jueves, 26 de mayo de 2016

¡Qué exista la luz! y las bacterias crearon la luz

Entrada dedicada a Manuel Vicente, amigo, productor y locutor del programa de radio Efervesciencia

Después de 15000 años los humanos volvemos a aprender a domesticar

La domesticación de la mayoría de los animales y plantas ocurrieron hace 15000 años después de la última glaciación. Los hielos se retiraron y los humanos comenzaron a ocupar las planicies de lo que es la franja templada del planeta Tierra. Hace aproximadamente 150 años los humanos descubrimos el mundo de las bacterias, las estudiamos, lo mismo que hacían nuestros antepasado observando a las manadas de bisontes, poco a poco aprendimos y comprendimos su comportamiento. En los laboratorios, ya no en las estepas, vimos que las bacterias tenían sexo, creaban sociedades, exhibían comportamientos egoístas y comportamientos generosos, y lo mismo que los hombres primitivos que cuando consiguieron domesticar a los bisontes empezaron a utilizar su leche y de ahí a producir mantequilla, queso, yogur... nosotros estamos empezando a utilizar aquellas habilidades y cosas que las bacterias nos pueden proporcionar. Utilizamos bacterias para descontaminar los vertidos de petroleo, para producir metano para nuestros coches y ahora estamos cerca de que las bacterias iluminen nuestras ciudades.
Las bacterias han desarrollado la propiedad de producir luz. En la fotografía colonias de bacterias fluorescentes. Fuente
Génesis 1:3-5 - El Primer Día

Y dijo Dios: «¡Que exista la luz!» Y la luz llegó a existir. Dios consideró que la luz era buena y la separó de las tinieblas. A la luz la llamó «día», y a las tinieblas, «noche». Y vino la noche, y llegó la mañana: ése fue el primer día.

La producción de bioluminiscencia en los animales es un proceso químico complejo en el que la oxidación de un sustrato por una enzima produce luz. Cuando encendemos una vela lo que hacemos es con la llama acelerar la oxidación de la parafina, de la cera. Esa oxidación libera energía que hace resonar moléculas que van a transformar la energía en una onda luminosa ¡Y se hizo la luz!. Las bacterias hacen lo mismo, oxidan ciertas moléculas y de esa oxidación hay una liberación de energía que se transforma en luz.

La radiación bioluminiscente se compone habitualmente de entre un 69% y un 90% de luz fría y entre un 10% y un 20% de emisión de calor, aunque hay ciertos estudios que hacen estimaciones cercanas al 100% de luz fría. ¿Qué quiere decir esto? Las bacterias transforman energía en luz, si la mayor parte de la transformación de la energía se va a luz y no a calor es que es una transformación muy eficiente. Comparemos las antiguas bombillas incandescentes que producían calor y consumían muuucha más electricidad que los led actuales, que casi no producen calor y por tanto son más eficientes energéticamente.
A la izquierda una lámpara led y a la derecha una bombilla incandescente. Debajo de ambas un conejo de chocolate. Que las bombillas incandescentes no son tan eficientes porque disipan calor ha quedado claro ¿No?. Fuente.
No hay que confundir bioluminiscencia con fluorescencia. En la bioluminiscencia la fuente de energía son las reacciones químicas, en la fluorescencia la energía se obtiene de una fuente de luz previa, que posteriormente es re-emitida como otro fotón.

Y ahora que se ha hecho la luz ¡A jugar!

Hasta hace poco, la única manera de mejora que teníamos los humanos era la selección genética. Por ejemplo, cuando hace 15000 años domesticamos al perro vimos que por selección podíamos alterar la raza ¿Cómo? pues bien, si queríamos perros grandes, más grandes que el lobo, lo que había que hacer con cada camada era quedarnos con el perro más grande y matar a los otros. De esa manera, con el pasar del tiempo llegamos a tener mastines. Lo mismo con el chiguagua, un perro mejicano muy útil para comerse las sobras, por lo tanto era necesario que en cada camada se respetase la vida del perrito más pequeño y se matase al resto. Con el tiempo obtuvimos ese perro escuchimizado. 

Pero ahora no. Los humanos ya podemos reprogramar el código genético. De esta manera podemos reescribir el código genético lo mismo que un programador informático mejora el código fuente de los ordenadores. ¿Habéis notado como el teléfono móvil (celular) cada vez tiene unos gráficos más sofisticados y más modernos? eso se debe a que los programadores año tras año van mejorando el código del teléfono, mejoran, cambian, reescriben y el resultado son los teléfonos inteligentes.
Positivado de una fotografía con un cultivo en placa de bacterias fluorescentes realizado en un concurso de biología sintética en 2004. El mensaje "Hello world" no es casual. Cuando se comienza en programación el primer programa que se desarrolla es que la pantalla nos muestre la frase "Hello world". El mensaje nos dice que estamos acabando con el dogma de la biología molecular que nos decía que la información iba del ADN a las proteínas. En estos momentos estamos empezando a "programar" el ADN sin esperar que sea la selección natural la que haga la programación por nosotros. Fuente
Los seres vivos a diferencia de los computadores tenemos una gran ventaja: nuestro código genético es universal. Cada cierto tiempo los lenguajes de programación cambian, un sistema operativo de una máquina no sirve para otra. El código y el lenguaje genético hace que un gen humano pueda leerse en bacterias, un gen de bacterias se puede leer en un árbol. Perdón ¿Qué he dicho? que un gen de bacterias puede pasarse a un árbol... déjame pensar... si el gen de bacterias que produce luz se lo metemos a un árbol ¿Podrá el árbol producir luz? Por supuesto.
El primer diseño de una planta bioluminiscente se realizó en 1986, mediante un experimento que consistía en expresar un gen de la luciérnaga en una planta de tabaco, sin embargo, esta planta tenía que ser alimentada con un producto para permitir que brillara, pero por sí misma no emitía luminosidad..
Ya tenemos hongos bioluminiscentes. De hecho, en el Ecuador, en Mindo se pueden encontrar este tipo de hongos. En los laboratorios ya hace tiempo que existen plantas modificadas genéticamente que producen luz. Pero ¿podríamos tener árboles como los que hay en nuestras calles que produzcan luz?

Y del laboratorio a las oportunidades de negocio

Impulsados por esta iniciativa el equipo estadounidense Glowing Plant, busca reemplazar a medio o largo plazo la iluminación obtenida a partir del consumo eléctrico, por un sistema mucho más eficiente que estaría basado en la biología sintética, la ingeniería genética y la biotecnología. El plan consiste en tomar un gen de la bacteria capaz de luminiscencia denominada Vibrio fischeri, e integrarlo en una planta, más concretamente en la Arabidopsis thaliana. Este proyecto ha sido financiado con una campaña de crowfunding en Kickstart, que logró el apoyo de más de 4.500 personas, que aportaron 265.000$ Todo un logro teniendo en cuenta que para el objetivo original se pedían solo 65.0004. Ha habido mucha polémica al respecto sobre si se debería permitir este tipo de campañas para liberar al medioambiente organismos modificados sin ningún tipo de control
El proyecto Bioglow del diseñador holandés Daans Roosegaarde quiere iluminar calles con árboles bioluminiscentes. A favor: es una tecnología bonita y eficiente, prácticamente no disipa calor. Contra: todavía es una tecnología muy nueva que tendrá que ir mejorando en el futuro. Fuente 
Otro grupo de estudiantes de la Universidad de Wisconsin, están desarrollando Biobulb una lámpara basada en un cultivo de la bacteria Escherichia coli con genes de bioluminiscencia. Estos estudiantes afirman que el Biobulb brillará lo suficiente como para ser una lámpara nocturna o de lectura en ambientes oscuros.

¿Existe algún peligro?

Los ecologistas están poniendo el grito en el cielo y nos advierten de los peligros de liberar al medioambiente bacterias reprogramadas genéticamente... Volvamos la vista a nuestros antepasados, hace 15000 años. Cuando la humanidad domesticó los bisontes y uros salvajes para obtener a nuestra vaca ese hecho tuvo también consecuencias dramáticas para nuestra especie. El virus de la viruela, si, ese mismo virus que diezmó a las poblaciones aborígenes americanas cuando los europeos llegaron a este continente, provienen de la vaca. Lo mismo la bacteria Mycobacterium tuberculosis, que causa 1.4 millones de muertes anuales en todo el mundo, también proviene de una bacteria de vacas, la Mycobacterium bovis. Cuando los humanos comenzaron a vivir en el mismo lugar que las vacas, empezó una historia en donde humanos y vacas empezaron a intercambiarse virus y bacterias. Cuando los antepasados de las vacas corrían por las estepas ese tipo de intercambio era menos probable porque había una menor densidad de población y además había una distancia entre humanos y vacas que impedía la transmisión de estos agentes infecciosos. Por lo tanto, aunque nos aseguren que liberar este tipo de organismos no va a tener un impacto en el medioambiente tampoco nos debemos relajar y permitir que se hagan estos experimentos sin ningún tipo de control. Pero, a pesar de la viruela y la tuberculosis ¿A qué está bien rico el queso?. Domesticar vacas nos trajo esas enfermedades infecciosas pero también el queso de tetilla, el manchego y miles de deliciosas variedades más.

No se pueden poner puertas al mar

Con la domesticación de las bacterias las personas creativas y los científicos están dejando volar su imaginación. Hace poco leímos sobre hackers que se están haciendo tatuajes con led que se iluminan ¿Serán los tatuajes con bacterias bioluminiscentes la próxima moda?. 
En EEUU se realizan concursos de biología sintética. En estos concursos los estudiantes juegan con estas tecnologías. En uno de estos concursos los estudiantes de un instituto de secundaria de Texas, en 2005, crearon una fotografía que en vez de papel fotográfico utilizaban bacterias fluorescentes

Un grupo de la Universidad Tufts en los EEUU ha desarrollado unas bacterias fluorescentes con las que codificar mensajes. Este trabajo se basa en tener siete tipos de Escherichia coli cada uno de estos tipos con un gen de bioluminiscencia diferente. De esa manera, el grupo de David Walt, tiene siete colores disponibles con los que construir sus mensajes. Para descifrar los mensajes hay que contar con el patrón de codificación que nos permita transcribir el código de colores a nuestro alfabeto.
Las bacterias pueden emitir luz en distintas longitudes de onda, es decir, distintos colores. Fuente
Las bacterias permanecen invisibles hasta que le añadimos unos productos químicos determinados que hacen que emitan luz. También hay que conocer la longitud de onda con la que iluminar el mensaje y lo que más me ha gustado de este trabajo: todos sabemos que podemos hacer que las bacterias resistan a determinados antibióticos. Pues bien, el grupo de David Walt ha sacado partido de esta propiedad y ha añadido un nivel de dificultad al encriptado del mensaje bacteriano. Los investigadores trabajaron con colonias que fueron expuestas a los antibióticos ampicilina y kanamicina para codificar un mensaje. Al aplicar ampilicina obtuvieron "Este es un mensaje biocodificado del laboratorio de Walt en la Universidad Tufts de 2011", sin embargo, al aplicar kanamicina obtenían "Has utilizado el código incorrecto y vas a leer un galimatías"

Lecciones desde un laboratorio de ciencia básica

Y como siempre, los que dan el pistoletazo de salida a toda esta carrera son los laboratorios de ciencia básica. ¿Quién nos iba a decir que de estudiar a una bacteria que vivía simbiótica con un calamar podría darnos todas estas aplicaciones?. Investigadores estudiaban el quorum sensing, es decir, en cómo las bacterias se dan cuenta de que ya han alcanzado un número suficiente. En el fondo es ver como algo diminuto, que solo nos preocupaba cuando nos causaba enfermedades, desarrolla comportamientos sociales. La bacteria en cuestión era la Vibrio fisheri que vivía asociada simbióticamente en una especie de calamar-sepia. Cuando el calamar se asustaba Vibrio fisheri se iluminaba. ¿A quién le importa eso? seguramente a unos frikis. Pues bien, esto es una defensa de la ciencia básica, y el ejemplo de Vibrio fisheri es muy claro. Para domesticar vacas debemos primero observar a las vacas. ¿Es esto productivo? alguien dirá que no, pero si no sabes cómo se comporta una vaca dificilmente podrás llegar a domesticarla. Para aprovechar las propiedades bioluminiscentes de esta bacteria primero hemos tenido que entender su comportamiento social, sus interacciones, entenderla... las aplicaciones vienen después. Por favor, que los gestores de ciencia lean esto.

Para escuchar el podcast del programa Efervesciencia sobre este tema clica AQUÍ

2 comentarios:

  1. Interesantísimo. Algo que vuelve a traer viejos miedos, que ya se dieron en los stenta, cuajando en aquella conferencia de Asilomar. La biología sintética asusta y hay razones, como dices, para tomarse las cosas en serio y saber qué tipo de riesgos pueden asumirse.
    Hay algo que citas al final y que me parece especialmente importante: la importancia de la investigación básica, por un lado. A veces se olvida que el propio avance metodológico depende de ella (asocio esto, aunque sea un mecanismo distinto como ya has explicado, a la trascendencia experimental de la proteína fluorescente verde y las que se derivaron después de ella).
    Y otro aspecto que me parece que sería de gran interés que tocaras (o volvieras a hacerlo si ya lo hiciste en algún post previo que se me escapó): el quorum sensing. Supone no sólo algo científico sino casi, casi, filosófico: la sutil diferencia entre el individuo bacteria y el individuo población bacteriana y hasta qué punto ese término, "individuo", es adecuado.
    En fin, de nuevo, un magnífico post.

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  2. Gracias Javier. Lo del quorum sensing es interesantísimo. Creemos que los individuos no tienen relaciones entre ellos pero vemos que la pertenencia al grupo también nos marca. Rizando el rizo los investigadores en este campo están viendo que células clonales, por ejemplo de la bacteria Myxococcus, en determinado momento son capaces de diferenciarse en células generosas y células egoístas. Lo que determinaría el destino de estos dos grupos de células no sería el hecho de que sean individuos diferenciados sino un genóma con una información tal que es capaz de crear dos tipos de células diferenciados. Lo mismo que los humanos que en un óvulo fecundado ya está la información que dará lugar a las células somáticas (el futuro cadaver) y las sexuales que tendrán algún “chance” de transmitirse a la siguiente generación. Es muy turbador comprobar que los sistemas de información, y el genómico es un ejemplo pero la cultura podría ser otro, pueden determinar que elementos van a vivir y cuales van a morir.

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