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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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  • 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  

  • February 7, 2011
  • 11:43 PM
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¿Las primeras protocélulas pudieron haber sido hechas a partir de vesículas de arcilla?

by David Castro in BioUnalm

Hace tiempo que no hablamos sobre las claves del origen de la vida. En entradas pasadas vimos teorías que trataban de explicar cómo se pudieron originar las biomoléculas complejas, tal vez estas llegaron del espacio tal como lo menciona la controvertida teoría de la necropanspermia. También vimos quien fue primero… el huevo o la gallina (el material genético o las proteínas), o cómo se pudo haber originado el código genético. Pero, algo que no hemos mencionado es cómo se originaron las primeras protocélulas, las cuales fueron capaces de atrapar y encapsular las biomoléculas que estaban empezándose a formar en la Tierra primitiva. Algunas teorías creen que cuando se formaron los fosfolípidos, o los primeros ácidos grasos, estos se juntaron y formaron estructuras micelares como las que forman las moléculas de jabón en el agua. Estas estructuras micelares forman esferas donde la parte polar apunta hacia el agua y la parte apolar o hidrófoba apunta hacia el centro, lejos del agua, para así formar una especie de célula primitiva (Figura izquierda). Sin embargo, el tamaño de estas micelas no es lo suficientemente grande como para albergar estructuras sub-celulares más complejas y de gran tamaño, que permitieran el desarrollo de una vida tal como hoy la conocemos. Un equipo de físicos estadounidenses de las universidades de Harvard, Princeton y Brandeis, han demostrado que se pueden formar vesículas semipermeables a partir de moléculas inorgánicas de arcilla, demostrando que estas vesículas pueden ser unos contenedores ideales para capturar y compartamentalizar complejas moléculas orgánicas. Los resultados fueron publicados hoy en la revista Soft Matter. Este estudio me pareció muy interesante porque las probabilidades de que esto pudiera haber ocurrido en la Tierra primitiva, hace más de mil millones de años, son bastante altas. La arcilla siempre ha sido un compuesto muy común en nuestro planeta, por esta razón, este descubrimiento abre la posibilidad a que las protocélulas pudieron haberse desarrollado dentro de estas esferas de arcilla inorgánica, específicamente del tipo montmorillonita. Lo que hicieron los investigadores fue recubrir con nanoplacas de arcilla pequeñas burbujas de aire formadas en una suspensión acuosa. Luego, estas burbujas de aire encapsuladas en arcilla fueron transferidas a otras soluciones orgánicas a base de etanol o metanol, y otros agentes surfactantes, de esta manera la tensión superficial del agua se reducía considerablemente y las burbujas de aire terminaban por reventaran, quedando sólo la vesícula de arcilla (Figura abajo). La vesícula de arcilla formada fue mecánicamente robusta (Video 1) y resistente (Video 2). Por otro lado, fue muy estable en otras soluciones líquidas y en hasta en el agua de mar. La arcilla formó una barrera entre el agua fuera de la vesícula y el agua dentro de la vesícula, pero esta barrera fue semipermeable gracias a los poros presentes en la arcilla. Estos poros fueron lo suficientemente grandes como para permitir el ingreso de los principales bloques de construcción; pero fueron lo suficientemente pequeños como para impedir la salida de estructuras más complejas formadas a partir de los bloques de construcción dentro de la ‘protocélula’. Cuando observaron la dinámica de liposomas dentro de estas protocélulas (Video 3), los investigadores concluyeron que los pequeños ácidos grasos que logren ingresar a las vesículas de arcilla se autoensamblarían para formar liposomas (Video 4) y luego expandirse para formar membranas celulares primitivas, justo bajo la capa protectora de arcilla. Tal vez cambios de pH dentro de la protocélula u otras condiciones del entorno pudieron disgregar la arcilla y quedar como una células más parecida a las que actualmente conocemos. Sin dudas parece ser una teoría bastante plausible ya que logra explicar correctamente como pudo haberse dado la micro-compartamentalización. Sin embargo, esta vesícula fue desarrollada por un mecanismo algo complejo, tal vez de esta manera no pudo ocurrir en la naturaleza, pero la posibilidad de que una vesícula de arcilla sea capaz de crear un espacio para que moléculas orgánicas sencillas puedan ensamblarse en unas más complejas es un gran avances hacia el entendimiento del origen de la vida. Referencia: Subramaniam, A., Wan, J., Gopinath, A., & Stone, H. (2011). Semi-permeable vesicles composed of natural clay Soft Matter DOI: 10.1039/C0SM01354D BioUnalm

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Subramaniam, A., Wan, J., Gopinath, A., & Stone, H. (2011) Semi-permeable vesicles composed of natural clay. Soft Matter. DOI: 10.1039/C0SM01354D  

  • 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  

  • February 15, 2012
  • 08:42 AM
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La huella hídrica de la humanidad

by David Castro in BioUnalm



Estudio revela la dimensión global del consumo del agua. El acceso al agua es uno de los grandes problemas del siglo XXI. Considerado como derecho humano por la ONU desde el 2010, son casi mil millones de personas en el mundo no cuentan con una fuente de abastecimiento directa y segura, debido principalmente a las políticas de manejo de los recursos hídricos de cada país, al cambio climático y la globalización. Cada nación demanda una determinada cantidad de agua dividida en tres grandes áreas: i) el consumo humano, ii) la agricultura (alimentos, ganadería, biocombustibles y otras materias primas) y iii) la producción industrial. Sin embargo, debemos considerar que en nuestro mundo globalizado, los productos generados por estas actividades son exportados o importados, indicando que además hay un flujo virtual de agua a través de las fronteras que muchas veces no son considerados dentro de los cálculos de consumo de agua de un determinado país. A todos estos aspectos los podemos resumir bajo el término huella hídrica, que no es más que un indicador del uso del agua que tiene en cuenta tanto el uso directo como indirecto por parte de un consumidor o productor y se define como el volumen total de agua dulce que se utiliza en la producción de bienes y servicios. En nuestros días, todos los gobiernos están considerando en reducir sus demandas de agua y aumentar sus suministros. Sin embargo, ninguno toma en cuenta la dimensión global de la huella hídrica. Todos los países importamos bienes o servicios pero nunca nos ponemos a pensar en la cantidad de agua que fue utilizada o contaminada para producirlos. Para entender la dimensión global de la huella hídrica (HH), Arjen Hoekstra y Mesfin Mekonnen, investigadores del Departamento de Ingeniería y Manejo del Agua de la Universidad de Twente (Holanda), han cuantificado y elaborado un mapa de gran resolución de la huella hídrica de la humanidad. Los resultados fueron publicados el 13 de Febrero en PNAS. Los investigadores usaron los datos y estadísticas colectados por las autoridades competentes de cada país entre 1996 y 2005, y los dividieron el consumo en tres componentes: HH Azul (aguas subterráneas y superficiales), HH Verde (lluvias) y HH Gris (aguas contaminadas). A diferencia de otros estudios realizados anteriormente, Hoekstra & Mekonnen consideraron la heterogeneidad de consumo dentro de cada país, hicieron una distinción entre el HH Verde y Azul, entre HH Azul y Gris e incluyeron el tratamiento de las aguas servidas, y consideraron las diferencias en la alimentación y crianza de los animales de granja. Con estos datos elaboraron el siguiente mapa: El consumo mundial de agua entre 1996 y 2005 fue de ~9000Gm3/año (unos 9x1033 litros de agua por año, o nueve mil billones de trillones de litros de agua al año), de los cuales el 74%, 11% y 15% fueron HH Verde, Azul y Gris, respectivamente. El 92% se destinó a la producción agrícola, el 4.4% a la producción industrial y el 3.6% al consumo humano. El 38% del consumo mundial lo comparten entre EEUU, China y la India, con más de 1000Gm3/año cada uno. Brasil está en el cuarto lugar con 480Gm3/año. La India usa la cuarta parte de las aguas subterráneas y superficiales del mundo (el 24% del HH Azul), mientras que China genera la cuarta parte del agua contaminada del mundo (el 26% del HH Gris). China y EEUU comprenden el 40% mundial del agua destinada a la producción industrial. Casi el 20% del consumo del agua mundial es exportado a través de bienes y servicios. Mapa del consumo de la huella hídrica mundial: Como mencionamos anteriormente, el agua no es un recurso estático usado dentro de los límites de cada país, sino es un recurso dinámico que se mueve de un lugar a otro a través de la importación y exportación de bienes y servicios industriales y agrícolas. A esto se le denomina Flujo Virtual Internacional del Agua. El Flujo Virtual Internacional del Agua a través de productos agrícolas e industriales es de 2320Gm3/año (~25% del agua consumida en el mundo). El 76% se mueve a través de la comercialización de productos agrícolas y sus derivados, mientras que el resto se da a través de la comercialización de animales y productos industriales (12% cada uno). Los mayores exportadores de agua virtual son EEUU, China, India, Brasil, Argentina, Canadá, Australia, Indonesia, Francia y Alemania, todos potencias mundiales. La mayoría de estos países viven bajo un gran estrés hídrico. Los mayores importadores de agua virtual son EEUU, Japón, Alemania, China, Italia, México, Francia, Reino Unido y Holanda. La mayor parte del Flujo Virtual Internacional del Agua está relacionado con la comercialización de plantas oleaginosas (palma aceitera, soya, girasol, semillas de colza, canola, entre otras), algodón y sus productos derivados. Todo junto corresponde el 43% del agua virtual. Con estos datos elaboraron el mapa de Flujo Virtual Internacional del Agua. Los países en verde exportan más agua virtual de la que importan, mientras que los amarillos y rojos, importan más de lo que exportan. En promedio, cada persona consume 1385m3/año (un poco más de 1000 tanques de agua de 1000 litros cada uno por año). Cuando nos enfocamos al agua consumida a través de productos agrícolas e industriales, la mitad del total es a través de los cereales y las carnes (27% y 22%, respectivamente), mientras un 7% es a través de productos derivados de la leche. Estos valores dependen mucho de la forma de producción en cada país. Según la tecnología, unos consumirán más agua que otros para generar el mismo producto. En los países desarrollados, el consumo de agua por persona varía entre 1250 – 2850m3/año, siendo el Reino Unido el extremo inferior y EEUU el superior. Mientras que en los países en vías de desarrollo, estos valores varían entre 550 – 3800m3/año, siendo la República Democrática del Congo el extremo inferior y Bolivia, Mongolia y Nigeria los extremos superiores.... Read more »

Hoekstra, A., & Mekonnen, M. (2012) The water footprint of humanity. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.1109936109  

  • March 21, 2011
  • 09:35 PM
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Uso potencial de los exosomas para el tratamiento del Alzheimer

by David Castro in BioUnalm

Durante los últimos años, se ha avanzado mucho en el uso de pequeñas moléculas de ARN para el tratamiento de ciertas enfermedades. Estas moléculas de ARN están diseñadas para silenciar la expresión de genes involucrados con el desarrollo de la enfermedad, así que su función dependerá de que sean transportados correctamente al tejido indicado, para así evitar reacciones cruzadas con tejidos no específicos, principalmente el hígado quien es el encargado de metabolizar todas las sustancias extrañas que entran al cuerpo. Otra barrera que hay que tomar en cuenta es la respuesta inmunogénica que puede ser activada por la molécula de ARN o por el transportador que se está usando, sobre todo si se quiere usar el agente terapéutico repetidas veces, por ejemplo, en el tratamiento de enfermedades crónicas. Un grupo de investigadores británicos desarrollaron un transportador basado en exosomas los cuales permiten llevar moléculas de ARN de silenciamiento (ARNsi) al tejido cerebral de manera específica y sin producir una respuesta inmunogénica según reportaron ayer en Nature Biotechnology. Los exosomas son pequeñas nanovesículas naturales secretadas por diferentes tipos de células, cuya función es transportar diferentes compuestos y moléculas señalizadoras de un lugar a otro, permitiendo la comunicación celular. Su tamaño varía entre 40 y 100nm y en los últimos años se ha investigado mucho sobre su uso como transportador específico de agentes terapéuticos. En el 2007, Valadi et al. demostraron que los exosomas pueden ser usados para transportar pequeñas moléculas de ARN. Para que un exosoma sea específico para un determinado tejido debe tener en su superficie unas pequeñas moléculas llamadas ligandos, los cuales serán reconocidos por receptores específicos dependiendo del tejido. Estos ligandos son principalmente pequeñas secuencias de aminoácidos llamados péptidos. De esta manera, Álvarez-Erviti et al. aislaron exosomas de la médula ósea de ratones, específicamente de las células dendríticas inmaduras. Los exosomas obtenidos tuvieron un tamaño homogéneo de 80nm de diámetro. Luego, se fusionaron a la superficie de los exosomas péptidos específicos para ser reconocidos por determinados receptores de las células musculares y cerebrales, dos tejidos que sufren de enfermedades degenerativas. Uno de los péptidos reconoce los receptores de acetil colina del sistema nervioso central llamado RVG, otro reconoce ciertos receptores de las células musculares llamado MSP y un tercero evidencia la presencia de los exosomas llamado FLAG-Lamp2b —para poderles hacer un seguimiento. Una vez construido los exosomas con los ligandos específicos, el siguiente paso fue insertar el ARNsi. Para ello usaron una técnica muy usada para insertar fragmentos de ADN en bacterias y protoplastos llamado electroporación [Ver BioUnalm for Dummies #2]. Finalmente, una vez obtenidos los exosomas, con los péptidos específicos para los tejidos musculares y neuronales, y cargando la molécula de ARNsi, probaron si funcionaban en dos líneas celulares: del músculo murino (C2C12) y células neuronales (Neuro2A), que son específicos para los exosomas MSP y RVG, respectivamente. Los resultados de la PCR cuantitativa (determinación de la cantidad del ARNsi) y de la microscopia de fluorescencia (determinación de la unión de los exosomas a las líneas celulares específicas) confirmaron la eficiencia de la técnica in vitro. Como la técnica funcionó, los investigadores quisieron probar un agente terapéutico contra el Alzheimer. Para ello diseñaron un ARNsi contra el gen BACE1, el cual codifica para una proteasa responsable de la formación de la proteína precursora amiloidea, que producen la formación de los agregados de β-amiloide. Cuando analizaron los niveles de BACE1, vieron que el tratamiento con los exosomas lo redujo significativamente. Además, los ensayos de toxicidad demostraron que el producto era inocuo lo que daría pie para hacer los ensayos in vivo. Luego, se diseñaron exosomas portando un ARNsi para un gen que es expresado en todo momento (constitutivo), ya que codifica para la enzima necesaria del sexto paso de la glucólisis —la gliceraldéhído 3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH).  Primero se inyectaron exosomas libres (sin ligandos específicos) vía intravenosa en ratones de laboratorio y se analizaron los niveles de expresión de la GAPDH en los riñones, hígado y bazo. Como era de esperarse, los niveles de esta enzima se vieron afectados significativamente. Cuando se inyectaron los exosomas con los péptidos RVG se observó que los niveles de la enzima GAPDH se redujeron en el cerebro pero no en otros tejidos, quedando demostrada la especificidad de la técnica. Además, determinaron que la readministración de los exosomas no reducía su especificidad y eficiencia. Para esto, inyectaron en los ratones exosomas RVG libres unas semanas antes de inyectar los exosomas con el ARNsi para la enzima GAPDH. Los resultados mostraron que hubo una mínima atenuación pero esta no era significativa, lo que demostraba el uso potencial de lo exosomas en el tratamiento de enfermedades crónicas. Finalmente, probaron si los exosomas desarrollados durante el presente trabajo exosomas serían buenos agentes terapéuticos contra el gen BACE1, responsable del Alzheimer. Para ello usaron ratones modificados para expresar este gen en grandes cantidades y les insertaron lo exosomas portando el ARNsi para BACE1. Los resultados mostraron que la cantidad de ARN mensajero de BACE1 se redujo significativamente y hubo una inhibición de la función de una γ-secretasa, que también responsable de la formación de los β-amiloide. Además, al comparar los niveles de β-amiloide usando los exosomas terapéuticos y los inhibidores de BACE1 que actualmente se usan, la reducción fue mayor usando los primeros. Por otro lado, los investigadores quisieron ver si los exosomas generaban algún tipo de respuesta antigénica, toxicidad u otro efecto secundario, para ello estudiaron las concentraciones de interleucina-6, IP-10, TNF-α y IFN-α. Los niveles fueron normales lo cual indica que los exosomas son seguros ya que no generan algún tipo de respuesta inmunogénica. Este estudio se ve muy prometedor, quedaría ahora hacer unos estudios más cuidadosos en líneas celulares humanas, ver si son seguros para poder empezar con los primeros ensayos clínicos. Sin dudas, con esta tecnología se podría superar uno de los principales inconvenientes de la terapia génica, el transporte del agente terapéutico —en este caso un ácido nucléico— al tejido donde realizará su función, de manera específica. Referencia: ... Read more »

Alvarez-Erviti, L., Seow, Y., Yin, H., Betts, C., Lakhal, S., & Wood, M. (2011) Delivery of siRNA to the mouse brain by systemic injection of targeted exosomes. Nature Biotechnology. DOI: 10.1038/nbt.1807  

  • November 16, 2011
  • 12:59 AM
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Científicos revelan los colores de una polilla de 47 millones de años de antigüedad

by David Castro in BioUnalm



Nanoestructuras bien preservadas de las escamas fosilizadas permitieron reconstruir los colores. Los colores de los animales no sólo se deben a los pigmentos que producen. Hay algunos que se generan gracias a la interacción física de la luz con nanoestructuras biológicas que cambian la forma como los fotones se reflejan, dispersan, absorben o refractan. A esto se le conoce como color estructural. Como ejemplo tenemos: los colores metálicos que presentan ciertos escarabajos, la iridiscencia de las alas de algunos mosquitos y avispas o los pintorescos colores de las alas de las mariposas. Cuando se observan las escamas de las alas de los Lepidópteros —polillas y mariposas— bajo el microscopio electrónico, se pueden apreciar diminutos relieves formando crestas, valles, costillas arqueadas, poros y hasta cristales fotónicos, de distintos grosores y profundidades. Cada una de estas nanoestructuras presenta un índice de refracción diferente que cambia la forma como la luz se dispersa. Y si a esto le sumamos que las escamas se encuentran superpuestas en las alas, el efecto óptico será mucho más complejo —los haces dispersados interferirán unos con otros reflejando diferentes colores. Estos colores y los patrones que adoptan, cumplen diversas funciones ecológicas, principalmente, en la comunicación visual. La búsqueda de pareja, el aposematismo (defensa contra los predadores a través de la expresión de colores que simbolizan ‘peligro’) o la cripsis (expresar colores similares a los de su entorno para pasar desapercibidos), son algunas de ellas. Sin embargo, la evolución de la coloración estructural aún sigue siendo un misterio. Los datos filogenéticos y estructurales son contradictorios porque, a pesar que las nanoestructuras de las escamas difieren entre una especie y otra, la producción del color se da bajo el mismo fundamento físico: la dispersión coherente de la luz. La única forma de entender los pasos claves en la evolución de coloración estructural sería a través de los fósiles. En un estudio publicado hoy en PLoS Biology, un grupo de investigadores de la Universidad de Yale (EEUU) liderados por la Dra. Maria McNamara, estudiaron la coloración estructural de escamas pertenecientes a polillas fosilizadas hace 47 millones de años, encontradas en los yacimientos de Messel (Alemania). El fósil pertenecía a un espécimen extinto de la sub-familia Procridinae, parte de la familia Zygaenidae. A diferencia de la mayoría de polillas, los zigénidos son diurnos y presentan aposematismo por ser sumamente tóxicos debido a las grandes cantidades de cianuro de hidrógeno que producen. Las imágenes del microscopio electrónico (Fig. D-J) mostraron que las nanoestructuras de sus escamas estaban muy bien preservadas, a pesar que los colores originales se perdieron durante el proceso de fosilización (Fig. A, B y C). Se identificaron con facilidad las crestas con las costillas transversales (Fig. D), otras microcostillas (Fig. E), los poros (Fig. F-G y J), las protuberancias (Fig. H-I), en cada una de las láminas de las escamas superpuestas. Las escamas superiores eran más gruesas que las inferiores generando una geometría cóncava que afectaba la forma como se comportaba la luz. En primer lugar, estas disposición de las escamas funcionaban a manera de un reflector multicapa no ideal (menos del 100% de la luz incidida es reflejada) y junto a las poros suprimían la iridiscencia. Por otro lado, el índice de refracción caía en un rango capaz de dispersar la luz en colores visibles y su forma cóncava permitía verlo de la misma manera a diferentes ángulos. Los colores generados por la dispersión de la luz son reflejados y los picos de reflexión varían en distintos puntos del ala. Para determinar cuáles son las longitudes de onda de los picos reflejados, McNamara y su equipo lo compararon con los patrones observados en lepidópteros modernos. Los resultados mostraron que la mayor parte de las alas eran de color amarillo y verde, degradándose hacia el azul a medida que se llegaba a los bordes. El abdomen también presentaba colores amarillos, mientras que el tórax y los extremos de las alas y del abdomen eran marrones (Figura de portada). No se pudo determinar los colores de la parte ventral (delantera). Al igual que los zigénidos actuales, estas polillas ancestrales eran diurnas. Por otro lado, la presencia de las tonalidades amarillas y verdes sugiere que los colores tenían doble función: el amarillo disuadía a los predadores cuando la polilla se alimentaba del néctar de las flores y el verde le permitía camuflare cuando se encontraba en reposo. Referencia: Maria E. McNamara, Derek E. G. Briggs, Patrick J. Orr, Sonja Wedmann, Heeso Noh, & Hui Cao (2011). Fossilized Biophotonic Nanostructures Reveal the Original Colors of 47-Million-Year-Old Moths PLoS Biology DOI: 10.1371/journal.pbio.1001200 BioUnalm



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Maria E. McNamara, Derek E. G. Briggs, Patrick J. Orr, Sonja Wedmann, Heeso Noh, & Hui Cao. (2011) Fossilized Biophotonic Nanostructures Reveal the Original Colors of 47-Million-Year-Old Moths. PLoS Biology. info:/10.1371/journal.pbio.1001200

  • July 24, 2010
  • 02:32 AM
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Tenofovir reduce la infección por VIH… pero aún no es suficiente

by David Castro in BioUnalm

Hoy se publicó en Sciencexpress un estudio alentador para evitar el contagio de VIH en mujeres. Se trata del uso de un gel a base de 1% de Tenofovir – 9- [(R)-2phosphonomethoxy)propyl]adenine monohydrate (PMPA) – un análogo al nucleótido de adenosina con una actividad inhibitoria potente contra los retrovirus. Este compuesto ya ha sido probado como profiláctico en monos y actualmente es usado en el tratamiento del VIH (Viread®). Este ensayo clínico a gran escala se llevó a cabo en África, donde el SIDA es una epidemia – el 70% de los infectados con VIH en el mundo son del África. Es aquí donde se han realizado una gran cantidad de ensayos clínicos para contrarrestar el contagio del VIH en la población sexualmente activa. Las estrategias probadas van desde la circuncisión masculina (~57% de efectividad) hasta una vacuna desarrollada por Tailandeses con un ~31% de efectividad. De las 39 estrategias probadas, sólo 5 han tenido resultados alentadores. El estudio llamado CAPRISA 004, fue realizado entre mayo del 2007 y marzo del 2010. Se partió de una muestra inicial de 2160 mujeres sexualmente activas, entre 18 y 40 años, de las cuales quedaron finalmente 889 (611 de zonas rurales y 278 de zonas urbanas), las cuales fueron divididas en dos grupos al azar. Al primer grupo (n=445) les dieron el gel con Tenofovir y al segundo grupo (n=444) se les dio un gel placebo de características fisicoquímicas similares al tratamiento. El ~94% de los involucrados completaron el estudio. Además, a las mujeres participantes se les brindó condones, charlas de protección contra ETS y forma de uso del gel para que las condiciones del estudio sean las óptimas. El tratamiento consistía en aplicarse el gel en la vagina 12 horas antes y 12 horas después de las relaciones sexuales, y cada mes se hacían los chequeos respectivos (VIH, embarazo, otras ETS). Las mujeres que cumplieron con el uso correcto del gel – dos aplicaciones por encuentro sexual – en más del 80% de las veces se les categorizó como de “alta adherencia”; las que usaban el gel de manera adecuada del 50 al 80% de las veces estaban en la categoría de “adherencia media” y las que lo usaban de manera correcta menos del 50% de las veces estaba en la categoría de “baja adherencia”. Esto se determinó en función de los geles devueltos y las relaciones sexuales tenidas durante el mes. Los resultados obtenidos fueron que la incidencia de HIV en las mujeres que usaron el gel con Tenofovir fue 5.6/100 mujeres-año (número de mujeres infectadas por cada 100 mujeres por cada año) mientras que las mujeres que usaron el placebo la incidencia fue de 9.1/100 mujeres-año. La tasa de incidencia de VIH fue 50% menor en los primeros 12 meses y 40% menor a los 24 meses usando el gel con Tenofovir. Comparando a las mujeres con “alta adherencia”, la incidencia de las que usaron el gel con Tenofovir fue 54% menor al placebo; las de “adherencia media” y “baja adherencia”, la incidencia fue 38 y 28% menor que del placebo, respectivamente. Finalmente, se estimó que la eficiencia del Tenofovir en la reducción de la infección por VIH fue del 39%. ¿Efectos secundarios? Si… pero no fue gran cosa…, al ~94% le dio al menos una vez una pequeña diarrea, nada grave, aunque se puede deber al gel porque a los que tomaron el placebo también tuvieron algunos casos de diarrea, aunque también se puede deber a otras causas… a quien no le ha da una diarrea una vez al año? Lo que se debe rescatar del estudio es que se debe concientizar más a los participantes para que sigan al pie de la letras las indicaciones dadas para que los resultados sean más alentadores, aumentar la “adherencia” del gel. También se deben estudiar aquellos casos que dieron positivos a pesar de usar el gel correctamente, esos aislamientos pueden ser la clave para encontrar a los virus resistentes y mejorar la efectividad del Tenofovir. Referencia: Karim, Q., Karim, S., Frohlich, J., Grobler, A., Baxter, C., Mansoor, L., Kharsany, A., Sibeko, S., Mlisana, K., Omar, Z., Gengiah, T., Maarschalk, S., Arulappan, N., Mlotshwa, M., Morris, L., Taylor, D., & , . (2010). Effectiveness and Safety of Tenofovir Gel, an Antiretroviral Microbicide, for the Prevention of HIV Infection in Women Science DOI: 10.1126/science.1193748 BioUnalm

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  • March 29, 2011
  • 10:33 PM
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La dieta y su relación con la evolución de enzimas que metabolizan drogas y toxinas

by David Castro in BioUnalm

Un determinado medicamento puede funcionar de diferentes maneras en diferentes especies, lo que para unos es beneficiosos para otros pude ser mortal; por eso un veterinario no puede prescribir algo para una persona y un médico no puede hacer lo mismo para una mascota. El caso más conocido es el de la aspirina. En los humanos, este medicamento es usado como analgésico, por ejemplo, cuando tenemos un fuerte dolor de cabeza. La aspirina también puede ser administrada a los perros; pero, cuando se trata de gatos se debe tener mucho cuidado, ya que para ellos es sumamente tóxica. Los medicamentos son metabolizados en el hígado, el cual también se encarga de detoxificar y eliminar otras toxinas que pudieron haber ingresado a nuestro cuerpo durante el día. En cuanto a las aspirinas y otros fármacos fenólicos, en el hígado tenemos una enzima (UGT1A6) que pertenece a la familia de las UDP-glucuroniltransferasa (UGT), la cual se encarga de unir el ácido glucurónico al fármaco —en un proceso conocido como glucuronidación— para volverlo menos tóxico, más soluble y pueda ser eliminado fácilmente. Extrañamente, los gatos no expresan esta enzima en sus hígados. Cuando analizaron el gen que la debería codificar, encontraron una serie de mutaciones que inactivan su expresión, convirtiendo al gen ugt1A6 en un pseudogén. Además, estas mutaciones no sólo estaban presentes en los gatos domésticos, sino también en muchas especies dentro de la familia de los felinos, como en los tigres y leones africanos. Otras especies menos relacionadas —como las hienas y la civeta africana— también tenían este problema. Esto indicaría que dichas mutaciones aparecieron antes que estos animales divergieran de un ancestro común, o que el gen ugt1A6 se inactivó en todos ellos de manera independiente, debido a alguna misteriosa fuerza evolutiva… En primer lugar, nuestro organismo no ha evolucionado para hacer frente a las drogas sintéticas que hoy en día consumimos para tratar nuestros males; son los fármacos los que deben ser diseñados de tal manera que puedan ser metabolizados y eliminados una vez cumplan con su función. La capacidad para metabolizar distintos tipos de drogas, principios activos y toxinas han sido adquiridas a lo largo de nuestra historia evolutiva. Si nos ponemos a recordar cual es el origen de la mayor cantidad de drogas y principios activos que hoy conocemos, de manera instantánea se nos vendrá a la mente las plantas. Entonces, sería lógico pensar que aquellos animales que se alimentan principalmente de plantas tendrán una mayor cantidad de enzimas detoxificantes que aquellos que tienen una dieta preferentemente carnívora. Esta podría ser la explicación de por qué el gen que codifica la enzima UGT1A6 se volvió disfuncional. ¿Alguna vez han visto a un gato comer algún tipo de planta o verdura? Los gatos como todos los Félidos, son netamente carnívoros, siendo una de las familias más representativas del grupo de animales conocidos como los ‘hipercarnívoros’, dentro del orden Carnívora. Entonces, la pérdida de la función del gen ugt1A6 indica la transición de una dieta generalizada (plantas y carne) a una más especializada (carne). Dentro del orden Carnívora también tenemos a los ‘mesocarnívoros’ (Ej.: osos y perro) y a los ‘hipocarnívoros’ (Ej.: los osos panda). De esta manera, tenemos una oportunidad única para entender el papel de la dieta en la evolución de las enzimas que metabolizan las drogas y toxinas. Así que investigadores norteamericanos liderados por la Dra. Binu Shrestha de la Escuela de Medicina de la Universidad de Tufts estudiaron la evolución del gen ugt1A6 dentro del orden de los Carnívoros y determinaron que el gen se volvió disfuncional debido al cambio en la dieta de los felinos, que redujo la exposición a las toxinas presentes en las plantas, según reportaron ayer en PLoS ONE. Shrestha et al. estudiaron la evolución del exón 1 del gen ugt1A6 usando como control al exón 1 del gen ugt1A1, el cual altamente conservado en los mamíferos —incluso en el hombre— porque se encarga de detoxificar la bilirrubina que nace como resultado de la degradación de la hemoglobina. El exón 1 de la UGT1A1 y UGT1A6  es codificado por el mismo locus (UGT1A), pero gracias al splicing alternativo son diferentes en las dos diferentes enzimas. Según los datos filogenéticos y evolutivos, la fijación del pseudogen ugt1A6 en los felinos se estima que fue hace unos 35 a 11 millones de años. Además, de los 22 taxones representativos del orden Carnívora estudiados, a parte de los felinos, sólo la hiena parda y el elefante marino del norte tenían el gen inactivo, los cuales también son animales que forman parte del grupo de los ‘hipercarnívoros’. Pero, si ven detenidamente el árbol filogenético, pueden ver que hay otros hipercarnívoros que tienen activo el gen ugt1A6. Una explicación podría ser que, en estos animales, la dieta hipercarnívora (>70% de la dieta basada en carne) fue adquirida recientemente en su historia evolutiva, tal vez por que vivían en zonas tropicales, donde la vegetación es abundante. También existen otras pistas que indicarían el papel importante de la dieta en la expresión de determinadas enzimas. Por ejemplo, en 1979 McGeachin & Akin demostraron que los gatos expresaban una menor cantidad de amilasa salivar, una enzima clave en el metabolismo de los carbohidratos, los cuales son abundantes en las plantas. Tampoco pueden metabolizar la cisteína en taurina, el caroteno en vitamina A o el ácido linoléico en araquidonato, los cuales se encuentran principalmente en las plantas. La carencia de estos compuestos puede inducir la ceguera y las cardiomiopatías. Referencia: Shrestha, B., Reed, J., Starks, P., Kaufman, G., Goldstone, J., Roelke, M., O'Brien, S., Koepfli, K... Read more »

  • May 23, 2010
  • 02:58 AM
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Se crea la primera bacteria ‘casi’ sintética

by David Castro in BioUnalm

Esta sin dudas ha sido la noticia de la semana, aunque me da pena decirlo, en muchos de los medios de comunicación la información está completamente alejada de la realidad. En primer lugar, no se ha creado una forma de vida, ni se ha creado la primera bacteria artificial. Lo que Venter et al. hicieron fue crear el primer organismo  vivo—en este caso una bacteria— controlado completamente por un genoma artificial. A grandes rasgos, lo que hicieron fue sintetizar químicamente un genoma (ADN) de 1.08 millones de pares de base (pb) e insertarlo dentro de una bacteria (Mycoplasma) para que este genoma artificial pase a controlar todo el funcionamiento del microorganismo, como lo haría un genoma natural. Este trabajo fue publicado en la  versión on-line de Science (Sciencexpress) y lo pueden descargar libremente. Se ha avanzado mucho en la genómica desde que Sanger secuenció el primer genoma —del fago φX174— en 1977. Los fagos son virus que atacan a las bacterias y tienen genomas muy chiquitos. En 1995, Fleischmann et al. secuenciaron el genoma de Haemophilus influenzae, una bacteria con un genoma más grande y complejo que del fago φX174. Todas las secuencias generadas se empezaron a digitalizar; pero, ¿sería posible usar estas secuencias para sintetizar químicamente un ADN? De ser posible, ¿funcionaría como uno natural si es insertado en un ser vivo?. Estas preguntas ya tienen una respuesta. Entonces, en forma general el trabajo consiste primero en hacer la síntesis química de un genoma chiquito, el más pequeño posible. Mycoplasma genitalium es la bacteria con uno de los genomas más pequeños conocidos hasta ahora, el cual tiene ~580000pb (580Kb) que codifica para unas 485 proteínas, siendo 100 de ellas prescindibles si son eliminadas de una a la vez. Luego, dividirlos en pequeños bloques (cassettes) para poder insertarlos en vectores que permitan meter estas secuencias en el microorganismo. Después, debemos ensamblar todos los cassettes hasta completar el genoma artificial, usando un organismo diferente que tenga la capacidad de hacer este trabajo. Finalmente, purificar el genoma artificial intacto y trasplantarlo a la célula receptora. Venter et al. tuvieron que diseñar mecanismos y protocolos para poder realizar este trabajo. El primer tropezón que encontraron fue que M. genitalium tenía una tasa de crecimiento extremadamente baja. Así que tuvieron que optar por otros Mycoplasmas con tasas de crecimiento más rápidas. Los investigadores usaron a un M. mycoides como donador y a M. capricolum como receptor. Sin embargo, al hacer los primeros intentos de trasplante del genoma de M. mycoides —en forma de cromosoma bacteriano— fallaron debido a que el genoma del donador y del receptor se encuentran metilados, protegiéndolos de la acción de las enzimas de restricción que actúan como mecanismo de defensa, cortando y degradando el ADN extraño (sin metilar). Debido a que los cromosomas bacterianos los hacen crecer como plásmidos en las levaduras (porque son más fáciles de cultivar), el ADN no está metilado y cuando es trasplantado al receptor, cae víctima de las enzimas de restricción. Los investigadores usaron dos estrategias: metilar el ADN usando metilasas purificadas y romper el sistema de enzimas de restricción del receptor. Una forma más fácil de explicar esto de la metilación… En una discoteca (Mycoplasma), las personas que están en la sección VIP tienen una pulsera que los identifica (genoma del Mycoplasma metilado); si alguien que no es de VIP entra (genoma de Mycoplasma no metilado desarrollado en la levadura), automáticamente el personal de seguridad (enzimas de restricción) lo identificarán porque no tiene la pulsera y lo sacarán a patadas. Así que para evitar esto, el que quiera entrar a VIP deberá pagar más y recibir su pulsera (meilación) o dopar  a los elementos de seguridad para que ya no cuiden y puedan entrar a VIP sin miedo de que los boten a patadas. Una vez que solucionaron estos inconvenientes diseñaron el genoma artificial a partir de las secuencias de dos cepas de M. mycoides. A este genoma artificial le llamaron JCVI-syn1.0 el cual se diferenciaba en sólo 19 nucleótidos del genoma de referencia y tenían 4 secuencias “marca de agua” que serán usados más adelante para la identificación del genoma artificial. Este genoma artificial tenía un tamaño de 1.08Mb (1080000pb). Como el genoma es demasiado grande como para ser sintetizado químicamente de un paso, se dividió en pequeñas porciones (cassettes) de 1.08Kb (1080pb) cada una. Cada cassette tenía 80pb repetidos en cada extremo, para identificar el orden en que serán pegados uno con otro. Además cada cassette tenía un sitio de corte para una enzima de restricción para poder ser clonado en un vector (plásmido usado para insertar genes) e introducido a una levadura. El ensamblaje de los ~1000 cassettes se hizo en 3 etapas: La primera etapa fue el primer ensamblaje de intermediarios sintéticos de 10Kb (~10 cassettes). Los cassettes fueron puestos en vectores y recombinados en las levaduras para formar fragmentos de 10Kb (10000pb). Luego, los vectores cargando los fragmentos de 10Kb fueron transferidos a E. coli para ser purificados y analizados. Al menos uno de cada 10 levaduras clonadas tenían los fragmentos de 10Kb ensamblados. La segunda etapa fue el ensamblaje de intermediarios sintéticos de 100Kb. Se repitió el paso anterior; sin embargo, cuando los fragmentos de 100Kb (100000pb) fueron transferidos a E. coli no pudieron permanecer estables, así que se tuvieron que aislar y purificar directamente desde la levadura. Para determinar si los vectores contenían los fragmentos de 100Kb, se hizo una PCR multiple. Cada fragmento de 10Kb tenía una secuencia única de amplificación y al hacer la PCR se debían obtener 10 bandas. El 25% de las levaduras clonadas tenían el fragmento de ~100Kb. La tercera etapa era del ensamblaje final. Para esta etapa final, se purificaron los 11 intermediarios de ~100Kb, se capturaron en “plugs” de agarosa, sometieron a una enzima de restricción para liberarlos de sus vectores, se aislaron los fragmentos libres mediante una electroforesis y se insertaron en una levadura (transformación genética). Una vez dentro, los 11 fragmentos se autoensamblaron sin la necesidad de algún vector, como en los dos casos anteriores y formaron un cromosoma único de 1.08Mb (cromosoma bacteriano de M. mycoides sintético). Para seleccionar las levaduras que habían ensamblado bien los 11 fragmentos de 100Kb se hizo nuevamente una PCR multiple. Cada fragmento de 100Kb tenía una secuencia única de amplificación y al hacer la PCR se debían obtener 11 bandas. Además, para demostrar el correcto ensamblaje se identifico las secuencias “marca de agua” en el JCVI-syn1.0.  Una vez ensamblado todo el genoma sintético se procedió a trasplantarlo dentro del receptor M. capricolum. Para seleccionar a las colonias que habían aceptado al genoma sintético se usaron medios de cultivo selectivos con antibióticos (tetraciclina) y colorantes (X-gal). Si en la placa petri aparecían colonias y eran de color azul, significaba ÉXITO, las colonias tenían el g... Read more »

Gibson, D., Glass, J., Lartigue, C., Noskov, V., Chuang, R., Algire, M., Benders, G., Montague, M., Ma, L., Moodie, M.... (2010) Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science. DOI: 10.1126/science.1190719  

  • March 31, 2010
  • 02:01 PM
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Manteniendo verdes las hojas en otoño

by David Castro in BioUnalm

Llega el otoño, y con esta estación, las hojas de las plantas y árboles se vuelven naranjas, marrones o amarillas, y caen porque ya completaron su ciclo de vida. Los días más cortos y la caída en las temperaturas son las principales responsables de este proceso fisiológico en las plantas. Pero, cuantos insectos dependen de las hojas para poder vivir? Muchos. Los mas conocidos… las orugas. Se sabe que los minadores (insectos que viven en el interior del tejido de las hojas) tienen la capacidad de cambiar la fisiología de las hojas y generar pequeñas “islas verdes” en ellas cuando llega el otoño. Estas regiones, al ser verdes, son fotosintéticamente activas, generando los nutrientes necesarios para prolongar la vida de estos insectos en estas plantas. Se notó que en estas islas verdes, la concentración de citoquininas, una hormona vegetal, era más alta con respecto a otras partes de la hoja. En 1969, un estudio demostró que la saliva del minero del abedul tenía citoquininas. Luego se observó que también las mismas minas producidas en las hojas y las glándulas asociadas a la ovoposición de algunos insectos tenían citoquininas. Entonces, esta hormona juega un papel importante en la relación de hospedero-parásito. Además, los insectos tienen una gran capacidad de adaptación gracias a que forman relaciones simbiontes con bacterias y hongos, quienes les proveen de nuevas rutas metabólicas y metabolitos secundarios, que favorecen la supervivencia del insecto a diferentes ambientes. Entonces, estas bacterias y hongos también podrían producir citoquininas en las hojas senescentes del otoño. Para responder a estas preguntas, Wilfried Kaiser, de la Universidad François-Rabelais de Francia, investigó la relación entre la larva de Phyllonorycter blancardella —un lepidóptero fitófago— y el manzano (Malus domestica). Se sabe que P. blancardella tiene una bacteria simbionte. Así que se hizo una PCR de la sub-unidad 16S del ADN ribosomal, luego se secuenció el fragmento aislado y usando el BLAST se identifico al simbionte como Wolbachia pipientis. Las Wolbachias infectan alrededor del 60% de todas las especies de insectos del mundo, convirtiéndose en uno de los parásitos más exitosos del mundo viviente. Entonces, la pregunta es si las larvas de P. blancardella tiene la capacidad de producir las citoquininas o es su Wolbachia simbionte es la responsable de ello. Para responder a esta pregunta, debemos eliminar a Wolbachia del organismo de la larva. Para eso se sometieron a las larvas, en su primer estadío de desarrollo, a un tratamiento con antibióticos (tetraciclina y rifampicina). Una vez que se obtuvieron las larvas limpias procedieron a infectar las hojas del manzano. Se observó claramente que aquellas larvas tratadas con antibióticos perdieron su capacidad de formar “islas verdes”, y por si fuera poco, el 85% de las larvas no llegaron a la adultez. [Click para agrandar] Entonces, podríamos concluir que son las Wolbachias las responsables de producir las citoquininas para generar las “islas verdes”? Aun no!. Falta determinar aún si en realidad las Wolbachias producen las citoquininas o si las producen las mismas larvas pero las Wolbachias permiten que sean liberadas o si las Wolbachias producen algún tipo factor de transcripción o molécula que promueva la producción de citoquininas por el mismo tejido vegetal. Ya se había demostrado la presencia de citoquininas en las glándulas labiales de algunos minadores, también sabemos que bacterias patógenas como el Agrobacterium induce la producción de citoquininas en las agallas que forma en las plantas infectadas. También esta la fisiología de la misma planta hospedera y su relación con los parásitos. Pero, por lo menos podemos concluir que la clave para la supervivencia en estas “islas verdes” es la citoquinina y al presencia de las Wolbachias, que como mencioné anteriormente, está presente más de la mitad de todas las especies de insectos hasta hoy conocidos. El origen de las citoquininas puede ser aprovechado, por qué no?, para tesis de investigación y nuestra universidad es un lugar apropiado para hacerlo. Referencia: Kaiser, W., Huguet, E., Casas, J., Commin, C., & Giron, D. (2010). Plant green-island phenotype induced by leaf-miners is mediated by bacterial symbionts Proc. R. Soc. B. 10.1098/rspb.2010.0214 Explicación más sencilla: http://cienciafacil.lamula.pe/?p=7 BioUnalm

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Kaiser, W., Huguet, E., Casas, J., Commin, C., & Giron, D. (2010) Plant green-island phenotype induced by leaf-miners is mediated by bacterial symbionts. Proc. R. Soc. B. info:/10.1098/rspb.2010.0214

  • July 13, 2010
  • 03:38 AM
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Por qué se da la adicción a la cocaína?

by David Castro in BioUnalm

Cuanta gente que empieza a consumir cocaína, heroína o nicotina (o Terocal como yo) y nunca la pueden dejar, por más tratamientos e internamientos que tengan, ¿a qué se debe? La explicación es que, cuando se consume de manera constante una de estas drogas o cualquier otro estupefaciente, el cerebro se adapta a tenerla siempre en él y lo toma como si fuera “normal”, volviéndolo menos sensible a los efectos que tanto les gusta sentir, así que necesitan de más para alcanzar el efecto deseado. En este punto, la dosis que consume un drogadicto podría llevar a la muerte por sobredosis a una persona normal que por primera vez prueba una de estas drogas. Pero, ¿cuales son las bases bioquímicas y moleculares que dan paso a la adicción? Hollander et al. pudo haber encontrado la respuesta a los cambios neuronales que terminan en la tolerancia a las drogas, debido a su consumo prolongado, estudiando los cerebros de ratas”coqueras”. Primero, debemos saber que, drogas como la cocaína, atacan y alteran los sistemas de recompensa del cerebro. Y, ¿quienes están detrás de esto? Las responsables son unas pequeñas cadenas de ARN de 21 a 23 nucleótidos de largo llamado microARNs (miARN). Para recordar: Aquí un post que publiqué hace un par de años respecto al tema. Como pueden ver, los miARNs regula la expresión de los genes a nivel post-transcripcional (después de ser transcritos de ADN a ARN mensajero). El genoma humano codifica para aproximadamente 1000 miARNs, y si están en el cerebro, de hecho regularán la expresión de genes que controlan su estructura y función, y tal vez puedan estar relacionados con la adicción. Hollander et al. encontraron que la cocaína aumentaba los niveles de un miARN llamado miR-212 en una región del cerebro llamada estriado dorsal. Pero, ¿de que manera estaba relacionado con la adicción? Para esto tomaron unas ratas drogadictas a las cuales les insertaron un vector cargando un miR-212. La característica de este vector era que el miR-212 se sobre-expresaría aumentando sus niveles en el cerebro. Los investigadores observaron que las ratas – que antes de insertarles el vector eran más coqueras que Maradona – disminuyeron su ansiedad por la cocaína. Para confirmar este experimento, diseñaron otro provocando un efecto contrario. Para esto silenciaron (“apagaron”) el miR-212 y observaron que las ratas drogadictas aumentaron su ansiedad y consumo de cocaína. De estos dos primeros experimentos sacaron la conclusión que miR-212 tenía que ver, de cierta manera, con el control del sistema compensatorio del cerebro. Cuando se sobre-expresaban reducían la ansiedad y consumo de cocaína de las ratas drogadictas, mientras que en su ausencia, el consumo de cocaína aumentaba. La deficiencia de miR-212 las volvía más vulnerables a la drogadicción. Ahora tenemos una nueva pregunta por responder. ¿El miR-212 a que nivel actúa, sobre que proteína tiene un efecto regulador, con que proteínas puede interactuar? Hollander encontró que la cocaína inducía la expresión de CREB, un importante señalizador del sistema compensatorio del cerebro, el cual reduce las propiedades motivacionales de la droga. Además, encontró que miR-212 respondía positivamente a la expresión de CREB, pero CREB sólo era funcional si estaba fosforilada. Así que aquí falta algo que fosforile a CREB. La respuesta fue que miR-212 inducía – de alguna forma – la producción de AMPc, la cual acetilaba a TORC – miembro de una familia de proteínas que actúa como co-activador de CREB – fosforilando a CREB. El AMPc es una molécula envuelta en muchos procesos de activación y desactivación de la expresión de muchas proteínas, sin embargo, no está presente siempre, debe haber un desequilibrio en alguna vía metabólica para que se manifieste. Hollander encontró que miR-212 inhibía muchos genes que codificaban para represores de Raf1 la cual es la responsable de la acumulación del AMPc. En otras palabras, Raf1 sintetiza AMPc pero siempre se encuentra inactiva debido a que sus represores, como SPRED1, siempre se encuentran activos. miR-212 regula la expresión de SPRED1 (y otros inhibidores de Raf1) y el AMPc cíclico se produce. Esto se demostró usando un gen SPRED1 resistente a miR-212, el cual inhibía a Raf1 y no se producía AMPc. Entonces, para no marearlos más, la sobre-expresión de miR-212 se da debido al consumo excesivo de cocaína. miR-212 inhibe a SPRED1 y Raf1 queda libre para hacer lo que le da la gana, en este caso, producir grandes cantidades de AMPc. El AMPc activa – mediante acetilación – a TORC, el cual es un co-activador de CREB. CREB está relacionado directamente con el sistema de recompensa del cerebro, cuanto más CREB hay, el cerebro siente menos recompensa ante el consumo de cocaína y necesita de más para sentir placer. Esto se convierte en un círculo vicioso, porque, nuestro cerebro siente cada vez menos placer y necesita de más droga, o también, siente que una determinada cantidad de droga en el cerebro es normal y su ausencia provocará un desequilibrio y una necesidad por suplir esa carencia. Ojo, cabe resaltar que este estudio fue hecho en ratas, pero, ha dado grandes respuestas y posibles mecanismos para tratar la adicción a la cocaína y otras drogas. Si se pudiera controlar la expresión de miR-212, se podría controlar la ansiedad, o por lo menos, mantenerla en ciertos valores que no lleven al uso excesivo de la misma. Referencia: Hollander, J., Im, H., Amelio, A., Kocerha, J., Bali, P., Lu, Q., Willoughby, D., Wahlestedt, C., Conkright, M., & Kenny, P. (2010). Striatal microRNA controls cocaine intake through CREB signalling Nature, 466 (7303), 197-202 DOI: 10.1038/nature09202 BioUnalm

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Hollander, J., Im, H., Amelio, A., Kocerha, J., Bali, P., Lu, Q., Willoughby, D., Wahlestedt, C., Conkright, M., & Kenny, P. (2010) Striatal microRNA controls cocaine intake through CREB signalling. Nature, 466(7303), 197-202. DOI: 10.1038/nature09202  

  • March 27, 2011
  • 10:19 PM
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Niveles de ciertos aminoácidos en sangre podrían predecir si desarrollarás diabetes

by David Castro in BioUnalm

La diabetes es una de las enfermedades metabólicas más comunes en el mundo, la cual afecta a más de 200 millones de personas. Uno puede tener diabetes pero no se dará cuenta de ellos hasta tener los síntomas, que se pueden dar recién a una edad avanzada, por esta razón es necesario tener un método de diagnóstico preventivo para poder hacer frente a la enfermedad antes que los síntomas se manifiesten. Un artículo publicado hoy en Nature Medicine nos muestra un potencial método de diagnóstico preventivo basado en los niveles de cinco aminoácidos en sangre. La diabetes es una enfermedad metabólica que se caracteriza por la incapacidad de las células de tomar la glucosa de la sangre debido a la insensibilidad o ausencia de insulina —la hormona responsable de este proceso. Este trastorno metabólico se debe a que no hay producción de insulina debido a que los linfocitos T destruyen a las células que producen la hormona (células β de los Islotes de Langerhans del páncreas) o a que los receptores de insulina en las células se encuentran dañados. Dependiendo de la causa será el tipo de diabetes. Actualmente, se usan dos indicadores para predecir el riesgo de desarrollar diabetes en las personas. Uno es el índice de masa corporal (IMC), y el otro es la cuantificación de niveles de glucosa en ayunas  o la prueba de tolerancia a la glucosa. Lamentablemente, estos exámenes sólo son eficientes cuando son realizados muy cercana a la fecha de  inicio del desarrollo de la diabetes, así que no sirve para hacer un diagnóstico preventivo, algo que es crucial para que el tratamiento funcione adecuadamente. Ahora, gracias al desarrollo de las técnicas analíticas de alta eficiencia, se puede realizar un perfil metabólico completo en cuestión de horas. Usando estas técnicas podemos estudiar los niveles de determinados sustratos y productos de las reacciones metabólicas al mismo tiempo, y ver si los niveles de algunos de ellos se encuentran más altos o más bajos que los normales, los cuales podrían ser usados como indicadores de algún problema metabólico. El Dr. Thomas J. Wang y colaboradores de la Escuela de Medicina de Harvard fueron al Estudio de Descendencia Framingham, un programa a largo plazo que se inició en los años 1940’s y que buscaba identificar factores comunes o características que contribuyen a las enfermedades cardiovasculares. En este lugar se encontraban almacenadas las muestras de sangre de todas las personas que formaron parte del estudio. Wang et al. seleccionaron a 2,422 personas no diabéticas (según los resultados de sus exámenes de sangre realizados entre 1991 y 1995). De todos ellos, 201 desarrollaron la diabetes en los 12 años posteriores a dichos exámenes. Wang tomó las muestras de sangre almacenadas de estos pacientes y las analizó usando el HPLC-MS (la cromatografía líquida de alta eficiencia acoplada a la espectrometría de masas) para identificar metabolitos asociados al desarrollo de la diabetes. Los resultados mostraron que cinco aminoácidos: tres ramificados (isoleucina, leucina y valina) y dos aromáticos (tirosina y fenilalanina) se encontraban en niveles superiores a los normales, a pesar que los pacientes no presentaran hiperglucemia (elevados niveles de glucosa en sangre) y el valor del IMC era normal. Los niveles de estos aminoácidos se encontraban elevados hasta 12 años antes de desarrollar la diabetes y el riesgo de tener diabetes fue 4 veces mayor en aquellas personas que tenían esta condición. Una de las explicaciones es que ciertos aminoácidos, particularmente los aminoácidos ramificados, son moduladores de la secreción de insulina y tienen la capacidad de alterar su mecanismo de señalización en el músculo esquelético, provocando una resistencia a ella, la cual es una característica de la diabetes tipo II. Así que la hiperaminoacidemia se posiciona como un buen indicador prematuro de la diabetes. Si bien existen ciertos marcadores genéticos de la diabetes asociados a polimorfismos (diferencias en uno o más nucleótidos), su capacidad de predecir el riesgo de desarrollo de diabetes varía entre un 5 y 37% a diferencia de la hiperaminoacidemia, la cual tienen una eficiencia que varía entre el 60 y 100%. De los cinco aminoácidos, la presencia en altos niveles de por lo menos tres de ellos son los que permiten hacer un diagnóstico prematuro de la diabetes. Sin dudas es un gran avance en el diagnóstico prematuro de la enfermedad, pero, lamentablemente, la técnica usada en este trabajo es sumamente costosa que lo haría inviable para usarlo como prueba rutinaria en los hospitales. Por suerte, con el paso de los años, los precios van cayendo considerablemente dando una luz de esperanza para el uso de la metabolómica para el estudio y diagnóstico de otras enfermedades metabólicas. Referencia: Wang, T., Larson, M., Vasan, R., Cheng, S., Rhee, E., McCabe, E., Lewis, G., Fox, C., Jacques, P., Fernandez, C., O'Donnell, C., Carr, S., Mootha, V., Florez, J., Souza, A., Melander, O., Clish, C., & Gerszten, R. (2011). Metabolite profiles and the risk of developing diabetes Nature Medicine DOI: 10.1038/nm.2307 BioUnalm

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Wang, T., Larson, M., Vasan, R., Cheng, S., Rhee, E., McCabe, E., Lewis, G., Fox, C., Jacques, P., Fernandez, C.... (2011) Metabolite profiles and the risk of developing diabetes. Nature Medicine. DOI: 10.1038/nm.2307  

  • April 30, 2011
  • 11:54 AM
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La evolución del cerebro contribuye con la diversificación de especies

by David Castro in BioUnalm

Si a uno le preguntan ¿cuál es el factor más importante involucrado con la diversificación de especies? muchos responderán que son las mutaciones y la selección natural. Esta bien, es correcto. Pero, esos dos no son los únicos. Científicos de la Universidad de Washington estudiaron el efecto que tenía la comunicación sensorial de una familia de peces africanos (Mormyridae)  —también conocidos como los ‘peces elefante’— en su diversificación, encontrando que en el grupo de especies más diverso, los peces tenían una región del cerebro más grande y desarrollada según reportaron ayer en Science. La comunicación sensorial es una herramienta muy usada en el mundo natural, la cual permite a las especies reconocerse unas con otras de manera específica. Pero, para que funcione, el animal debe tener la capacidad de reconocerla y discriminarla de otras señales presentes en su entorno. Para que esto suceda, el cerebro debe estar lo suficientemente desarrollado como para poder procesar dicha información. La comunicación sensorial está muy relacionada con la diversificación de las especies. Si un animal aprende a reconocer determinadas señales y discriminar otras, se logrará crear un aislamiento reproductivo (el principal mecanismo de la especiación), ya que el animal sólo se relacionará con aquellos individuos que generen la misma señal y, como ya vimos en el párrafo anterior, el cerebro debe ser capaz de reconocer dicha señal. Sin embargo, nadie ha estudiado antes el efecto de la evolución del cerebro en la diversificación de señales y, por ende, en la especiación. Los mormíridos son una familia de peces africanos con la capacidad de producir señales eléctricas. Se han descrito más de 200 especies de mormíridos, tanto filogenéticamente como sensorialmente (cada especie produce un tipo de señal diferente la cual puede ser cuantificada y caracterizada). Gracias a estas ventajas, esta familia es un excelente modelo biológico para estudiar la relación que tiene la evolución del cerebro con su diversificación. Algo sumamente interesante en los mormíridos es que las señales han evolucionado mucho más rápido que la forma de sus cuerpos, tamaño, y ecología trófica. En otras palabras, morfológicamente las especies no son muy diferentes, pero si sensorialmente. Tal vez sea por que los ríos africanos son tan turbios que la visión se vuelve irrelevante, así que la forma más confiable de reconocerse es a través de las señales eléctricas, sino… ‘plancha quemada’. Las señales eléctricas son producidas por un órgano eléctrico compuesto de células especiales llamadas electrocitos, que están ubicados en la cola de los mormíridos. Los electrocitos evolucionaron con la aparición de los mormíridos, y la variación morfológica del tallo de los electrocitos evolucionaron con la aparición de la subfamilia Mormyrinae. Gracias a esto, los mormíridos tuvieron la capacidad de producir diferentes tipos de señales eléctricas. Pero no basta con producir las señales, también deben existir los receptores de señales eléctricas. En los mormíridos pueden ser de tres tipos: los órganos ampulares, los mormiromastos y los órganos de Knollen, siendo estos últimos los involucrados directamente en la comunicación sensorial. Finalmente, la información es procesada en una región del cerebro conocida como núcleo exterolateral (EL). Esta región es la más importante en la comunicación sensorial, por esta razón, los investigadores liderados por el Dr. Bruce A. Carlson estudiaron el núcleo exterolateral de diferentes especies de mormíridos, encontrando que dentro de la subfamilia Mormyrinae, el tamaño de EL era mucho mayor y estaba dividido en dos subregiones: el núcleo exterolateral anterior (ELa) y posterior (ELp). Ahora, la aparición de los electrocitos, la flexibilidad del tallo de los elctrocitos y el núcleo exterolateral, lo veremos evolutivamente en un árbol filogenético elaborado a partir de secuencias del Citocromo B (cytb): [Click para agrandar] Se puede apreciar claramente que con el origen de las regiones anterior y posterior del núcleo exterolateral (Clado A), debido al aumento de su tamaño, las especies de mormíridos empezaron a diversificarse rápidamente. En términos sencillos, cuando más grande era la región del cerebro encargada de procesar la información sensorial, mayor es el grado de diversificación de las especies. Aunque se puede ver que ELa y ELp evolucionó dos veces de manera independiente, tanto en los Mormyrinae como en los Petrocephalus microphthalmus. La diferencia radica en que en estos últimos aún no se había dado la flexibilidad del tallo de los electrocitos, así que no tenían la capacidad de producir diferentes variedades de señales eléctricas. Pero, como vimos anteriormente, son los órganos de Knollen los encargados de recibir las señales, entonces ¿habrá alguna diferencia en la disposición de estos órganos en los mormíridos del clado A con respecto a los otros? Al mapear la disposición de los órganos de Knollen en el cuerpo de los mormíridos, los investigadores encontraron que eran de dos tipos: unos distribuidos por todo el cuerpo y otros ubicados en regiones puntuales en la cabeza. Todos los mormíridos del clado A y los P. microphthalmus tenían los órganos de Knollen distribuidos por todo el cuerpo. Esto indicaría que la evolución de las regiones ELa y ELp están relacionadas directamente con la disposición de los órganos de Knollen a lo largo de todo el cuerpo (mayor área sensorial). Esto les permite tener la capacidad de percibir las señales eléctricas de manera más eficiente y poder discriminarlas una de otras. Entonces, con una mayor capacidad para discriminar las señales, los mormíridos tenían la capacidad de elegir mejor a sus parejas (aquellas con un mismo tipo de señal), de esta manera se generaba un aislamiento reproductivo y, por lo tanto, la especiación. Por otro lado, gracias a la flexibilidad del tallo de los electrocitos, la variedad de señales fue en aumento, traduciéndose en una mayor diversificación de especies. Así que la evolución de diferentes sistemas de comunicación tienen un profundo efecto en la diversificación de especies. Por ejemplo, en las ranas, los cambios en la estructura de su oído interno les ha permitido tener la capacidad de discriminar entre diferentes tipos de croares, lo que trajo consigo una mayor diversidad de especies en ciertos grupos de anuros. Esta es la primera vez que se demuestra el rol que cumple la evolución del cerebro en la diversificación de especies. Referencia: ... Read more »

Carlson, B., Hasan, S., Hollmann, M., Miller, D., Harmon, L., & Arnegard, M. (2011) Brain Evolution Triggers Increased Diversification of Electric Fishes. Science, 332(6029), 583-586. DOI: 10.1126/science.1201524  

  • December 24, 2011
  • 06:37 PM
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Estudio demuestra que fósiles de Doushantuo no son embriones ni bacterias

by David Castro in BioUnalm



Se trataría de Holozoos, organismos eucariotas que se desarrollaron después del último ancestro común entre animales y hongos. Todo empezó en 1998, cuando dos investigadores de la Universidad de Harvard y uno de la Universidad de Pekín anunciaron el descubrimiento de unos fósiles bien preservados, de unos 570 millones de años de antigüedad, en la Formación de Doushantuo. Todo indicaba que estos fósiles, que se formaron en pleno Período Ediacárico, parecían ser los embriones de los primeros animales que poblaron la Tierra. Aunque originalmente fueron descritos como colonias de algas, las imágenes de microscopía electrónica mostraban un patrón de desarrollo caracterizado por una división celular continua sin aumento de tamaño (palintomía), el cual puede ser observado claramente en los primeros estadíos del desarrollo embrionario de los animales modernos. Cuando el espermatozoide fecunda el óvulo, el cigoto se divide en dos células, luego en cuatro, después en ocho, y así sucesivamente, sin embargo el tamaño total del embrión (en este caso la blástula) sigue siendo el mismo. Esta hipótesis se vino abajo en el 2006, cuando Hagadorn et al. usaron la microscopía tomográfica de rayos X de sincrotrón (srXTM) —una técnica no destructiva que escanea las estructuras internas de fósiles o restos arqueológicos, en tres dimensiones y con una resolución micrométrica— para analizar los fósiles de Doushantuo. Gracias a ella pudieron identificar que las células tenían núcleo, confirmando así su origen eucariota; pero no tenían una capa externa de células diferenciadas (epitelio) que aparece durante el desarrollo embrionario. Aún así, no se podía descartar la idea que fuera algún tipo de forma desarrollo embrionario primitivo. En el 2007 la hipótesis sufrió otro golpe bajo cuando Bailey et al. encontraron un fósil de una bacteria del azufre (Thiomargarita sp.) de 600 millones de años de antigüedad que mostraba un patrón estructural similar en forma y tamaño a los fósiles encontrados en Doushantuo. Sin embargo, unos meses después, nuevas observaciones hechas por Yin et al. mostraban que los fósiles de Donshuantuo estaban envueltos por una pared tipo cística, como si fuera un embrión en un estado de diapausa. La hipótesis volvía a la vida. Ahora, un grupo de investigadores liderados por la Dra. Therese Huldtgren y el paleontólogo Stefan Bengtson del Museo de Historia Natural de Suecia demostraron que estos fósiles presentaban características incompatibles con los embriones animales y que su patrón de desarrollo era similar al observado en los Holozoos —grupo evolutivo hermano de los hongos que dio origen a los animales, los coanoflagelados y los mesomicetozoeos— donde la función de la palintomía es la formación de esporas (propágulos) que serán liberados para germinar y formarán nuevos individuos, según reportaron el 23 de Diciembre en Science. Huldtgren et al. también usaron la srXTM para obtener imágenes de gran resolución de los fósiles de Doushantuo. En ellos volvieron a observar la presencia de un núcleo por cada célula y en algunos casos mostraban una morfología alargada o de mancuerna, lo que indicaría que la célula estaba en pleno proceso de división. Todos estos datos apuntaban a lo mismo: se trataba de células eucariotas. Los investigadores no pudieron observar una diferenciación de las células ni la formación de capas germinales en ninguno de los fósiles, características típicas de un desarrollo embrionario. Sin embargo, en algunos casos, se observó que los agregados celulares adquirían una forma similar al de un maní (alargadas con una leve constricción en el centro). Esto indicaría que estas células cumplían con un ciclo de vida: la célula madre empezaba crecer y adquirir una cubierta externa para formar una estructura cística, luego empezaba a dividirse de forma constante sin aumentar de tamaño (palintomía) formando una estructura similar a una blástula pero sin diferenciación de tejidos ni presencia de capas germinales, finalmente la envoltura cística adquiría una forma de maní y liberaba todas las células que contenía como si fueran esporas (propágulos) y el ciclo se volvía a repetir. Entonces, si no es un embrión de un animal primitivo y tampoco es una bacteria, ¿qué rayos es?. Las características que presenta el fósil es típico de un Holozoo, un grupo de organismos que se originó a partir del último ancestro común entre hongos y animales pero antes de la aparición del ancestro común de todos los animales que conocemos en la actualidad. Por su ciclo de vida, pudo haber sido muy parecido a los ictiospóreos (mesomicetozoeo), un parásito estricto de los peces, aunque este carece de los ornamentos que aparecen en la envoltura cística de los fósiles de Doushantuo. Éstos resultados ahondan más el misterio de la aparición de los animales durante el período Ediacárico, sobre todo porque al no ser fósiles de embriones los encontrados en Doushantuo, quiere decir que los animales aparecieron mucho después y que su radiación y diversificación fue más rápida de lo imaginada. Referencia: Huldtgren, T., Cunningham, J., Yin, C., Stampanoni, M., Marone, F., Donoghue, P., & Bengtson, S. (2011). Fossilized Nuclei and Germination Structures Identify Ediacaran "Animal Embryos" as En... Read more »

  • 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  

  • 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  

  • September 18, 2011
  • 10:13 PM
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Jugadores de Foldit resuelven la estructura de una proteína viral

by David Castro in BioUnalm



[Antes de leer esta entrada, pueden leer acerca de Foldit en el artículo que escribí en el blog el año pasado] En tan solo tres semanas, los jugadores de Foldit han resuelto la estructura tridimensional de una enzima de un retrovirus llamada proteasa, cuya configuración ha sido esquiva a los científicos por más de una década. Según el artículo publicado hoy en Nature Structural & Molecular Biology, este logro provee una excelente oportunidad para diseñar fármacos más eficientes para tratar diferentes enfermedades virales como el VIH. Las proteínas están formadas por una determinada secuencia de aminoácidos. Cada aminoácido tiene propiedades químicas diferentes que influyen en la forma y función de la proteína. Como simple analogía, imagínense alambre metálico que adquiere una determinada forma en función a la fuerza que le apliques. En una proteína, las fuerzas son de atracción o repulsión en base a la naturaleza química de cada uno de los 20 aminoácidos diferentes que pueden conformarla. Para determinar la estructura de una proteína no basta con conocer su secuencia de aminoácidos, ya que las formas como éstos pueden interactuar son infinitas. Los científicos deben purificarlas, cristalizarlas y someterlas a los rayos X o a la resonancia magnética (RMN) para analizar la forma como dispersan o absorben la radiación electromagnética, y mediante programas de computación, analizar los datos para obtener la estructura final. Este proceso es sumamente largo y costoso, y muchas veces las proteínas no pueden purificarse o cristalizarse ya que se desnaturalizan (pierden su forma) en el proceso. Foldit es un juego de computadora en línea creado por investigadores de la Universidad de Washington, donde los jugadores manipulan las estructuras de proteínas cuyas configuraciones espaciales aún son desconocidas. Usando una serie de herramientas de modelamiento dispuestas en una interfaz gráfica amigable —algo así como el AutoCAD® que usan los ingenieros—, los jugadores doblan, giran, abren y cierran las cadenas de aminoácidos a fin de encontrar la disposición más estable. En Foldit, los jugadores no parten desde cero, o sea, no parten desde una cadena estirada de aminoácidos, sino parten desde una estructura predicha por una herramienta bioinformática llamada Rosetta. Este programa usa el siguiente algoritmo para encontrar la mejor estructura proteica: i) comienza con una cadena de aminoácidos completamente estirada; ii) mueve una parte de la cadena para obtener una nueva forma; iii) calcula la energía libre de la nueva forma; iv) acepta o rechaza el cambio de energía obtenido (diferencia entre la energía antes y después del movimiento); y v) repite los pasos ii, iii y iv hasta obtener una estructura final predicha. A todos estos pasos se llama “trayectoria” y el programa analiza aquella estructura que tuvo la trayectoria con la cantidad de energía más baja. Finalmente, se hace los ajustes de cada estructura mediante ligeros cambios en las interacciones químicas. Sin embargo, no siempre se obtiene la misma forma de baja energía porque las posibilidades son infinitas. Debido a la cantidad de cálculos que hace Rosetta, los desarrolladores usan los recursos de las computadoras de personas que voluntariamente las ofrecen al proyecto a través de una simple aplicación llamada Rosetta@home. Mientras no usas tu computadora, Rosetta@home entra en actividad y ejecuta el algoritmo el cual tu puedes observarlo, en tiempo real, como protector de pantalla. Entonces, a partir de la estructura proteica predicha por Rosetta, lo jugadores de Foldit empiezan a realizar pequeños movimientos a fin de encontrar las formas con menores cantidades de energía libre (termodinámicamente más estables). Además, al ser un juego multijugador, existe una participación colaborativa que acelera el proceso, ya que los jugadores se encuentran agrupados en “clanes” que trabajan de manera conjunta a fin de obtener más puntos y subir en el ranking. Aunque no lo crean, la competencia es muy fuerte ya que, si bien puede ser tomado como un prejuicio, los científicos y la gente que gusta de la ciencia son bastante geeks. Para el presente trabajo, el equipo del Dr. Firas Khatib puso un puzle a dos de los grupos más renqueados de Foldit —Contenders y Void Crushers. El puzle era la proteasa retroviral del Virus Mason-Pfizer del mono (M-PMV), el cual causa el SIDA en los simios. Estas enzimas cumplen un rol importante en la maduración y proliferación de los virus como el VIH y son usados como blancos de los retrovirales modernos, así que saber su estructura molecular precisa sería de gran ayuda para diseñar fármacos más específicos y eficientes. Los científicos han tratado de encontrar la forma de esta proteasa usando el reemplazamiento molecular (MR) por más de una década. Esta técnica se basa en determinar la estructura de una proteína comparándola con otras proteína similares con estructuras ya resueltas o a partir de otras formas cristalinas de la misma proteína mucho más fáciles de obtener. Durante las tres semanas que duró la competencia, los jugadores de Foldit lograron obtener la estructura de la proteasa —partiendo desde los modelos parciales obtenidos mediante RMN—, la cual fue bastante aproximada a la versión original determinada posteriormente mediante cristalografía de rayos X. Además, los modelos obtenidos por los jugadores (Fig. a) fue mejor que los obtenidos por la predicción de Rosetta (Fig. b, c y d). Las estructuras originales fueron determinadas posteriormente y se presentan de color azul en las cuatro figuras. a. Comparación con la estructura predicha por el jugador de Foldit (verde). b. Comparación con la estructura inicial predicha por Rosetta (amarillo). c y d. Comparación con las estructuras optimizadas predichas por Rosetta (rojo y celeste). Para que esta proteasa sea funcional, debe estar formada por dos de estas proteínas conocidas como monómeros. Entonces, la importancia de este trabajo es que al conocer la estructura más precisa de la proteína se pueden diseñar fármacos que actúen a nivel de su superficie y eviten que los monómeros se unan par formar la proteasa funcional. De esta manera, el virus perderá su capacidad de proliferación y la infección puede ser controlada. Por otro lado, predecir las estructuras usando Foldit y Rosetta@home reduce considerablemente los costos económicos y laborales que acarrea la purificación y cristalización de proteínas, a través de la interacción de los videojuegos y la investigación científica. Referencia: ... Read more »

Khatib, F., DiMaio, F., Cooper, S., Kazmierczyk, M., Gilski, M., Krzywda, S., Zabranska, H., Pichova, I., Thompson, J., Popović, Z.... (2011) Crystal structure of a monomeric retroviral protease solved by protein folding game players. Nature Structural . DOI: 10.1038/nsmb.2119  

  • January 16, 2011
  • 08:18 PM
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Un microARN envuelto en el control del cáncer de próstata

by David Castro in BioUnalm

Cuando uno llega a la edad de 40 debe empezar a preocuparse por la salud y funcionamiento de su próstata, y es que el cáncer de próstata es el segundo más frecuente en los varones de nuestro país. De sólo ponerme a pensar en los síntomas, tal como diría el Dr. Chapatin, “ya me dio cosas”. El problema es que las primeras etapas del desarrollo de cáncer de próstata son asintomáticos, y recién se siente las dificultades, dolor y sangrado al orinar cuando está ya avanzado, llegando a ser mortal. Los tratamientos van desde la quimio y radioterapia, hasta la remoción de la próstata mediante una cirugía. Sin embargo, científicos del Departamento de Carcinogénesis Molecular de la Universidad de Texas, liderados por el Dr. Can Liu, encontraron que un microARN puede inhibir la diseminación del cáncer de próstata a través de la supresión de una proteína comúnmente encontrada en la superficie de las células madre cancerosas. Su trabajo fue publicado hoy en la revista Nature Medicine. Para recordar un poco, los microARNs (miARN) son pequeñas secuencias de ARN que varían entre 21 y 25 nucleótidos y son capaces de inhibir la expresión de muchos genes a nivel del ARN mensajero. Muchos estudios han revelado que los miARNS funcionan como supresores tumorales y reguladores de oncogenes, ya que mutaciones o fallas en su expresión están relacionados con el desarrollo de varios tipos de cánceres humanos. Por otro lado, las Células Madre Cancerosas (CMC) —también conocidas como Celulas Iniciadoras de Tumor— debido a su capacidad de autoregenerarse, recrean la heterogeneidad celular de los tumores parentales y son más resistentes que los otros tipos de células cancerosas a los tratamientos con agentes terapéuticos, son las principales responsables de las recurrencias de los tumores y de la metástasis (diseminación de las células cancerosas hacia otros tejidos). Estas capacidades son más frecuentes en las CMC que tienen una proteína específica de superficie de membrana llamada CD44. Así que Liu et al. hicieron un análisis de los miARNs que se expresaban tanto en las CMC con CD44 (CD44+) y en las CMC sin CD44 (CD44-), presentes en ratones modelos con cáncer de próstata, y encontraron que los niveles de expresión de un miARN llamado miR-34a en CD44+ era menor al 3% que los niveles de expresión en CD44-. Esto quiere decir que miR-34a regula la expresión de la proteína de superficie CD44 y cuando los niveles de miR-34a son menores el cáncer de próstata será más agresivo. Estos resultados obtenidos de animales modelos fueron corroborados mediante el análisis de 18 muestras de pacientes con cáncer de próstata. Los niveles de expresión de los miR-34a en las CD44+ fueron sólo entre el ~25-70% de los niveles en las CD44-. b) Nivel de expresión de miR-34a en 4 muestras de animales modelos y c) Nivel de expresión de miR-34a en muestras de 18 pacientes con cáncer de próstata. La expresión de miR-34a esta regulado por la p53, uno de los principales factores de transcripción de la célula que regula su buen funcionamiento a varios niveles (división celular, reparación del ADN, entrada en senescencia, apoptosis, etc.). Entonces, miR-34a debe estar envuelto en alguno de estos procesos. Cuando los investigadores insertaron miR-34a a ratones con cáncer de próstata, el tamaño de sus tumores se redujo a menos de la mitad que el tamaño de los tumores de los ratones que no recibieron el tratamiento con miR-34a. Por el contrario, cuando se insertó un represor de miR-34a a una CD44- los tumores generados fueron más grandes que en las CD44- control. Estos resultados son bastante alentadores porque demuestran la función de miR-34a en el desarrollo de los tumores y la eficacia de un tratamiento usando miARNs. Por otro lado, muchas de las características de las CMC como son la capacidad de autoregeneración, crecimiento clonal y formación de esferas celulares, fueron suprimidas cuando se incrementó la expresión de miR-34a en las líneas celulares del cáncer de próstata. Cuando se hizo un tratamiento con miR-34a sintético y fue administrado vía intravenosa a ratones con cáncer de próstata, se redujo el peso de un tipo de tumor en un 50%. Además, la diseminación de las células cancerosas a otros tejidos como los pulmones fue reducida y la supervivencia de los animales aumentó considerablemente. Finalmente, otro tipo de tratamiento fue probado usando un tipo de ARN llamado ARN de pequeña horquilla (shRNA) que se une al ARN mensajero de CD44, formando una especie de bucle que inhibe su expresión. Este tratamiento también funcionó reduciendo la diseminación de la célula cancerosa y el tamaño de los tumores, al igual que el uso de los miR-34a. Sin dudas es un gran avance para desarrollar un tratamiento mas eficaz y menos invasivo para el tratamiento del cáncer de próstata. Hay muchas compañías que están desarrollado agentes terapéuticos basados en moléculas de ARN y de seguro, dentro de algunos años, podremos verlos en el mercado. Referencia: Liu, C., Kelnar, K., Liu, B., Chen, X., Calhoun-Davis, T., Li, H., Patrawala, L., Yan, H., Jeter, C., Honorio, S., Wiggins, J., Bader, A., Fagin, R., Brown, D., & Tang, D. (2011). The microRNA miR-34a inhibits prostate cancer stem cells and metastasis by directly repressing CD44 Nature Medicine DOI: 10.1038/nm.2284 BioUnalm

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Liu, C., Kelnar, K., Liu, B., Chen, X., Calhoun-Davis, T., Li, H., Patrawala, L., Yan, H., Jeter, C., Honorio, S.... (2011) The microRNA miR-34a inhibits prostate cancer stem cells and metastasis by directly repressing CD44. Nature Medicine. DOI: 10.1038/nm.2284  

  • September 15, 2012
  • 12:31 AM
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Reconstruyendo el metabolismo más primitivo

by David Castro in BioUnalm



Usando herramientas bioinformáticas, investigadores estadounidenses han reconstruido una red metabólica representativa del último ancestro común de todos los seres vivos. Si analizamos el árbol de la vida —un diagrama que pretende relacionar evolutivamente a todos los grupos de seres vivos de la Tierra— veremos que hay un punto inicial en el que todos convergen, un organismo que vendría a ser el ancestro de nuestros ancestros o simplemente el LUCA (Último Ancestro Común Universal, por sus siglas en inglés). La hipótesis de que todas las especies que conocemos en la actualidad tuvieron alguna vez un único ancestro común radica en las similaridades genéticas y fisiológicas que ellas comparten. Por ejemplo: la replicación del ADN, la síntesis de proteínas, la degradación de azúcares, el transporte de iones, o las secuencias de ciertos genes, son bastante similares incluso entre especies completamente diferentes como una jirafa y una bacteria. Buscando al ancestro En el 2003, un grupo de investigadores liderados por Kirk Harris de la Universidad de Colorado (EEUU) identificaron un pequeño grupo de genes conservados en los tres dominios de la vida (bacterias, arqueas y eucariotas) que podrían haber estado presentes —o por lo menos, genes relacionados a ellos— en el genoma de LUCA. Sin embargo, son las estructuras proteicas las características más conservadas de los seres vivos: si un aminoácido cambia, la proteína simplemente pierde su función. Si analizamos las secuencias de aminoácidos que conforman una proteína veremos que hay porciones que pueden ser encontradas en otras proteínas incluso de organismos diferentes. A estas regiones se las conocen como dominios. Los dominios cumplen funciones claves dentro de una proteína: le dan forma, afinidad por otras moléculas, actividad catalítica para llevar a cabo reacciones químicas, etc. Considerando además que la aparición de un nuevo dominio es un hecho muy poco probable en comparación a la reutilización de uno ya existente, los biólogos los emplean para hacer estudios evolutivos más profundos. En el 2007, los hermanos Caetano-Anollés y su equipo de la Universidad de Illinois (EEUU) hicieron un trabajo parecido al de Harris pero esta vez usando las secuencias de los dominios presentes en los tres reinos, logrando identificar las posibles estructuras proteicas presentes en LUCA. Dos años más tarde, Vijayasarathy Srinivasan y Harold Morowitz de la Universidad George Mason (EEUU) estudiaron las reacciones bioquímicas —sin tomar en cuenta las enzimas que las catalizaban— de cuatro bacterias y una arquea, encontrando más de 250 comunes en todas ellas y sugiriendo que éstas también pudieron estar presentes en LUCA (siempre y cuando LUCA haya sido autótrofo). Enzimas primitivas Debido a que las secuencias genéticas, las estructuras proteicas y las rutas metabólicas no responden de la misma manera ante la presión selectiva y evolucionan a diferentes ritmos, cada uno revela diferentes aspectos de LUCA. Pero, ¿qué pasaría si sólo nos enfocamos en los puntos donde estos tres estudios coinciden? Pues tendríamos datos más certeros sobre el repertorio catalítico de LUCA. Esto fue precisamente lo que hicieron tres investigadores estadounidenses según un estudio publicado esta semana en PLOS ONE. El equipo liderado por el biólogo computacional Ram Samudrala de la Universidad de Washington identificó un total de diez funciones enzimáticas —seis presentes en los tres estudios previos y cuatro en los dos primeros— que pudieron haber formado parte del metabolismo de LUCA. De las seis funciones enzimáticas comunes a los tres estudios tenemos: tres transferasas, una oxidorreductasa, una liasa y una ligasa. Mientras que las otras cuatro, todas eran hidrolasas. Además, los investigadores observaron que dentro de estos 10 grupos enzimáticos hay enzimas que usan metales como cofactores para llevar a cabo las reacciones. Esto es clave porque estudios previos sugieren que las metaloenzimas, como se les suele llamar, fueron las primeras en aparecer después de la transición de los péptidos prebióticos a los primeros péptidos funcionales. Con estas 10 funciones enzimáticas se abre todo un abanico de rutas metabólicas que LUCA podría haber realizado, por ejemplo: la síntesis y degradación de importantes biomoléculas, desde la Coenzima A y pequeños azúcares hasta los N-glicanos y esfingolípidos. Usando todos estos datos los investigadores reconstruyeron una ruta metabólica representativa que podría reflejar el metabolismo central de las formas de vida más primitivas, por ejemplo, de LUCA. La red comprende 119 nodos (reactantes o metabolitos) y 135 ramas (funciones enzimáticas). Las ramas pintadas de amarillo representan las seis funciones enzimáticas presentes en los tres estudios previos (secuencias genéticas, estructuras proteicas y reacciones bioquímicas conservadas), mientras que las verdes representan las cuatro funciones enzimáticas presentes en los dos primeros (secuencias genéticas y estructuras proteicas conservadas). Este estudio es nos muestra claramente que se puede producir un metabolismo relativamente grande y compleja usando un pequeño número de funciones enzimáticas. Si bien es cierto esto solo es una aproximación obtenida gracias al uso de herramientas bioinformáticas, gracias a ellas tenemos una idea de cómo pudo ser la vida primitiva. Referencia: Goldman, Aaron David, Baross, John, & Samudrala, Ram (2012). The Enzymatic and Metabolic Capabilities of Early Life PLOS ONE DOI: 10.1371/journal.pone.0039912 BioUnalm
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  • 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  

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