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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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  • September 3, 2010
  • 01:26 PM
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El cabello puede medir el nivel de estrés y predecir ataques cardiacos

by David Castro in BioUnalm

Muchos estudios han encontrado una relación directa entre el estrés y los ataques cardiacos. Cuando una persona está estresada el sistema cardiovascular se ve afectado, la presión sanguínea aumenta, lo que puede generar problemas cardiacos. El estrés crónico, el cual es producto de los problemas laborales (tu jefe te maltrata, no acabaste el informe a tiempo, saliste con la secretaria del jefe), familiares (tu esposa te maltrata, debes cocinar todos los días temprano antes de salir al trabajo, dejar a los niños en el colegio y recogerlos), o financieros (le apostaste a Perú contra Canadá, pagar las letras de carro), también es responsable de muchas enfermedades cardiovasculares incluyendo el infarto de miocardio agudo.

Pero, ¿como se da el estrés? Nosotros constantemente nos adaptamos y respondemos a los cambios en el entorno. Uno de los mecanismos de respuesta es hecho por el eje Hipotálamo-Pituitario-Adrenal (HPA). Cuando estamos sometidos a algún tipo de estrés físico o emocional se activan muchos sistemas neuroendocrinos (liberadores de señales celulares como las hormonas o neurotransmisores al torrente sanguíneo) quienes producen y liberan glucocorticoides, especialmente el cortisol, el cual es considerado como la hormona del estrés.

Los métodos tradicionales para medir el cortisol es en muestras de saliva, orina, suero o plasma; sin embargo, las medidas obtenidas serán sólo de la cantidad de cortisol secretado en ese día o en ese momento, y no reflejan el nivel de estrés en periodos prolongados de tiempo (el estrés crónico).

Estudios previos ya habían demostrado la presencia de cortisol en los cabellos, además estes se mantenía estable por aproximadamente 6 meses. Emily Webb et al. (2010) también demostró la presencia de cortisol en cabellos de momias peruanas de más de 2500 años de antigüedad. Si se sabe que el cabello humano crece alrededor de 1cm por mes, entonces tomando un cabello de 6cm de largo, podríamos conocer la cantidad de cortisol secretado por una persona en los últimos 6 meses.

Entonces, para determinar la relación entre el estrés y los ataques cardiacos, David Pereg et al. colectaron muestras de cabello de los 3cm más próximos al cuero cabelludo, para determinar los niveles de cortisol a los que fueron expuestos en los tres últimos meses 56 pacientes con problemas cardiacos y 56 pacientes con otros tipos de problemas que no sean cardiacos usados como control.

Los investigadores encontraron que los pacientes con problemas cardiacos tenían una mayor concentración de cortisol en el cabello (295.3ng/g) que los pacientes control (224.9ng/g). Las concentraciones de cortisol en el cabello se dividieron en cuatro y se analizó la proporción de pacientes con infartos de miocardio agudos (MI) y los que no sufrieron un infarto. Se observa claramente que cuanto mayor es la concentración de corticoide, mayor es la proporción de pacientes con infarto.

A diferencia de los métodos de cuantificación de cortisol en saliva, orina o suero donde sólo se obtiene los niveles en ese instante o durante ese día; el cabello nos permite saber a cuanto cortisol uno ha estado expuesto en los últimos meses y nos permite diagnosticar si se ha sufrido de algún tipo de estrés crónico, así como determinar su vulnerabilidad y prevenir cualquier tipo de infarto. Sin embargo, los resultados si bien son significativos no son muy uniformes, ya que el rango de concentración en los pacientes con problemas cardiacos fue de 105.4–809.3 ng/g, mientras que en los pacientes control fue de 76.6–949.9 ng/g. Al ojo uno puede ver que no hay una relación directa entre los noveles de cortisol y ataques cardiacos pero las estadísticas nos dicen lo contrario.

Referencia:

Pereg, D, & et al (2010). Hair cortisol and the risk for acute myocardial infarction in adult men Stress DOI: 10.3109/10253890.2010.511352 BioUnalm

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

by David Castro in BioUnalm



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

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

  • April 15, 2010
  • 11:59 PM
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Como funcionan los ribosomas?

by David Castro in BioUnalm

Hace un par de días habíamos hablado del como pudo haber sido el origen del código genético y, para que tenga una continuidad, hoy hablaremos de como funciona exactamente los ribosomas. Recordando: Los ribosomas son unas estructuras especializadas formadas por algo más de 50 proteínas y ARN ribosomal y se encarga de leer el ARN mensajero (ARNm) y traducirlo a proteínas a través de los codones del ARNm y los anticodones del ARN de transferencia (ARNt) que cargan en el otro extremo un determinado aminoácido. Los ribosomas tienen tres sitios bien determinados. El sitio A es donde el ARNt cargando su respectivo aminoácido (aminoacilado) se une al ribosoma, luego pasa al sitio P dejando el sitio A libre para la entrada de otro ARNt aminoacilado y se forme el enlace peptídico que une a los dos aminoácidos. El ARNt que estaba en el sitio P se queda sin su aminoácido y pasa al sitio E de donde es liberado para que vuelva a conseguir otro aminoácido. El ARNt que estaba en el sitio A pasa al P cargando un aminoácido más, repitiendo este ciclo hasta terminar de formar la cadena de aminoácidos (proteína) con un ARNt de finalización (no carga aminoácido alguno). Este paso de translocación es hecha por la enzima GTPasa EF-G. ¿Se ve sencillo?… Pasar de A a P y luego a E. Sin embargo, detrás de esto hay todo un trabajo coordinado de muchos componentes. Uemura et al. reportaron el uso de una técnica extremadamente sensible para detectar, a nivel molecular, como se da este proceso. El método que emplearon se llama “guía de onda en modo cero” (zero-mode waveguide: ZMW) el cual consiste en una nanoestructura de una capa de aluminio, con pequeños agujeros circulares de 50 a 200nm de diámetro en cuya base hay una capa de cristal de cuarzo.  Este aparato permite analizar volúmenes de zeptolitros (10-21L), reduciendo las señales de fondo y otras interferencias.  Los ribosomas son inmovilizados en el ZMW en su forma de inicio de traducción (el ribosoma unido al ARNt de la metionina, el aminoácido inicial de las proteínas), este ARNtMet estará unida con un fluoróforo verde (una molécula que se excita a una determinada longitud de onda, emitiendo fluorescencia verde). Varios ARNm artificiales—diseñados para este experimento— serán ensamblados a la lámina de cuarzo del pozo. Este ARNm estará conformado sólo por 4 codones: Metionina (Met, M), Lisina (Lys, K), Fenilalanina (Phe, F) y el de terminación (no codifica para ningún aminoácido). Entonces, también deber haber cuatro tipos de ARNt: ARNtMet (verde), ARNtPhe (Rojo), ARNtLys (Celeste) y ARNtter (terminación, no tiene aminoácido ni esta marcado con molécula fluorescente). Todo este sistema será iluminado a tres longitudes onda diferentes: 488nm, 532nm y 642nm, los cuales excitaran las moléculas fluorescentes celeste, verde y roja, respectivamente. Las fluorescencia emitida por los ARNt será detectada solo cuando estén ubicados en uno de los tres sitios del ribosoma. Primero diseñaron dos ARNm que codifican para una pequeña cadena de 4 aminoácidos (MFFF y MFKF). Probaron este experimento a bajas concentraciones de ARNt y GTPasa EF-G (30nM = 30 nanomoles por litro). Cuando no pusieron GTPasa EF-G en la reacción, como era de esperarse, sólo hubo un pulso rojo (de la F) —seguido al verde inicial de la metionina que siempre estará presente— y de ahí nada. Esto confirma que es necesaria la presencia de la GTPasa EF-G para la translocación de sitios. Luego pusieron 30nM de GTPasa EF-G y si observaron tres pulsos rojos (MFFF). A bajas concentraciones, la traducción tomaba ~20 segundos por codón. El ARNt era liberado del sitio E, la fluorescencia del ARNt del sitio P se extinguía a los 13.7seg, antes que llegue el nuevo ARNt al sitio A, así que no se pudo determinar exactamente cuanto tiempo se queda el ARNt en el ribosoma. Lo mismo se hizo con la secuencia MFKF. Entonces, el perfil de fluorescencia a bajas concentraciones es por pulsos. Uno verde, seguido por uno rojo, luego el verde desaparecía porque el ARNtMet dejaba su aminoácido y era liberado por el sitio E, luego el pulso rojo pasaba al sitio P y desaparecía a los 13 segundos. A los 20 aparecía otro pulso celeste correspondiente a K terminando con un pulso rojo correspondiente a F.  Bonito no?… Pero en las células no ocurre de esta manera. Las concentraciones de ARNt y GTPasa EF-G están en un orden micromolar (uM = 1000nM) y las cadenas de ARNm tienen muchos codones. Entonces, los investigadores diseñaron ARNm de 13 codones que codifican para 13 aminoácidos (M[FK]6 y M[FKK]4). Esta vez la concentración de ARNt  se subió a 200nM y de GTPasa EF-G a 500nM. Lo primero que se observó fue que la velocidad de traducción por codón se incrementó considerablemente y había superposición de fluorescencias, esto quiere decir que había más de un ARNt en el ribosoma al mismo tiempo. A más concentración de GTPasa EF-G, menos tiempo entre la llegada de un ARNt a otro en el sitio A. En promedio eran ~4.1 segundos los que cada ARNt estaban unidos al ribosoma. A máxima concentración de ARNt y GTPasa EF-G, la velocidad fue de casi 1 codón por segundo, muy cercano a lo obtenido por organismos vivos in vitro. Sin embargo, el tiempo de llegada del primer ARNt siempre fue el mismo, sea cual sea la concentración de  GTPasa EF-G. Otra cosa que se observó fue que M[FKK]4 se tradujo más rápidamente que M[FK]6, esto debido a que el carácter hidrofóbico de la Phe hace más lenta la traducción. Pero, estos tiempos se dan cuando las dos sub-unidades del ribosoma están ensamblados. Que pasa cuando las sub unidades 30S y 50S están separados. Para esto, la sub-unidad 30S fue ensamblada a la ZMW (junto con el ARNtMet). Y se volvió a hacer el experimento. La traducción se desarrolló normalmente con un pequeño retraso inicial —en la llegada del primer ARNt— de 12 segundos. Este es el tiempo que le toma a la sub-unidad 50S en ensamblarse a la 30S. Ahora, solo falta saber si en el ribosoma llegan a haber tres ARNt en un determinado momento (en cada uno de los sitios: A, P y E).  Hasta ahora se había visto que hay superposición de dos señales, entonces será la llegada del ARNt al sitio A el responsable de la liberación del ARN sin aminoácido del sitio E? o la liberación del sitio E se hace de manera independiente a la llegada del ARNt al sitio A?. Se observó que a pesar que se aumentaba la concentración de GTPasa EF-G y ARNt y el tiempo de per... Read more »

Uemura, S., Aitken, C., Korlach, J., Flusberg, B., Turner, S., & Puglisi, J. (2010) Real-time tRNA transit on single translating ribosomes at codon resolution. Nature, 464(7291), 1012-1017. DOI: 10.1038/nature08925  

  • 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  

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

by David Castro in BioUnalm



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

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

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

by David Castro in BioUnalm

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

  • February 28, 2012
  • 03:01 AM
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Células madre capaces de producir ovocitos hallados en mujeres adultas

by David Castro in BioUnalm



Pueden ser aislados y multiplicados tanto in vitro como in vivo para producir nuevos óvulos y abriría una nueva línea de investigación para el tratamiento de la infertilidad femenina. La ciencia no deja de sorprendernos. Desde ahora los libros y la Wikipedia deben ser reescritos y si tu profesor de biología te dice que las mujeres nacen con un número determinado de ovocitos —óvulos inmaduros— tienes todo el derecho a decirle que está equivocado. Un artículo publicado el 26 de Febrero en Nature Medicine reporta el descubierto de un tipo de células madre capaces de producir nuevos ovocitos en el ovario de mujeres entre 22 y 33 años. Desde 1951, los científicos creían que el número de ovocitos en los mamíferos ya estaba fijado al momento de nacer. En los humanos, por ejemplo, se encuentran estancados en la primera fase de la meiosis hasta la pubertad. Luego, uno por uno maduran para ser liberados durante la madurez sexual de las mujeres, cada mes de sus vidas, hasta que finalmente “se agotan” en una etapa conocida como menopausia. Se estima que son unos 400 los ovocitos primarios originales que llegan a madurar durante la vida de una chica normal. Sin embargo, en el 2004, el Dr. Jonathan Tilly y sus colegas del Hospital General de Massachusetts rompieron este paradigma al descubrir que los ovarios de las ratonas adultas tenían un tipo de células germinales muy raras, capaces de producir ovocitos de una forma análoga a la formación de los espermatozoides en los machos [Artículo completo aquí]. Se trataba nada menos que de una célula madre ovárica. Como era de esperarse, la comunidad científica se mostró muy reacia y escéptica ante tal descubrimiento, rechazando y criticando el trabajo constantemente. Tilly y su equipo realizaron más experimentos, consiguiendo aislar y proliferar éstas células madre en el laboratorio. También lograron obtener óvulos maduros a partir de ellas, que fueron insertados dentro de los ovarios de ratonas sin ovocitos siendo completamente funcionales y produciendo crías sanas. Incluso, en el 2009, se identificaron estas células madre en ovarios atrofiados de ratonas ancianas, que al ser trasplantadas en los ovarios de ratonas jóvenes, desarrollaron la ovogénesis. Todos estos resultados terminaron por confirmar la observación hecha por Tilly hace ocho años. Pero, ¿cómo fueron capaces de aislar estas células madre ováricas? En el 2005, un grupo de investigadores chinos de la Universidad de Shanghai Jiao Tong desarrollaron una metodología bastante innovadora basada en el inmunomagnetismo. Esta técnica consistía en usar un anticuerpo que se une específicamente a una proteína llamada Ddx4, que es expresada en la superficie de las células madre ováricas de las ratonas. Además, este anticuerpo estaba unido a una pequeña esfera magnética por el otro extremo. Entonces, se ponía una solución del anticuerpo sobre un ovario tratado con enzimas digestivas, se dejaba que reaccionen por unos minutos; y luego, con la ayuda de un imán, se separaba sólo aquellas células que estaban ligadas al anticuerpo, o sea, las células madre. Para el presente estudio, Tilly y sus colaboradores usaron una técnica mucho más moderna y eficiente, ya que permitía separar las células madre ováricas viables de las muertas, algo que con el inmunomagnetismo no se podía. La técnica se llama clasificación de células activadas por fluorescencia (FACS, por sus siglas en inglés), muy similar a la anterior, pero que usa moléculas fluorescentes y un citómetro de flujo en vez de las esferas magnéticas y el imán, respectivamente. Una vez estandarizado el protocolo en ratones, los investigadores repitieron en proceso en humanos. Para esto tomaron los ovarios donados por seis mujeres entre 22 y 33 años, con un trastorno de identidad de género, que se sometieron a una cirugía de cambio de sexo. Primero demostraron que los ovarios de estas mujeres en plena madurez sexual expresaban la versión humana del gen Ddx4, lo que indicaría que también presentan células madre ováricas y, por lo tanto, la posibilidad de ser aisladas. Luego, insertaron el gen de la proteína fluorescente verde a cada célula madre ovárica con el fin de hacerle un seguimiento durante todo su desarrollo. En otras palabras, les pusieron un foquito verde a dichas células para encontrarlas fácilmente a través de los experimentos in vitro e in vivo. Los resultados fueron sorprendentes. Cuando las células madre ováricas de ratones fueron cultivadas in vitro, empezaron a desarrollar los ovocitos entre las 24 y 48 horas después de haberse iniciado el experimento. Y cuando fueron insertadas en los ovarios de ratonas tratadas con agentes químicos que afectan las gónadas, también lograron desarrollar óvulos viables. Además, al mezclar estos nuevos óvulos con espermatozoides de ratones, lograron ser fecundados y empezaron con el desarrollo embrionario normalmente. (Los embriones retienen la fluorescencia verde, tal como se puede apreciar en la siguiente imagen) El mismo procedimiento fue reproducido en humanos. Cuando las células madre ováricas fueron cultivadas in vitro tardaron 72 horas en formar los ovocitos. Mientras que para hacer los estudios in vivo, los investigadores usaron biopsias de ovarios de otras pacientes para crear un ambiente óptimo para dichas células. Luego, todo este paquete fue trasplantado (xenotrasplantado, para ser exactos) en una ratona con el sistema inmunológico suprimido (para que no rechace el injerto), observándose que entre una y dos semanas después del xenotrasplante, empezaron a formarse los folículos conteniendo los ovocitos fluorescentes. Obviamente, por cuestiones éticas y jurídicas, no se pudo hacer la fertilización in vitro de estos óvulos generados a partir de estas células madre ováricas humanas. Sin embargo, lo más resaltante del trabajo es que se abre una nueva línea de investigación para el tratamiento de problemas de fertilidad en mujeres. Cabe la posibilidad de rescatar células capaces de generar nuevos ovocitos tanto de ovarios atrofiados como viejos. Además, estas células son adaptables a una proliferación in vitro y una diferenciación in vitro e in vivo. Referencia: ... Read more »

  • 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  

  • 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  

  • January 23, 2012
  • 09:37 PM
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Desarrollan bacteria que produce etanol a partir de algas marrones

by David Castro in BioUnalm



Científicos insertaron los genes necesarios para la fermentación del alginato generando un rendimiento superior al 80% del esperado. Los precios de los combustibles aumentan, las reservas se van agotando y el mundo demanda cada vez más energía. Una solución a este problema son los combustibles renovables obtenidos a partir de materias primas vivas (plantas). Sin embargo, las plantas también son la base de nuestra alimentación. Sin ellas no tendríamos frutas, verduras, carnes, huevos, leche, etc. Esto nos ha llevado a una encrucijada: decidir entre usar los campos de cultivo para la producción de energía o alimentos. Por suerte el mundo cuenta con biólogos. Ellos vieron la posibilidad de usar cualquier cosa de origen vivo como materia prima, por ejemplo: los desechos de la industria agrícola, las malezas, las algas marinas, etc., y así no competir con la biomasa destinada a la alimentación. El problema es degradar y fermentar los azúcares complejos que componen estas materias primas, por ejemplo: la lignocelulosa. Los avances en la biotecnología y la ingeniería genética han permitido superar este obstáculo gracias a que conocemos ciertos organismos capaces de degradar cada uno de estos azúcares. Lo único que debemos hacer es caracterizar la enzima empleada para ese trabajo y el gen que la codifica. Luego sólo queda sintetizarlo e  insertarlo en un microorganismo que sea más fácil de manejar. Se ve un trabajo sencillo pero no lo es. Insertar una nueva reacción bioquímica a un organismo tiene sus pros y sus contras. Por un lado solucionamos el problema de degradar y fermentar la materia prima; mientras que por el otro podemos afectar reacciones propias del organismo, reduciendo así su eficiencia y rendimiento (cantidad de etanol producido por gramo de biomasa). Una de estas materias primas abundantes pero difíciles de degradar son las algas marrones, las cuales son cultivadas industrialmente con rendimientos que alcanzan las 60 toneladas métricas por hectárea por año. No requieren de mano de obra para su mantenimiento, tampoco el uso de fertilizantes y el principal uso que se le da en la actualidad es como ingrediente en la producción de alimento para animales, fertilizantes y biopolímeros. Lamentablemente los azúcares que componen esta alga —glucanos, manitol y alginato— complican su fermentación. Se han identificado enzimas que degradan los glucanos y el manitol, es más, se han desarrollado bacterias capaces de producir etanol a partir de ellos, pero los rendimientos no son muy altos debido a que se requieren de ambientes con pequeñas cantidades de oxígeno (microaeróbicos) para neutralizar el exceso de agentes reductores generados por la fermentación del manitol. Otro inconveniente es que no hay microorganismos industriales que degraden el alginato. Por suerte, en los últimos años se han identificado bacterias capaces de hacerlo. Estos cuentan con tres enzimas principales: i) la alginato liasa (Aly), que es la encargada de romper los polímeros del alginato y convertirlos en cadenas más pequeñas (de 2, 3 o 4 azúcares); ii) la oligoalginato liasa (Oal), que rompe estas pequeñas cadenas en sus azúcares individuales; y iii) una enzima que transforma estos azúcares en otros más fáciles de fermentar. Un grupo de investigadores de Bio Architecture Lab, liderados por Adam Wargacki desarrollaron una E. coli capaz de degradar y fermentar el alginato mediante la introducción de los genes requeridos para este trabajo. Según el artículo publicado el 20 de Enero en Science, la bacteria fue capaz de producir etanol con un rendimiento que alcanzó el 80% del máximo teórico predicho, abriendo el camino para la producción de bioetanol de forma más barata y sostenible. Lo primero que hicieron fue buscar una enzima capaz de romper los polímeros de alginato (Aly) y la hallaron en una bacteria conocida como Pseudoalteromonas sp. Luego buscaron la forma de secretar la enzima para que su función la realice fuera de la bacteria. Para esto fusionaron la enzima con una proteína de membrana externa de E. coli llamada antígeno 43 (Ag43). Esta proteína tiene una actividad proteasa propia, así que se aprovechó de ella para cortar la enzima Aly fusionada y liberarla al medio externo una vez que alcance la membrana extracelular. Ahora se debía buscar la forma de meter éstas pequeñas cadenas de alginato al espacio que separa la membrana extracelular de la pared celular (periplasma). Se encontraron unos transportadores de alginato en una bacteria poco conocida llamada Sphingomonas sp. Sin embargo, fue muy difícil expresar el sistema de transporte en E. coli. Fue así que los investigadores buscaron una forma alternativa de hacerlo y la encontraron en una bacteria más relacionada llamada Erwinia chrysanthemi. E. chrysanthemi tiene un sistema de transporte muy simple y usaron esta información para buscar una bacteria que degrade el alginato y que a su vez incluya éste transportador. En la base de datos del NCBI encontraron una bacteria llamada Vibrio splendidus que tenía un fragmento de ADN de casi 30,000 pares de base, el cual incluía los genes que codificaban para los transportadores, las enzimas que degradan los oligoalginatos (Oal) y las que transforman estos azúcares en unos más sencillos. Wargacki y sus colegas clonaron esta secuencia y la introdujeron en la E. coli. Como resultado obtuvieron una bacteria que degrada las algas marrones (el alginato, manitol y glucanos) sin necesidad de someterlas a un tratamiento previo de sacarificación (romper los azúcares complejos en unos más simples mediante procesos químicos, térmicos o mecánicos). La E. coli, que de por sí puede degradar el manitol y los glucanos, ahora también degradaba el alginato. La nueva bacteria fue probada en un medio con estos tres azucares en proporciones 5:8:1 (A:M:G) —la misma encontrada en las algas marrones— para determinar los parámetros óptimos de trabajo. Finalmente la probaron en cultivos de Saccharina japonica (una especie de alga marrón) y determinaron que su rendimiento de producción alcanzó el 80% del estimado teórico. Sin dudas un trabajo que genera muy buenas expectativas para el futuro de la biología sintética y la producción de biocombustibles de manera rentable y eficiente. No obstante, como todo organismo vivo, las rutas metabólicas están integradas (el producto de una reacción sirve de sustrato para otra reacción), lo que podría traer consigo algunos efectos no deseados para la bacteria o en el producto final, por ejemplo, la contaminación con acetato, lactato y otros productos secundarios de la fermentación microbiana. Si bien los investigadores cuantificaron los niveles de estas sustancias obteniendo valores casi indetectables, el proceso de escalamiento (llevarlo a volúmenes industriales) es el último obstáculo por superar, y muchas veces el más difícil, donde muchos proyectos biotecnológicos tienden a fallar. Esperemos que éste no sea el caso. Referencia: ... Read more »

Wargacki, A., Leonard, E., Win, M., Regitsky, D., Santos, C., Kim, P., Cooper, S., Raisner, R., Herman, A., Sivitz, A.... (2012) An Engineered Microbial Platform for Direct Biofuel Production from Brown Macroalgae. Science, 335(6066), 308-313. DOI: 10.1126/science.1214547  

  • November 7, 2011
  • 06:03 AM
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El zinc y su poder antimicrobiano

by David Castro in BioUnalm



Los metales de transición forman parte de al menos el 30% de nuestras proteínas. Su principal función es dar estabilidad a la estructura proteica y coordinar las reacciones químicas que se llevan a cabo en el sitio activo de las enzimas, sobre todo en aquellas funciones donde se requiera oxidar o reducir algún compuesto. De todas ellas, el zinc es la segunda más abundante, formando parte del 10% de las proteínas humanas. Cuando ocurre algún tipo de inflamación o infección bacteriana, las células adyacentes a la zona afectada mueren y liberan el zinc presente en sus proteínas. Si bien el zinc también es un elemento esencial para las bacterias, cuando las concentraciones son elevadas les resulta sumamente tóxico. Esto quiere decir que el zinc forma parte importante de nuestra respuesta inmune. Sin embargo, aún se desconoce el del zinc sobre las bacterias. En un estudio publicado en PLoS Pathogens, un grupo de investigadores australianos liderados por Christopher McDevitt y James Paton de la Universidad de Adelaida han estudiado el efecto del zinc sobre la bacteria Streptococcus pneumoniae, demostrando que este metal bloquea el ingreso del manganeso, un factor importante en la virulencia y la resistencia al estrés oxidativo de la bacteria. S. pneumoniae (neumococo) es el agente infeccioso responsable de ciertas enfermedades respiratorias agudas, como la neumonía, que causan la muerte de miles de niños en el mundo, principalmente en los países en vías de desarrollo donde su patogenicidad está asociada a la deficiencia del Zn en sus dietas. El manganeso (Mn) es un elemento importante para las bacterias ya que regula la expresión de muchos genes asociados a la virulencia, proliferación y respuesta al estrés oxidativo causado por los radicales libres generados por los neutrófilos. El Mn ingresa a la bacteria mediante una proteína transportadora llamada Mn(II) ABC-permeasa, pero no lo hace directamente, antes debe ser capturada del entorno por medio de una proteína que interactúe con la permeasa. Esta proteína se llama PsaA (Antígeno de superficie de neumococo A). Estudios previos han demostrado que los neumococos que carecen de la proteína PsaA, ven reducida drásticamente su capacidad proliferativa y su virulencia; además, se vuelven mucho más sensibles a los radicales libres. Esto demuestra que el Mn interactúa directamente con PsaA antes de ingresar a la bacteria por medio de la permeasa. El Zn, al igual que el Mn, se presenta en un estado divalente (Zn2+). McDevitt y sus colaboradores observaron que el Zn(II) también puede interactuar con PsaA, de la misma forma como lo hace el Mn(II), aunque con una afinidad por la proteína es 100 veces menor. Sin embargo, PsaA-Zn es mucho más estable al calor que PsaA-Mn. Los investigadores creen que el Zn, cuando se presenta a elevadas concentraciones, compite con el Mn por el sitio activo de PsaA, evitando que ingrese a la bacteria a cumplir con su función. Para corroborar esta hipótesis, McDevitt et al. hicieron un experimento sencillo. Cultivaron a la bacteria en medios con diferentes proporciones de Zn y Mn (1:1; 10:1; 50:1; 100:1; 250:1 y 1000:1). Cuando la proporción de Zn con respecto al Mn era superior 100:1, la bacteria empezaba a disminuir su velocidad de proliferación y era mucho más sensible al Paraquat (una sustancia que genera radicales libres) y a la acción de los neutrófilos —un efecto similar al observado en las bacterias mutantes que carecen de la proteína PsaA. Al analizar las concentraciones internas de Zn y Mn en las bacterias que crecieron en el medio con la proporción 100:1 (Zn:Mn), los científicos observaron que la concentración de Mn era 5 veces menor a lo esperado, mientras que el Zn se mantenía constante con respecto al grupo control. Esto indicaba que el Zn, al unirse a PsaA, bloqueaba el ingreso del Mn a la bacteria al no poder unirse a su proteína transportadora. Entonces, la toxicidad del Zn se da a nivel extracelular —no necesita entrar a la bacteria para perjudicarla. Como era de esperarse, la presencia del Zn en altas concentraciones hacía que los niveles de expresión de los genes involucrados con la proliferación bacteriana, el gen que codifica la proteína PsaA y los genes que se activan en respuesta al estrés oxidativo, sean reprimidos caso por completo. He aquí su modo de acción. Pero, ¿cuál es la proporción de Zn y Mn en los tejidos infectados?. McDevitt y sus colegas determinaron las concentraciones de Zn y Mn en ratones infectados con neumococos. La proporción en los tejidos recién infectados fue de sólo 60:1 (Zn:Mn), muy por debajo de la proporción necesaria para causar daño alguno a la bacteria. Sin embargo, a las 2 horas, las proporciones en el suero de la sangre y en la mucosidad del tracto nasofaríngeo subió a 900:1 y 330:1, respectivamente. Estas proporciones son más que suficientes para controlar las infecciones causadas por neumococos y es muy probable que en humanos la respuesta sea similar. Este estudio nos da una excelente explicación a nivel fisiológico y molecular de la toxicidad del Zn sobre el neumococo. Además, nos da la base científica para justificar el enriquecimiento de los alimentos con Zn, ya que hay cerca de 2,000 millones de personas en el mundo que presentan una dieta deficiente de este metal. Referencia: McDevitt, C., Ogunniyi, A., Valkov, E., Lawrence, M., Kobe, B., McEwan, A., & Paton, J. (2011). A Molecular Mechanism for Bacterial Susceptibility to Zinc PLoS Pathogens, 7 (11) DOI: 10.1371/journal.ppat.1002357 BioUnalm



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McDevitt, C., Ogunniyi, A., Valkov, E., Lawrence, M., Kobe, B., McEwan, A., & Paton, J. (2011) A Molecular Mechanism for Bacterial Susceptibility to Zinc. PLoS Pathogens, 7(11). DOI: 10.1371/journal.ppat.1002357  

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

by David Castro in BioUnalm

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

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

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

by David Castro in BioUnalm

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

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

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

by David Castro in BioUnalm

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

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

by David Castro in BioUnalm

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

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

  • 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  

  • December 16, 2010
  • 12:43 AM
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El peso atómico de 10 elementos serán cambiados

by David Castro in BioUnalm

Todos hemos crecido con una tabla periódica de los elementos químicos en la mano. En el colegio lo usábamos para resolver algunos problemas de estequiometria y en la universidad para poder preparar algunas soluciones. En los trabajos rutinarios de laboratorio, el peso atómico de un elemento es muy importante para poder calcular el peso de una molécula y así poder pesar la cantidad adecuada de un reactivo para preparar una solución con una determinada concentración. Ejemplo: Si me mandan a preparar 100ml de una solución 1 molar de glucosa (C6H12O6). Primero iré a mi tabla periódica y veré el peso atómico del carbono (12.011), luego del hidrógeno (1.0079) y finalmente del oxígeno (15.999). Entonces la molécula de glucosa pesará: (6 x 12.011) + (12 x 1.0079) + (6 x 15.999) = 180.1548. Entonces, tendré que pesar 18.01548gr de glucosa para disolverlo en la cantidad suficiente de agua para obtener 100ml. Claro que la mayoría no se complicará y pesará directamente 18gr. Sin embargo, si queremos hacer estudios metabólicos o ensayos químicos sumamente precisos, debemos cumplir con la mayor cantidad de decimales posibles para reducir el margen de error. Qué pasaría ahora si les digo que la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) – por primera vez en su historia – cambiará el pesó atómico de 10 elementos químicos, entre ellos el carbono, hidrógeno y oxígeno. Para algunos la mayoría, esto pasará inadvertido, pero para muchos científicos, principalmente los químicos analíticos y nanotecnólogos, esto será un gran acontecimiento, ya que a nivel de nanomoles, nanogramos o nanolitros, el cambio será sumamente significativo. Los pesos atómicos son el resultado de la ponderación de las masas atómicas de todos los isótopos estables de un elemento que pueden ser encontrados de manera natural. Por ejemplo, el carbono tiene dos isótopos estables: el 12C que tiene 6 protones y 6 neutrones (el que todos conocemos), y el 13C, que tiene 6 protones y 7 neutrones. Las abundancias de estos isótopos son del 98.89% y 1.11%, respectivamente. Como los protones y neutrones tienen prácticamente la misma masa, y la masa atómica de un elemento cualquiera esta en función de la masa atómica del 12C que es – por definición – 12 umas, cada protón y neutrón pesará 1 uma. Entonces, el peso atómico del carbono será (0.9889 x 12) + (0.0111 x 13) = 12.0111, justo el valor que aparece en la Tabla Periódica. Sin embargo, el carbono tiene además un isótopo radiactivo natural, el 14C con 6 protones y 8 neutrones, el cual se encuentra en cantidades sumamente pequeñas llamadas “trazas”, y que después de un poco más de 5700 años se convierte en nitrógeno. Este isótopo no es contado para calcular el peso atómico del átomo de carbono porque no cumple con una de las premisas usadas por la IUPAC para calcular los pesos atómicos: si el isótopo natural es radiactivo, debe ser estable por lo menos 1010 años. Si miran con detenimiento la Tabla Periódica, muchos elementos no tienen pesos atómicos exactos y los ponen dentro de paréntesis, por ejemplo, el Ástato, el Radón, el Radio y casi todos los actínidos como el Plutonio, Neptunio, entre otros. Esto se debe a que son elementos naturalmente radiactivos, se convierten en otro elemento completamente diferente después de un determinado tiempo y no se mantienen estables por 1010 años.   Por otro lado, la determinación del peso atómico de aquellos elementos que tienen sólo un isótopo estable (100% de abundancia), tales como el Flúor, Aluminio o el Oro, serán mucho más fáciles de determinar. Además, estos pesos atómicos son considerados como constantes de la naturaleza y sus valores son conocidos con una precisión sumamente alta, con incertidumbres de sólo 1 parte en 38 millones (como es el caso del flúor), a diferencia de aquellos elementos que tiene más de un isótopo natural estable, cuyas incertidumbres son más grandes. Es por esta razón que hemos usado – por más de 150 años – pesos atómicos con un valor único  estándar, tal como aparece en los libros y las tablas periódicas de los elementos. Sin embargo, la Comisión de Abundancias Isotópicas y Pesos Atómicos de la IUPAC ha publicado una nueva Tabla Periódica donde los átomos del hidrógeno, litio, boro, carbono, nitrógeno, oxígeno, silicio, azufre, cloro y talio, presentarán sus pesos atómicos como intervalos. De esta manera, podrás usar como peso atómico del hidrógeno cualquier valor que esté dentro del intervalo [1.00784; 1.00811], pero este valor dependerá de donde hayas encontrado dicho elemento. Para eso habrá una tabla como la siguiente, de la cual se obtendrán los pesos atómicos exactos: Estos datos han sido obtenidos gracias a las modernas técnicas analíticas (espectrometría de masas o activación neutrónica) que pueden calcular el peso de los elementos de manera muy precisa, ya que los estudian de manera individual… átomo por átomo.  Entonces, las posibles ilustraciones que mostrará la IUPAC para su nueva Tabla Periódica de los Elementos Químicos será… Figura: a muestra al cloro con dos isótopos naturales estables, cuyo peso atómico no es una constante de la naturaleza y será presentado como un intervalo. b muestra al mercurio con siete isótopos naturales estables, cuyo peso atómico no es una constante de la naturaleza pero su valor se muestra de manera estándar. c muestra al arsénico que sólo tiene un isótopo natural estable por lo tanto su peso atómico será una constante de la naturaleza. d  muestra al americio el cual es un elemento naturalmente radiactivo y no posee un isótopo estable por 1010 años, por lo tanto no tiene un peso atómico estándar. Usando estos nuevos valores de pesos atómicos y las técnicas analíticas modernas tendremos la capacidad de identificar de donde procede un determinado alimento o la pureza química de algún insumo, todo esto en base a sus abundancias isotópicas. También podrá ser usado en la medicina forense para determinar si una persona fue envenenada, o el lugar donde estuvo en sus últimos días  de vida. En el deporte, podrá ser usado para determinar los casos de dopaje ya que el peso atómico del carbono encontrado en la testosterona humana es mayor al de la testosterona de origen farmacéutico. Todos estos avances se dan en conmemoración al Año Internacional de la Química del 2011. Referencias: ... Read more »

Coplen, TB, & Holden, NE. (2011) Atomic Weights—No Longer Constants of Nature. Chemistry International, 33(2). info:/

  • June 6, 2010
  • 09:54 PM
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La falta de oxígeno ayuda a la célula a sobrevivir

by David Castro in BioUnalm

Cuando el ADN es dañado debido a ciertas sustancias químicas o radiaciones ionizantes, la célula tiene la capacidad de suicidarse para no perjudicar todo el organismo. A este mecanismo se le llama apoptosis. Aunque, otra opción que la célula podría tomar es tratar de reparar el daño o adaptarse a las nuevas condiciones del medio, pero se correría el riesgo de que el daño permanezca y lo transfiera a sus descendientes provocando un cáncer. Como diría Rikarena: “cuando el ADN se daña es mejor cambiarlo en vez de repararlo…” Las neuronas integran e inician las señales de respuesta a diferentes tipos de estrés. Pero, son capaces de controlar la inducción de la apoptosis en tejidos distantes? Sendoel et al. hicieron un importante descubrimiento: las neuronas sensoriales responden a bajos niveles de oxígeno (hipoxia) mediante la producción de señales que protegen a las células —de cualquier parte del animal— de la apoptosis; y más interesante aún es que estas señales son similares a las moléculas que protegen de la muerte a las células cancerígenas humanas cuando son sometidas a la quimioterapia. Recordemos que el oxígeno es muy importante para oxidar los azúcares y convertirlos en energía, la cual es requerida para el funcionamiento de todos los procesos celulares, desde la replicación del ADN hasta la síntesis de proteínas y la construcción de nuevas células. Cuando hay poco oxígeno (hipoxia), las células deben adaptarse para minimizar el daño celular, para esto producen una proteína que activa todos los genes relacionados con la protección celular en condiciones de hipoxia, esta proteína se llama HIF (Factor Inducible por Hipoxia), el cual es un factor de transcripción. Muchos dirán: “Oh, que bueno que tenemos a las HIF para salvar a nuestras pobres células cuando falta oxígeno…” pero NO!, la HIF tiene su lado malévolo. Las células que están en la parte más interna de los tumores están sometidos a ambientes hipóxicos, (el oxigeno no puede difundir por toda la capa de células que hay en un tumor), así que expresarán las HIF, las cuales las protegerán de la muerte, de esta manera el tumor seguirá creciendo y creciendo. Pero, como hace HIF para proteger a las células de la apoptosis? Para responder a esta interrogante usaron al nematodo Caenorhabditis elegans. Cuando eran sometidas a radiaciones ionizantes, algunas de sus células germinales (células que forman los óvulos y el esperma) morían. La CEP-1 era la proteína que gobernaba este comportamiento. La CEP-1 esta relacionada evolutivamente con la proteína p53 de los mamíferos, la cual es muy conocida por su papel en la apoptosis como respuesta al daño en el ADN. Los investigadores observaron que las células que expresaban altos niveles de HIF tenían la CEP-1 inhibida. Estos resultados eran consistentes con estudios realizados anteriormente; sin embargo, un resultado sorprendente fue que la HIF-1 promueve la supervivencia de las células germinales expuestas a radiaciones ionizantes, pero su función (de la HIF-1) la hace en las neuronas sensoriales ASJ ubicadas en la cabeza, muy lejos de las gónadas. ¿Cómo? ¿Las HIF se producen en un lugar diferente a donde hacen su función? ¿Que tipo de señal producen que pueda viajar hasta las gónadas, y como hacen para proteger las células germinales de la muerte? Fig. Señales remotas que regulan la muerte celular a la distancia. TYR-2 viaja hasta las células germinales a través del pseudoceloma. Según Soedel et al. encontraron evidencias que la enzima TYR-2 —o un pequeño metabolito generado por TYR-2 o una proteína relacionada— es la que tiene que ver con este control de la muerte celular a la distancia (de la cabeza a las gónadas). HIF-1 promueve la expresión de TYR-2 en las neuronas sensoriales ASJ, pero no basta con eso para proteger de la muerte celular. Los investigadores determinaron que las neuronas sensoriales ASJ deben estar funcionales y con la capacidad de secretar TYR-2, ya que mutantes que afectaban el funcionamiento de las neuronas sensoriales ASJ no respondían ante el daño producto de la radiación ionizante y no podían controlar la apoptosis. Además, los investigadores encontraron que bastaba con la expresión de TYR-2 en las células germinales para poder inhibir la apoptosis en respuesta al daño por la radiación, o sea, si lograban expresar TYR-2 en las células germinales ya no era necesaria la activación de HIF-1 ni la secreción de TYR-2 de las neuronas sensoriales ASJ. [Todo resumido en la Figura de arriba]. Esta investigación da algunas claves de por qué ciertas células cancerosas son resistentes a los tratamientos basados en la quimioterapia. Los humanos tenemos un análogo a la TYR-2 llamada TRP2 (Proteína relacionada a la Tirosina 2 Humana) la cual cataliza la producción de la melanina (pigmento producido por las células llamadas melanocitos ubicadas principalmente en la piel). Ya se había demostrado anteriormente que había una relación directa entre la expresión de la TRP2 y la resistencia de los melanomas a la radioterapia y ha ciertas sustancias anticancerígenas. Por otro lado, tratamientos que reducen la expresión de TRP2 en melanomas hace que estas células cancerígenas se vuelvan más sensibles a drogas quimioterapéuticas como la cisplatina. A pesar de todo, este estudio ha dejado nuevas preguntas sin responder: ¿Como hace la TRP2 y la TYR-2 para inhibir la apoptosis? ¿Limitarán el daño causado por la radiación o los agentes quimioterapéuticos, o inhibirán la CEP-1/p53? ¿Cómo interactúan la HIF-1 y la CEP-1/p53? Ya se había demostrado que la sobre-expresión de HIF-1 retardaba el envejecimiento en C. elegans. También se encontró que la ausencia del gen hif-1 promovía la expresión de CEP-1 y las células germinales hacían apoptosis a pesar de no haber sido sometidas a radiación. Para concluir, existen muchos mecanismos que aún no son bien conocidos, pero si llegamos a entenderlos podríamos diseñar nuevos tratamientos para una gran variedad de tipos de cáncer. Referencia: Sendoel, A., Kohler, I., Fellmann, C., Lowe, S., & Hengartner, M. (2010). HIF-1 antagonizes p53-mediated apoptosis through a secreted neuronal tyrosinase Nature, 465 (7298), 577-583 DOI: 10.1038/nature09141 BioUnalm

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  • February 8, 2012
  • 07:55 PM
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¿Los Polinesios y Amerindios se mezclaron antes de la colonización de América?

by David Castro in BioUnalm



Reciente estudio basado en el análisis de antígenos leucocitarios humanos sugiere que sí. En medio del Océano Pacífico, a más de 3,500Km de las costas chilenas y 4,200Km de Tahití, se encuentra uno de los lugares más remotos y enigmáticos del planeta, la Isla de Pascua. Sus habitantes, unos 5,000 en promedio, descienden de la cultura ancestral Rapa Nui cuyo origen sigue siendo un misterio. La hipótesis más aceptada sugiere que los Rapa Nui son descendientes de los Polinesios, quienes colonizaron por primera vez la isla hace más de 800 años; mientras que otros sugieren que este episodio se dio mucho antes de los pensado. Incluso hay algunos investigadores que piensan que fueron los Amerindios los primeros habitantes de la isla, aunque esta idea es la menos aceptada porque las evidencias genéticas son inconsistentes con ella. Sin embargo, se han encontrado pruebas muy sólidas de un contacto ancestral entre estas dos poblaciones. En 1974, el etnobotánico Douglas Yen, actualmente profesor emérito de la Universidad Nacional de Australia, publicó un ensayo titulado “The Sweet Potato and Oceania”, el cual resumía los 20 años de investigación que hizo sobre la presencia del camote en ese continente. En la monografía concluía que la introducción del camote en Oceanía se dio en tres ocasiones, siendo la primera hace más de 1,000 años desde Sudamérica a través de la Isla de Pascua. Esta es una prueba muy sólida de un contacto temprano entre estos dos mundos, mucho antes de la llegada de Cristóbal Colón a América en 1492. Cabe resaltar que el centro de origen del camote (Ipomoea batatas) es el Perú hace más de 10,000 años. También se encontraron evidencias arqueológicas de la presencia de la calabaza de botella o poroto (Lagenaria siceraria) en el este de la Polinesia, las cuales datan de hace 1,000 años. En el 2005, investigadores neozelandeses hicieron un estudio genético de esta planta encontrando marcadores tanto de origen asiático como americano en las muestras obtenidas de la Polinesia. Eso no es todo, en el 2007 un grupo de investigadores neozelandeses, australianos y chilenos hallaron restos de pollos (Gallus gallus) en un centro arqueológico precolombino ubicado en la Península de Arauco (Chile). Usando la datación por radiocarbono y el análisis genético del ADN ancestral obtenido de los huesos encontrados, los investigadores determinaron que son de origen Polinesio, incuestionablemente, lo que sugiere que fueron ellos los primeros navegantes en llegar al continente americano. Ahora, un nuevo estudio publicado el 6 de Febrero en Philosophical Transactions of the Royal Society B por el inmunólogo Erik Thorsby de la Universidad de Oslo, respalda la hipótesis de un contacto ancestral entre los habitantes de la Isla de Pascua con los nativos americanos. Para su análisis, Thorsby colectó muestras de sangre de pobladores de la Isla de Pascua. Esto lo hizo en 1971 y en el 2008 con el fin de analizar marcadores específicos en el ADN nuclear (el antígeno leucocitario humano), el ADN mitocondrial y el cromosoma Y. Como era de esperarse, la mayoría de los marcadores analizados eran de origen Polinesio, incluso hubo algunos de origen europeo. Sin embargo, cuando analizó los antígenos leucocitarios se dio con la sorpresa que unos pocos individuos portaban alelos que previamente habían sido encontrados sólo en Amerindios. Pero esto no queda ahí. Al estimar el tiempo en que estos alelos fueron introducidos en los pobladores de la Isla de Pascua, Thorsby calculó que fue algunos siglos antes de que fueran deportados al Perú durante el tráfico de esclavos de los años 1860’s. “Los resultados sugieren que los Polinesios visitaron América del Sur entre los años 1400 y 1500, llevándose a algunos Amerindios de vuelta a la Isla de Pascua”, comenta Thorsby. Sin embargo es consciente que esta conclusión es todavía algo especulativa. Estos resultados en vez de esclarecer si hubo o no contacto entre los Polinesios y Amerindios antes de la colonización europea de América, generan mucho más controversia. Las evidencias arqueológicas son muy escasas, la desaparición de la cultura Rapa Nui sigue siendo un completo misterio, y la falta de restos óseos de donde se pueda extraer ADN ancestral con el cual elaborar un buen reloj molecular no ha permitido corroborar estos resultados. Referencias: Thorsby, E. (2012). The Polynesian gene pool: an early contribution by Amerindians to Easter Island Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 367 (1590), 812-819 DOI: 10.1098/rstb.2011.0319 Thorsby, E., Flåm, S., Woldseth, B., Dupuy, B., Sanchez-Mazas, A., & Fernandez-Vina, M. (2009). Further evidence of an Amerindian contribution to the Polynesian gene pool on Easter Island Tissue Antigens, 73 (6), 582-585 DOI: ... Read more »

Thorsby, E. (2012) The Polynesian gene pool: an early contribution by Amerindians to Easter Island. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 367(1590), 812-819. DOI: 10.1098/rstb.2011.0319  

Thorsby, E., Flåm, S., Woldseth, B., Dupuy, B., Sanchez-Mazas, A., & Fernandez-Vina, M. (2009) Further evidence of an Amerindian contribution to the Polynesian gene pool on Easter Island. Tissue Antigens, 73(6), 582-585. DOI: 10.1111/j.1399-0039.2009.01233.x  

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

by David Castro in BioUnalm



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

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

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