, con repetidas rondas de desecaciones completas. Tienen la capacidad de realizar la anhidrobiosis (drenar toda el agua de sus células hasta quedar completamente secas). Además, una vez secos, pueden ser dispersados por el viento a otros hábitats libres de sus parásitos en pequeñas estructuras de menos de 300um llamadas “toneles”. Y los bdelloides no son exigentes en cuanto a las condiciones del medio donde viven, pueden desarrollarse en casi cualquier hábitat. Wilson & Sherman investigaron exactamente como se desarrollaba esta estrategia, para eso se usaron a la bdelloidea Habrotrocha elusa y su endoparásito Rotiferophthora angustispora. Se cultivaron bdelloideas en placas petri, al noveno día se inocularon con conidias de R. angustispora (hubo un grupo control al que no se le inoculó). 72 horas después, las placas inoculadas fueron desecadas —menos una que quedó como control positivo— y se mantuvieron a una humedad relativa de 39.8% por 7, 14, 21, 28 y 35 días para luego ser rehidratadas.   La placas que no fueron desecadas fueron exterminadas por completo por el parásito en ~14 días, al mismo tiempo que las placas no infectadas alcanzaron un pico de mayor densidad poblacional. Las que fueron sometidas a 7 y 14 días de desecación no exhibieron colonización alguna durante las primeras 48 horas, luego las hifas empezaron a aparecer y exterminaron a la población en ~18 días. Si no tomamos en cuenta los 4 días que toma las hifas en regenerarse, la exterminación se da en 14 días, y se mantiene como una constante. Después de 21, 28 y 35 días de anhidrobiosis, el 60, 85 y 90.5% de las rotíferas se mantuvieron libres de parásitos. Como en la naturaleza los bdelloides desecados son dispersados por el aire, se pusieron placas con rotíferas infectadas desecadas en una cámara de viento con un flujo de aire suave y turbulento a unos 40 cm de placas libres de parásitos  y se dejaron ahí por 7 días. Después de esa semana, las placas acumularon ~5.01mg de material dispersado por el aire, y al ser rehidratados, en 17 de las 24 placas volvieron a crecer los bdelloides y 10 de ellas estuvieron libres de parásitos (58.8%). Los 7 que si presentaron infección, exterminaron a la población de bdelloides en ~16 días. Al repetir el experimento se obtuvo un resultado similar de supervivencia (63.6%) y al repetir este experimento sin desecar a los bdelloides todas las placas fueron exterminadas por los parásitos en ~22 días. Como conclusiones podemos sacar que R. angustispora es menos resistente a la desecación que sus hospederos. Son pocos los organismos que puedan sobrevivir a desecaciones extremas, solo estructuras especializadas como esporas o semillas pueden hacerlo. Al menos se requiere de tres semanas de anhidrobiosis para poder sobrevivir a sus parásitos. Segundo, la dispersión por el viento ayuda a los bdelloides a escapar de sus parásitos, en otras palabras, bdelloidea y R. angustispora juegan a “las escondidas” y, al parecer, lo harán por miles de años más. Tercero, el éxito de este animal con reproducción asexual reta a a hipótesis que dice que son los animales con reproducción sexual los que tienen el mejor éxito evolutivo, además, su reproducción asexual le permite evadir a su patógeno sin incurrir en grandes gastos de energía. A pesar que solo son casos aislados, debemos entender que la naturaleza es más compleja que nuestras hipótesis y teorías no alcanzan para explicarla. Referencia: Wilson, C., & Sherman, P. (2010). Anciently Asexual Bdelloid Rotifers Escape Lethal Fungal Parasites by Drying Up and Blowing Away Science, 327 (5965), 574-576 DOI: 10.1126/science.1179252 Etiquetas de Technorati: zoology,evolution BioUnalm

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  • September 27, 2011
  • 07:35 PM
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Mensajes secretos usando bacterias

by David Castro in BioUnalm



Imagínate una versión de Misión Imposible donde Ethan Hunt mande un mensaje secreto, al otro lado del mundo, usando unas bacterias genéticamente modificadas. Tal vez lo primero que se te ocurrió fue que el mensaje se insertó en el genoma de la bacteria mediante un pedazo de ADN sintético, el cual porta un mensaje que es descifrado usando el código genético. Pero lo que hicieron un grupo de científicos norteamericanos fue desarrollar distintas cepas de E. coli portando proteínas fluorescentes que se expresan sólo ante la presencia de ciertos componentes químicos en el medio. El trabajo fue publicado en PNAS. En principio, lo que hicieron el equipo de investigadores del químico David Walt de la Universidad de Tufts fue usar organismos vivos como portadores de mensajes codificados (InfoBiología). Pero no lo hicieron de la manera tradicional que uno pensaría, en el cual el mensaje se escribiría y almacenaría en el propio genoma del organismo, Walt y sus colaboradores usaron la expresión de siete proteínas fluorescentes [Parte central de la figura de la izquierda] previamente insertadas en la bacteria E. coli y con ellas elaboraron un código basado en la combinación de dos colores sobre una matriz de nitrocelulosa [Figura de la derecha]. La ventaja de esta técnica a la cual bautizaron SPAM (Steganography by Printed Arrays of Microbes. Traducción libre: Estenografía por arreglo impreso de microbios), es que la expresión de las proteínas fluorescentes puede ser controlada de muchas maneras, por ejemplo: según el tipo de bacteria, el tipo de vector usado, el medio de cultivo, el promotor, la longitud de onda de la luz, etc., lo que permite obtener una amplia variedad de formas de codificar el mensaje —si no usas los factores correctos no podrás leer el mensaje original porque la combinación de colores no será la adecuada. Además, no se necesita de equipos especiales para leer el mensaje, las colonias de microbios son fácilmente observables. Para probar su técnica, el químico Manuel Palacios, líder del proyecto, insertó cada una las siete proteínas fluorescentes en dos cepas diferentes de E. coli. Una de las cepas expresaría las proteínas fluorescentes sólo en presencia de una sustancia química conocida como IPTG, mientras que la otra no lo necesitaría. Luego, las bacterias fueron cultivadas ordenadamente en un medio rectangular e “impresas” en una membrana de nitrocelulosa para ser enviada al destinatario. Finalmente, el receptor tomaría la membrana y lo imprimiría en un medio de cultivo adecuado, con los factores que permitan inducir la expresión de la fluorescencia determinada. Las bacterias son cultivadas en placas de dilución en un medio líquido (caldo de cultivo) y con un replicador se imprime 0.1ul de cada una en un medio sólido (agar). Una vez que las colonias crezcan son transferidas en una membrana de nitrocelulosa, el mensaje quedará impreso en ella. Esta lámina se envía al destinatario quien hará el proceso inverso, imprimiendo la membrana en otro medio de cultivo sólido enriquecido con los factores adecuados para la expresión de las proteínas fluorescentes. Como se usa un código basado en la combinación de dos colores, en total se obtendrá sistema alfanumérico de 49 caracteres (72 = 49). Los investigadores usaron 144 colonias para elaborar un mensaje de 70 caracteres: “this is a bioencoded message from the walt lab at tufts university 2011.” [Figura inicial]. Si el mensaje se requiere con urgencia, se usa la cepa que necesita el IPTG como inductor. Al añadir esta sustancia, los genes que codifican para las proteínas fluorescentes se sobreexpresarán inmediatamente y en 8 horas el mensaje será completamente claro. Por otro lado, si se quiere un mensaje retardado se usa la cepa que no requiere de IPTG. Esta cepa expresará las proteínas fluorescentes a medida que aumenta su concentración en la colonia, o sea, cuanto más bacterias hayan, para eso dependen de la velocidad de división dela bacteria y el mensaje tardará unas 48 horas en apreciarse claramente. Sin embargo, las bacterias pueden mutar fácilmente, lo que puede generar un cambio en el mensaje después de un tiempo prolongado. Esto sería lo mismo que decir “este mensaje de autodestruirá en 5 segundos varias semanas”. Bueno, no ayudaría mucho al secreto de las misiones de Ethan Hunt. Pero, la eficiencia de la técnica para codificar mensajes secretos se puede mejorar con el uso de genes de resistencia a diferentes antibióticos. Por ejemplo, Palacios et al. demostraron esto usando bacterias con los genes que codifican las proteínas fluorescentes acoplados al gen de resistencia a la kanamicina o ampicilina. Cada antibiótico seleccionaba una bacteria portando una proteína fluorescente diferente, así que el uso de uno u otro antibiótico generaba dos mensajes diferentes. Tal vez por ahora la técnica no sea muy práctica, pero el principio funciona correctamente. Una forma de mejorar esto sería reduciendo el tamaño de las colonias, tal vez confinándolas a chips de microarreglos y usando más antibióticos, y así aumentar la densidad de información, pero esto requeriría el uso de equipos sofisticados o microscopios para poder observar la fluorescencia. Referencia: Palacios, M., Benito-Pena, E., Manesse, M., Mazzeo, A., LaFratta, C., Whitesides, G., & Walt, D. (2011). InfoBiology by printed arrays of microorganism colonies for timed and on-demand release of messages Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1109554108 BioUnalm... Read more »

Palacios, M., Benito-Pena, E., Manesse, M., Mazzeo, A., LaFratta, C., Whitesides, G., & Walt, D. (2011) InfoBiology by printed arrays of microorganism colonies for timed and on-demand release of messages. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.1109554108  

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