Escribo para mí, para recordar algunas ideas que me interesan. Con el tiempo he descubierto que existe más o menos un nexo común en esas ideas. Aviso: Este blog no es un consultorio de salud.
La reproducción es central en la biología porque permite garantizar la permanencia en el tiempo. Si no te reproduces al cabo de tu vida biológica desapareces. Puedes desaparecer por el efecto sobre el planeta de la colisión de un meteorito, como los dinosaurios, o puedes desaparecer porque no has podido o no has querido reproducirte. Esta es la base de la selección natural. Hay quienes se reproducen, bien porque están mejor adaptados al ambiente, o porqué resisten mejor a las enfermedades infecciosas.
La reproducción no solo es central en biología. El éxito de las religiones derivadas del judaísmo ha sido una prohibición sobre el sexo. Esto tiene dos grandes ventajas: es muy difícil resistirse al sexo por lo cual es fácil incumplir y por lo tanto sentirte culpable. Los sacerdotes gestionaban esta culpa. Hoy en día, muchas empresas utilizan este mecanismo: generan tantos compromisos en el trabajador que es imposible cumplirlos todos, por lo tanto estás en déficit y eso hace que seas sumiso ya que no estás cumpliendo con los objetivos. La segunda gran ventaja es que al prohibir el sexo lo regulas. Las familias no son otra cosa que una unidad reproductiva, y el que regula el sexo regula a la familia. Establece ritos, mandamientos, ordena bajo sus principios a la sociedad. Los sumerios, por ejemplo, no regulaban excesivamente el sexo más allá de la prohibición del incesto. Su religión desapareció de la historia, mientras que las religiones derivadas del judaísmo tienen hoy en día 4300 millones de fieles.
Las bacterias son muy eficientes reproduciéndose. Lo hacen de manera binaria: de una surgen dos, de esas dos tendremos 4, de esas cuatro al dividirse tendremos 8. Una bacteria Escherichia coli se divide cada 20 minutos. Se calculó que una simple E. coli si tuviese espacio y comida ilimitados en 48 hr podría tener una población tan grande como la masa del planeta Tierra. Si tienen esa capacidad tan grande de reproducción ¿Por qué no estamos completamente invadidos e infestados de bacterias?
La razón está en los fagos, unos virus especializados en las bacterias que se encargan de eliminarlos. Los fagos son muy eficaces cuando hay grandes poblaciones de bacterias, todas muy apiñadas entre si. El fago inyecta su material genético en una simple bacteria y se reproduce. Por cada fago que inyecta su material genético saldrán aproximadamente 200 nuevos fagos que estarán prestos para infectar a las bacterias colindantes. Esto hace que las poblaciones de bacterias no crezcan exponencialmente.
El grupo de Jason Chin en el Consejo de Investigación Médica de Reino Unido ha creado una E. coli con un nuevo código genético. ¿Qué implicaciones tiene que una bacteria tenga un codigo genético diferente al resto de los organismos en el mundo? bien, que es invulnerable a cualquier virus. En el planeta Tierra TODOS los seres vivos compartimos el mismo código genético. Si utilizásemos una analogía con el mundo de los computadores diríamos que nuestro sistema operativo estaría basado en Windows. ¿Qué pasa cuando en vez de utilizar un sistema operativo mayoritario como Windows utilizásemos un sistema operativo minoritario como Ubuntu? pues que si usas Ubuntu no tienes virus y si utilizas Windows si.
¿Para qué sirve construir una E. coli con un código genético nuevo?
Para tener cultivos en grandes digestores que no sean atacados por fagos. Esto será de utilidad en el campo de la biotecnología, que utiliza grandes digestores en los que cultiva E. coli necesarias para la producción de vacunas.
¿Hay posibilidad de que estas bacterias escapen y se reproduzcan en el medio ambiente?
Normalmente, cuando se trabaja con organismos modificados tan a lo bestia, los investigadores se toman la molestia de prepararlos para que solo puedan vivir bajo las condiciones controladas de un laboratorio. Por ejemplo, se suele generar mutaciones que hacen que no puedan vivir si no es con un suplemento de aminoácidos esenciales que no se encuentran con facilidad en la naturaleza. Es lo que se llama mutantes auxótrofos. En la leyenda del Golem, un monstruo de barro que defendía a los judíos de Praga, su creador le había introducido un papel en la boca con las siglas ROBOT. Si el Golem se volvía incontrolable había que quitarle ese papel, y al hacerlo, el gigante de barro se desmoronaba.
La E. coli con un código genético modificado genera aminoácidos y proteínas únicas en el mundo
Por ese motivo, cuando un fago entra en su interior no sabe lo que hacer y por esa manera no se reproduce. ¿Es una bacteria sin depredadores? así es. Cuando los biólogos hablamos de "sin depredadores" automáticamente nos acordamos de la catástrofe ecológica que supuso introducir conejos en Australia. Al no haber zorros u otros depredadores, los conejos proliferaron hasta convertirse en una plaga.
El gobierno australiano importó en 1950 una enfermedad desde Uruguay para matar a esos conejos: la mixomatosis.
Quizás porque me estoy volviendo mayor, creo que los riesgos de tener organismos con códigos genéticos propios supera a las potenciales ventajas. Los patógenos han sido una suerte de retroalimentación negativa que se encargaba de reducir poblaciones que se habían desbocado. ¿Cuál sería la presión selectiva de estas bacterias que generan proteínas únicas? Un escenario de bacterias con virus conviviendo con bacterias inmunes a estos. Recuerda la historia de las poblaciones americanas sucumbiendo a enfermedades que no afectaban (o al menos de manera más reducida) a los europeos. ¿Cómo se comportarían las proteasas y las DNasas frente a estos nuevos códigos? ¿Podrían digerir las proteínas y el ADN de estas nuevas bacterias?. La buena investigación es aquella que genera dudas, que expande el debate. Solo espero que ninguna de ellas pueda salir de los laboratorios.
"Somos estúpidos y vamos a morir"
Es la frase que Pris le dice, en su desesperación a Roy Batty en la película Blade Runner, cuando se les acaban las opciones para escapar a su muerte programada. Los replicantes, humanos generados por ingeniería genética, son excepcionales, pero lo mismo que el Golem, o las bacterias creadas en el laboratorio de Jason Chin, tienen su vida dependiente de alguien, o de algo, que las limita. Como seres vivos que son quieren vivir, quieren hacerlo sin saber que van a morir algún día. Algo bien humano.
No cabe duda que los robots, o las bacterias con un código genético modificado acabarán encontrando la manera de evitar esa muerte programada. Al fin y al cabo todos lo intentamos de alguna u otra manera. El millonario acumulando millones, el científico papers en las mejores revistas. Intuimos que vamos a morir y nos resistimos a ello de las maneras más diversas e imaginativas. Un código genético, lo mismo que un código informático lleva en si la semilla de vencer. Es un código que cambia y alguno de esos cambios permitirá otro y otro y otro hasta llegar a reproducirse y mantenerse en el tiempo. Es ahí cuando surge la conciencia. La conciencia es una línea de tiempo.
THINKING PENNIES WILL GET YOU PENNIES... START THINKING DOLLARS
Este título está sacado de la película "Ray", una biografía del músico Ray Charles. Durante un dialogo un productor le dice: "If you think pennies, Mr. Charles, you get pennies, but if you think dollars, Mr. Charles, you get dollars". La frase me encantó en su momento, sabía que en algún momento me sería útil.
La mayoría de la divulgación científica, incluida la mayoría de la que yo hago, es divulgación de poca calidad, divulgación de centavitos, de peniques. Por ejemplo, aparece una noticia en Nature Biotechnology: bacterias que sirven para localizar minas antipersona. La universidad en donde se genera el trabajo escribe una nota de prensa que filtra a los medios de comunicación. Los periodistas encargados de la sección de ciencias, una sección relativamente nueva pero que cada vez es más popular en todos los periódicos y revistas, reproducen más o menos con las mismas palabras la noticia. Lo curioso es que no se molestan en leer el artículo original y aparte de reproducir la nota de prensa poco aportan a la noticia en cuestión. Auténticos loros. Pero, como la mayoría de esos medios son gratuitos y la mayoría de los que cubren esas noticias son becarios que cobran poco o nada... ¿Qué calidad esperamos?
Empiezo a leer la noticia de un grupo de investigación de la Hebrew University que ha desarrollado unas bacterias que detectan un compuesto derivado del TNT, el explosivo que se usa mayoritariamente en las minas antipersonas. El grupo del Dr Shimshom Belkin ha publicado su descubrimiento en Nature Biotechnology. Una de las revistas más top de la biotecnología. Leyendo un poquito sobre el tema descubro que en 2009 un grupo de la Universidad de Edinburgo, en Escocia, ya había desarrollado unas bacterias parecidas. Sigo leyendo y descubro que en España, el grupo de Victor de Lorenzo también había desarrollado bacterias semejantes. Lucas Sánchez, bloguero e investigador en el grupo de Victor de Lorenzo, explica magistralmente este tipo de tecnología en una charla de 9 minutos en Naukas.
En el CSIC (Centro Superior de Investigaciones Científicas, el grupo de Victor de Lorenzo también trabaja en esta tecnología. Para explicarlo ha hecho esta animación.
En Colombia, estudiantes de la Universidad Nacional de Colombia también trabajan con este tipo de bacterias, en un proyecto llamado Landminator. Ahora surge la pregunta ¿Por qué un trabajo de 2017, cuando ya hay trabajos previos, tiene tanta repercusión? La respuesta son las PR wars, las guerras de relaciones públicas. El estado israelí con su política de "apartheid" de los palestinos se ha ganado una mala reputación a nivel mundial. Glosar las glorias de la ciencia israelí, que es excelente, es una manera de lavar la imagen pública que se pierde con la política de ocupación de territorios palestinos. Los gabinetes de comunicación de sus universidades cuelan las noticias en los grandes medios de comunicación y las secciones de ciencia, llevadas por becarios mal pagados y con pocas ganas de trabajar se dedican, como loros, a repetir esa noticia.
PRIMERO FABRICAMOS LAS MINAS Y LUEGO OFRECEMOS CÓMO LOCALIZARLAS
Colocar una mina puede costar 1,8 euros pero desactivarla puede llegar a mucho más: hasta 718 euros.
Frecuentemente son las mismas empresas productoras de minas las que
proporcionan servicios de desminado. Creo un problema y luego ofrezco resolver el problema: la cuadratura del círculo del beneficio empresarial. Desde 1975, UNICEF calcula que más de un millón de personas
han sufrido amputaciones o la muerte debido a las minas. En total
cerca de 800 personas mueren debido a estos explosivos cada mes. Se
estima que en 64 países hay más de 100 millones de minas que aún no han
explotado. Al lado del Ecuador, en Colombia, las minas que han dejado el conflicto con la guerrilla es un drama nacional.
BACTERIAS QUE AL OLER EXPLOSIVO SE VUELVEN FLUORESCENTES
He descubierto que hay un montón de tecnología para desactivar minas: excavadoras preparadas para resistir explosiones, perros, ratas etc.
Perros y ratas se utilizan por su olfato. Los perros se domesticaron a partir del lobo en el neolítico. Cuando los cazadores mataban a los lobos adultos algunas mujeres amamantaban a los cachorros. Dar de mamar a un animal hacía que las probabilidades de quedarse de nuevo embarazadas disminuyesen. Esa técnica todavía la utilizan algunas mujeres de tribus del Amazonas. Los lobitos amamantados de esa manera se acostumbraban a vivir con sus nuevas familias. Esos fueron los primeros pasos de la domesticación. Utilizamos perros y ratas domesticadas para utilizar su olfato. Ahora, que en el S XXI estamos domesticando a las bacterias y también las utilizamos por su capacidad para "oler" el explosivo cuando se está deteriorando.
Por medio de la biología de sistemas podemos hacer maravillas. Por ejemplo. Todos los seres vivos compartimos el mismo lenguaje genético. Un gen de mosca se puede meter dentro de una bacteria y la bacteria puede leer esa información. Los seres vivos no somos como los ordenadores que tienen sistemas operativos distintos: Apple, Windows, Ubuntu, Android. El sistema genético es universal y por ese motivo podemos pasar genes de una especie a otra.
Los científicos han unido un gen que detecta un producto de descomposición del TNT a un gen de la luciérnaga. Cuando el producto de descomposición le llega a la bacteria la bacteria comienza a producir la proteína de la luciérnaga. Si nosotros iluminamos a esas bacterias por ejemplo con una luz fuerte, un láser por ejemplo, al apagar el laser esas bacterias se iluminarán como esa pintura fluorescente que se usa para las pegatinas o para los relojes de manecillas.
Lo que hicieron estos investigadores fue meter a las bacterias dentro de unas bolitas de gel, para que no pasasen ni hambre ni sed, y soltaron esas bolitas en un campo lleno de minas
Burbujas del biosensor esparcidas por el área de estudio. NATURE BIOTECHNOLOGY
Por la noche un todoterreno equipado con un láser iluminó el campo de minas con las bacterias. Aquellas bacterias que estaban encima de una mina pudieron "oler" el compuesto en descomposición del TNT y produjeron la proteína de la luciérnaga y al ser iluminadas con el laser, cuando el laser se apagó emitieron luz señalando exactamente dónde estaban las minas
Gracias
a unas bacterias modificadas es posible detectar de forma remota la
presencia de explosivos. Crédito imagen: Hebrew University
Las fotos que aparecen el en Nature Biotechnology son bastante impresionantes
Lo que hicieron los investigadores ya había sido básicamente publicado en 1998: unir un promotor inducible DNT/TNT unido a una proteína fluorescente verde. Lo que aporta este artículo es que escanearon un área llena de minas con un láser desde 20 metros a una velocidad de 18 cm/sec, es decir un total de 15 min de tiempo total de escaner.
Ahora como todas las tecnologías habrá que ir mejorando. Posiblemente el láser se pueda incorporar a un dron, las bacterias hacerlas más resistentes a la deshidratación. Se ha visto que algunas bacterias en contacto con algunas plantas pueden volverse fluorescentes, aunque no haya minas debajo... pero como todas las tecnologías tenemos que pasar de los coches de manivela a los Ferraris, pero todo es cuestión de tiempo INCONVENIENTES DE UTILIZAR BACTERIAS CHIVATAS
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
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.
David Ortega, en Quito, ha desarrollado un taller de arte y bacterias y el resultado es este:
Para escuchar el podcast del programa Efervesciencia sobre este tema clica AQUÍ
En informática se diferencia entre lo que es sistema y lo que es software. El software es el programa, las instrucciones que van a modificar los datos. El sistema son los programas más la máquina, el hardware. La vida se origina cuando aparece una cadena de nucleótidos de ARN capaz de producir una copia de si misma y que, al mismo tiempo, esa cadena sea capaz de realizar alguna acción. Este tipo de moléculas todavía existen hoy en día: se llaman ribozimas. El ribozima es software y hardware al mismo tiempo. Cuando aparecieron este tipo de estructuras por primera vez en el planeta Tierra hace más o menos 4000 millones de años no había nada similar. Eran las primeras entidades biológicas. En un principio fue el verbo. El verbo como imagen de información y acción al mismo tiempo.
Los seres vivos no pueden mejorar su código genético (al menos hasta ahora)
¿Cómo se podía mejorar el código, la información? Cuando un informático escribe un programa sabe que el programa en si es mejorable. Con el tiempo le va añadiendo o quitando cosas. Él es capaz de modificar ese código. Las moléculas autorreplicantes como el ARN lo que buscan es hacer una copia fidedigna de si mismas. El código cambia cuando la copia de si misma ya no es fidedigna y aparece una mutación, un error, una falta de ortografía. Por azar puede que ese nuevo cambio tenga de alguna manera sentido y le de al organismo portador de ese cambio alguna nueva habilidad que haga que su descendencia tenga más probabilidades de, a su vez, tener más descendencia, que aquellos que no tienen ese cambio. De esta manera la selección natural y la mutación van, error y prueba, mejorando el código y de aquella molécula primigenia de ribozima llegamos a tener colonias de termitas, ballenas azules y bonobos. Todo ocurrió porque ese ribozima no estaba flotando en una sopa. Estaba intercalado entre las hojas de los filosilicatos ¿Qué son los filosilicatos? no es otra cosa que el humilde barro. Cada capa funcionaba como una celda, una célula primitiva. Al estar los ribozimas individualizados en capas, cada vez que había un cambio en el código del ribozima se podía seleccionar porque iba a haber “capas” de filosilicatos que desplazasen a otras capas y de esta manera la selección natural podía operar y dar ventaja a quien estuviese mejor “escrito”.
La ribozima es una molécula de ARN, por lo tanto, un polímero de cuatro nucleótidos capaz de codificar información. Lo bello de esta molécula es que no es solo información. Es el software y la máquina al mismo tiempo. Es información codificada en la secuencia de nucleóticos pero como se pliega se convierte en una máquina capaz de ejecutar una acción. En informática software más máquina es lo que define a un sistema. En este caso presentamos al primer sistema biológico capaz de detentar todas las propiedades de la vida: la ribozima
El flujo de información siempre va desde el ADN a las proteínas, es decir, del software al sistema. El sistema no tenía, hasta ahora, la posibilidad de cambiar el código. Lo que ocurría es que había muchos, muuuuuchos organismos, unos con un código mejor escrito que otros y estos eran los que iban a tener más posibilidades de dejar descendencia y que con el paso del tiempo ese código mejorado iba a tener una frecuencia en la población mayor. Sin embargo la humanidad está aprendiendo a escribir el código y a mejorarlo. Es lo que los científicos conocen como "edición del ADN". En esta tecnología las bacterias tienen mucho que decir. Mediante la técnica CRISPR-Cas, un sistema de edición del ADN desarrollado por virus y bacterias, descubierto por el español Francisco J. Mójica, en el laboratorio podemos descartar los embriones que tengan genes no deseados. De esta manera en vez de eliminar a los organismos ya nacidos los podemos eliminar en estado de embrión en el laboratorio.
La idea es buena si elimina el sufrimiento de las familias. Tener un hijo con una enfermedad rara o degenerativa debe de ser una carga terrible para ese hijo y para su familia. El poder reescribir el código genético, como si fuésemos programadores informáticos obliga al ser humano a replantearse su lugar en el mundo. Ya no somos Fernández, hijo de Fernández y nieto de Fernández. Nuestra herencia puede ser modificada si hay algún factor hereditario susceptible de provocar una enfermedad. ¿Podríamos extender esta tecnología para conseguir hijos con ojos azules y tez más clara?. En muchos países, y ejemplo de esto son los países latinoamericanos, existe una pigmentocracia. Muchas personas asocian la tez clara con una mayor preeminencia social. Las africanas se gastan su dinero en productos blanqueantes nocivos para la piel.
Obra del pintor mexicano Miguel Cabrera (1695-1768). La pigmentocracia es un sistema de organización social y de reparto de poder que se basa en el color de la piel.
Nuestro lugar en el mundo fue cuestionado primero por Copérnico, y después por Darwin. Freud ayudó a ponernos en un lugar extrínseco cuestionando la centralidad de nuestro raciocinio.
El director de cine ruso Tarkovski era un enamorado de la Edad Media. Intuía que el hombre medieval era más feliz porque se sentía en el centro del mundo, objeto del amor de Dios. Cuando veía sus películas observé este hecho pero no le di más transcendencia. Al llegar al Ecuador y conocer a personas creyentes, personas que se sentían señaladas, protegidas y mimadas por “Diosito” me di cuenta de que eran personas felices y con una confianza en el futuro a prueba de bomba. Todavía no entiendo el porqué, pero creo que esa vitalidad y felicidad de la que hacen gala tiene que ver con el hecho de sentirse únicos y que su vida tiene un fin, un propósito. Un propósito que no tiene que ver exclusivamente con ellos mismos. En ese propósito hay una comunicación directa con… iba a decir un ser superior, pero ¡Qué caramba!, la comunicación es con el jefe de todo, con el Capo di capi. ¿Cómo te vas a sentir insignificante cuando tienes ese tipo de “contactos”?.
El cineasta ruso, Andrei Tarkovski, en su película Andrei
Rublev, trata el tema de la fe medieval en la centralidad del ser humano. Esta
fe es una forma de sentir de que importamos, de que tenemos un lugar en el
mundo. Según Tarkovsky el arte tiene el poder de restaurar la fe en el futuro
en un tiempo de injusticias, dolor y sufrimiento como en la época que se recrea
en el film.
¿Cómo nos sentiremos cuando podamos re-escribirnos a nosotros mismos? ¿Seguiremos disfrutando de las ventajas de estar en el centro del Universo o por el contrario nos sentiremos contingentes, insignificantes, deudores de un código que puede manipularse, cambiarse y adaptarse a las condiciones sociales?
Vivimos en un sistema económico basado en el crecimiento continuo. Si no hay crecimiento o si hay decrecimiento el sistema no funciona. ¿Para qué invertir dinero si lo vamos a perder?. El crecimiento se basa en tres patas: crecimiento de la población, energía barata y crédito abundante. El progreso científico que hemos vivido desde el siglo XIX así como la revolución de lo digital han creado el sentimiento de que el progreso científico puede ser un manera de mantener el crecimiento económico constante. El progreso constante de la velocidad de los procesadores es un buen ejemplo de esto. Cada dos años se duplica la velocidad de un procesador haciendo necesario actualizar nuestros equipos para que no se queden obsoletos. Los legisladores empiezan a exigir que la ciencia deje de ser un sistema de generación de conocimiento para ser un sistema de generación de patentes que permita cambiar "la matriz productiva" de un país. Los investigadores, siempre bajo la presión de la competencia académica, comienzan a "vender humo" alentando esa fantasía de que el conocimiento puede crear nuevas áreas de negocio. El conocimiento deja de ser el objetivo final, ahora los científicos son los nuevos descubridores que van a mostrar a los países occidentales nuevas tierras que explorar y explotar.
Daniel Nocera ha conseguido modificar genéticamente una bacteria de manera que con energía solar pueda conseguir combustible líquido. Todo un avance para afrontar el desafío que representa el Cambio Climático.
Después de leer el trabajo de Daniel Nocera me di cuenta que si bien era un trabajo excelente decir que es un "desafío al cambio climático" es una completa exageración. Un olivo por ejemplo transforma luz solar en aceite. El aceite se puede quemar para dar luz y energía como ya se sabía desde antiguo en la cuenca mediterranea.
"Acerca del rendimiento energético que se puede conseguir con esto... (comentario en un foro de FB sobre la noticia) Si nos basamos en el estudio del potencial solar del Grupo de Energía, Economía y Dinámica de Sistemas de la Universidad de Valladolid (www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032113005807) en la realidad un campo solar solo convierte en electricidad entre un 3 y un 4 % de la radiación solar incidente en el terreno que ocupa, a pesar de estar optimizada su instalación. Tomando el 4% real en lugar del 18% teórico del panel, obtendríamos que este gran hallazgo consigue convertir un 0,15% de la energía solar en un combustible. Suponiendo que se utilice en un motor de combustión que pueda llegar a dar un rendimiento del 30% la energía solar convertida en trabajo es del orden del 0,05%. Si el motor se monta en un vehículo de pongamos 750 kg para transportar 4 viajeros el trabajo útil se quedaría por debajo del 0,01%. Vaya que la TRE será muy inferior a 1, posiblemente cercana a cero".
La ciencia es un sistema de generación de conocimientos que deberían basarse en principios humanistas. Para mi un ejemplo maravilloso de esta capacidad de transformación es la del trabajo de Oriol Mitjà. Oriol es un médico catalán que se dió cuenta de que el pian, una enfermedad que deforma la cara y los huesos, provocada por una bacteria similar a la de la sífilis, que afecta a 500.000 personas en el mundo se podía erradicar simplemente con una pastilla de azitromicina. Administrar una pastilla es algo más barato y fácil de hacer que el tratamiento tradicional consistente en una inyección de penicilina (Hay que pensar que en los países afectados por esta enfermedad, un médico blanco con una aguja levanta suspicacias por ciertas historias existentes que hablan de la estilización de pueblos indígenas por grupos de misioneros con dudosas intenciones). De esta manera Oriol piensa erradicar esta enfermedad de la faz de la Tierra en 2020.
El médico Oriol Mitjà, con un niño con las típicas úlceras del pian en las piernas. Fuente EsMateria
Los científicos no nos debemos vender como nuevos mesías que van a cambiar el proceso productivo. No es nuestro trabajo. Si incurrimos en ese error generaremos decepción y desconfianza. Si además los científicos trabajamos como "freelances" y no tenemos capacidad de decisión en nuestros proyectos cuando se constate que no hemos sido capaces de cambiar la matriz productiva entonces, siendo el eslabón más débil, será en nosotros en donde recaigan los reproches y los juicios de valor. Como siempre el chiste del remero, aquel en donde la culpa de que no se ganen regatas es del remero, a pesar de que en el barco lo que más abundan son los tecnócratas, se hará una vez más realidad.
El sistema CRISPR-Cas sigue dando alegrías. Esta aplicación de la empresa Dupont si me parece realmente útil y bien pensada a comparación del trabajo publicado por Citorik en donde pretendía que el sistema CRISPR-Cas podía ser una alternativa a los antibióticos. En este caso la aplicación es útil. Si las bacterias que usamos para el yogurt están protegidas frente a fagos con el sistema CRISPR-Cas lograremos tener cultivos estables sin que se mueran de un día para otro por culpa de un crecimiento explosivo de fagos.
Referencia:
Sequence-specific antimicrobials using efficiently delivered RNA-guided nucleases. 2014.
Robert J Citorik, Mark Mimee & Timothy K Lu. Nature Biotechnology 32, 1141–1145
Un equipo internacional de científicos ha dado un
gran paso adelante en la comprensión de cómo «editar» genes de enzimas,
allanando el camino para la corrección de enfermedades genéticas en los
pacientes. Investigadores de las universidades de Bristol, en Reino
Unido; Münster, en Alemania, y el Instituto Lituano de Biotecnología han
observado el proceso por el cual una clase de enzimas llamadas CRISPR
unen y alteran la estructura del ADN.
Los resultados, publicados en la edición de Proceedings of the National Academy of Sciences
de este lunes, proporcionan una pieza vital del rompecabezas para saber
si estas herramientas de edición del genoma en última instancia podrán
utilizarse para corregir las enfermedades genéticas en humanos.
Las enzimas CRISPR fueron descubiertas por
primera vez en las bacterias en la década de 1980 como una defensa
inmune que utilizan las bacterias contra los virus invasores. Los
investigadores han demostrado recientemente que se puede usar un tipo de
enzima CRISPR, Cas9, para modificar el genoma humano, el conjunto
completo de información genética de los seres humanos.
Estas enzimas se han adaptado para localizar con
precisión una única combinación de letras dentro de los 3.000 millones
de pares de bases del ADN, lo que equivale a la corrección de una sola
palabra mal escrita en una enciclopedia de 23 volúmenes.
Para encontrar esta aguja en un pajar, las
enzimas CRISPR utilizan una molécula de ARN, un ácido nucleico similar
en estructura al ADN. El proceso de focalización requiere las enzimas
CRISPR para separar las hebras de ADN e insertar el ARN para formar una
estructura específica de la secuencia llamada 'bucle-R'.
El equipo probó el modelo de 'bucle-R' usando
microscopios especialmente modificados en los que las moléculas
individuales de ADN se extienden en un campo magnético. Al alterar la
fuerza de torsión en el ADN, los investigadores pudieron controlar
directamente la formación de eventos de 'blucle-R' de enzimas CRISPR
individuales, revelando los pasos que antes estaban ocultos en el
proceso y pudiendo investigar la influencia de la secuencia de bases de
ADN.
El profesor Mark Szczelkun, de la Facultad de
Bioquímica de la Universidad de Bristol, señala: «Un reto importante en
la explotación de estas emocionantes herramientas de edición del genoma
es asegurar que sólo se dirigen a un lugar específico en el genoma». «Nuestros ensayos en una sola molécula han
conducido a una mayor comprensión de la influencia de la secuencia de
ADN en la formación del 'bucle-R'. En el futuro, esto ayudará a aumentar
la precisión y minimizar los efectos fuera del objetivo de la
reingeniería de enzimas CRISPR, algo vital si se aplican estas
herramientas para corregir enfermedades genéticas», concluye.
A nadie se le escapa que a los pioneros en el estudio de estas enzimas se les dará el premio Nobel en el futuro
En la universidad los biólogos de manera intuitiva se sienten menos que otros universitarios como los médicos, abogados, ingenieros... La diferencia es que todos ellos tienen firma: pueden firmar proyectos, firmar sentencias, tomar decisiones... eso se paga. A los biólogos, pobres, nadie les pide la firma. Inconscientemente todos buscamos tener firma, tener esa capacidad que nos garantice nuestra pertenencia a la clase media. Quizás por eso y porque biología es nombre demasiado genérico, el estudio de la vida, desde los años 70 los biólogos tratan distinguirse como biólogos marinos, ambientalistas, biólogos moleculares. Hubo un tiempo que biólogo molecular era guay, hoy es un concepto que designa a los machacas, a esos individuos que empalman el fin de la carrera con una carrera de becario que enlaza una beca tras otra. Luego vino la "ingeniería genética". ¡Qué bien, los biólogos podíamos ser ingenieros! pero seguimos sin firma. No éramos auténticos ingenieros por tanto y el término vino en desuso. Ahora es la biología sintética, la biología de sistemas (como informático de sistemas pero en biología, pero de eso hablaremos otra entrada) etc.
Biología sintética
Primero veamos la definición de la wiki: La Biología sintética se define como la síntesis de biomoléculas o ingeniería de sistemas biológicos con funciones nuevas que no se encuentran en la naturaleza. Se trata de una disciplina que, a diferencia de otras, no se basa en el estudio de la biología de los seres vivos, sino que posee como objetivo el diseño de sistemas biológicos que no existen en la naturaleza. La Biología Sintética busca la creación de nuevos organismos programables, es decir, la creación de microorganismos a la carta que se comporten como pequeños ordenadores.
La primera vez que escuché este concepto fue en 2003 en el "Center for Complex Systems" de la Universidad de Michigan. El confenciante era Tom Knight del MIT y habló de los biobricks. Es quizás la historia de los biobricks la que mejor resume lo que subyace en el concepto de biología sintética: poder construir máquinas con componentes biológicos. Lo mismo que la electrónica apareció de manera espontanea cuando se estandarizaron ciertos componentes eléctricos como resistencias, diodos, transistores, lámparas... que permitieron hacer circuitos combinando los distintos elementos. Entonces surgió la electrónica y toda la inmensa panoplia de instrumentos y aparatos fruto de ella. El aspecto clave para poder combinar los distintos elementos eléctricos se basa en que cada elemento tenga los mismos inputs y outputs. En el caso de la electrónica es la corriente continua. Aquí tenemos un circuíto. Cada elemento se "clava" en los agujeritos de la tabla la tabla está conectada a una fuente de corriente continua. Cada elemento tiene una entrada y una salida de corriente: un input y un output común para todos ellos. Esto permite la creación de innumerables combinaciones.
Circuito diseñado con el programa Fritzing. El rectángulo gris es una "Bread board" una tabla de pan en argót, que no es otra cosa que una tabla donde pinchar los componentes electrónicos. La tabla permite hacer circuitos fácilmente al estar conectada a una fuente de electricidad.
La idea es muy atractiva. Además Tom Knight, quizás consciente de que estaba hablando un lenguaje muy propio de los hackers, convocó un concurso. Ellos proporcionaban a los participantes de las herramientas biológicas que consistían en los sistemas más habituales de expresión genética: sistema de expresión de la beta-lactamasa, operón tet o las famosas bacterias que fluorecen cuando se excitan con luz. Básicamente estos sistemas biológicos lo que hacen es que cuando se meten en una bacteria unos genes determinados la bacteria obedece a un input, por ejemplo en el caso de la beta-lactamasa la molécula IPTG, en el operón tet, pues tetraciclina, o en el caso de las bacterias fluorescentes pues luz. El output será una coloración azul, la activación de un operón que esté debajo de ese promotor y la bacteria fluorescente brillará con luz propia. Recuerdo que Tom Knight nos contó que los ganadores de este concurso fueron los estudiantes de un instituto de secundaria de Texas que hicieron un sistema de fotografía basado en bacterias.
Este cuatro resume algunos de los componentes utilizados en los "circuitos" de biobricks
El concepto de biobrick se basa en módulos. Módulos que tienen una jerarquía en donde la parte está incluída en el aparato y éste en el sistema. Este tipo de construcción modular es empleada en informática y electrónica extensivamente.
Fotografía basada en bacterias
Posteriormente a este concursos otros grupos han estado desarrollando esta técnica de fotografía con bacterias. El concepto es muy sencillo. Hay bacterias que emiten luz cuando se las excita con luz, pues bien, lo único que hay que hacer es sembrar una bandeja cuadrada con medio sólido de cultivo bacteriano con bacterias. Se pone esta bandeja debajo de una ampliadora de fotografía. Se proyecta un negativo sobre la bandeja y la bandeja positiva la imagen. Posteriormente hay grupos en los que en vez de utilizar bacterias fluorescentes utilizan bacterias que excitadas por la luz producen un pigmento oscuro.
Escherichia coli fluoresciendo. Las bacterias sirven para positivar imágenes fotográficas
Escherichia coli produciendo pigmento y revelando la fotografía de la izquierda
Recientemente se ha celebrado un congreso con el título de "Hype in science" (Bombo y platillo en ciencia) sobre este tema. Los expertos estuvieron de acuerdo en que habría que implementar un control PPPR (Post Publication Peer Review en sus siglas en inglés y que significa revisión por pares post publicación). Esto evitaría bochornos como la bacteria que sustituía el fósforo por arsénico y temas semejantes.
Rosie Redfield, de la Universidad de British Columbia, desenmascaró el artículo publicado en Science de la bacteria que crecía en el lago Momo y que decían había sustituído el fósforo por arsénico. Por cierto, todavía esperamos que la revista Science se retracte públicamente.
El 28 de Abril se publicó en Nature la siguiente noticia: "Trace-gas metabolic versatility of the facultative methanotroph Methylocella silvestris" (Ver artículo)
El trabajo es interesante a la vez que un poco oportunista ya que se trata de un paliativo a la futura contaminación por metano debida a la extracción de gas metano debido a la fracturación hidraulica. La noticia se filtra a los medios de comunicación y de repente surge un "hype": "Una bacteria contra el cambio climático" como por ejemplo en la noticia que reproduzco abajo:
Con el título de "Una bacteria contra el cambio climático" Se publica en Europa Press el 28 de Abril el siguiente artículo:
Las bacterias podrían absorber las emisiones de gases de
origen natural y las provocadas por el hombre antes de ser liberadas
a la atmósfera y causar el calentamiento global, según una
nueva investigación de la Universidad de East Anglia
en Norwich, en Norfolk, Inglaterra.
Los resultados, publicados este lunes en
'Nature', muestran cómo una única cepa bacteriana,
'Methylocella silvestris', que se encuentra en el
suelo y otros entornos en todo el mundo puede crecer tanto en el
metano como el propano del gas natural.
Originalmente, se pensó que la capacidad para
metabolizar el metano y otros alcanos gaseosos como el propano la
hacían diferentes grupos de bacterias, por lo que este nuevo
hallazgo es importante porque significa que un tipo de bacterias
puede limpiar los componentes del gas natural de manera muy eficiente
y reducir la contaminación. El hallazgo podrían ayudar a mitigar los
efectos de la liberación de gases de efecto invernadero a la
atmósfera tanto del gas natural que se filtra del medio
ambiente como del que surge de la actividad humana, como la
fracturación hidráulica para la extracción de gas no convencional
o los derrames de petróleo.
Los investigadores estudiaron la bacteria
'Methylocella' que se encuentra normalmente en la turba, la tundra y
los suelos forestales en el norte de Europa, además de que se ha
encontrado entre la comunidad microbiana tras el derrame de petróleo
de 'Deepwater Horizon' en 2010. Los autores de este trabajo
midieron su capacidad para crecer en metano y otros gases.
El investigador principal, el profesor Colin
Murrell, de la escuela de Ciencias Ambientales de la
Universidad de East Anglia, señala: "El gas natural de fuentes
geológicas contiene metano, así como grandes cantidades de etano,
propano y butano. Hemos demostrado que un microbio puede crecer tanto
en metano como en propano a una velocidad similar. Esto se debe a que
contiene dos sistemas de enzimas fascinantes que utiliza para
aprovechar ambos gases a la vez".
Según este investigador, esto es muy importante para
los entornos expuestos a gas natural, bien de forma natural, como por
la actividad humana, puesto que estos microbios pueden desempeñar un
papel relevante en la mitigación de los efectos del metano y otros
gases antes de que lleguen a la atmósfera.
"El metano es un potente gas de efecto
invernadero que se libera de fuentes naturales, como los humedales,
así como de las actividades humanas, incluyendo la gestión
de residuos, las industrias de petróleo y gas, la producción de
arroz y la ganadería. A nivel mundial, se estima que más de la
mitad de las emisiones de metano son artificiales", alerta.
"Molécula a molécula, el efecto del
metano en el calentamiento global es más de 20 veces superior al del
dióxido de carbono durante un periodo de tiempo de cien
años. Por eso, es muy importante que entendamos cómo se puede
eliminar biológicamente en el medio ambiente antes de que se libere
a la atmósfera", concluye.
