Hacer que las proteínas se formen en línea podría llevar a pruebas de laboratorio más similares a la vida.
David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).
Cuando los investigadores conducen experimentos sobre la manera en que las células crecen y responden a las señales externas, tienden a usar soluciones que son mucho más diluidas que los entornos aglomerados encontrados dentro de células vivientes. Ahora, una nueva investigación del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) muestra que los entornos diluidos podrían sesgar los resultados de dichos experimentos.
Usando una técnica que se asemeja más cercanamente al entorno aglomerado en células actuales, investigadores encontraron que ciertas moléculas “se organizan más que como esperaríamos que lo hicieran en el cuerpo”, dice Krystyn Van Vliet, Profesora de Desarrollo de Carreras de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el MIT.
“La célula en el cuerpo vive en un entorno muy aglomerado”, dice Van Vliet. La mayoría de los investigadores han hecho su trabajo con soluciones diluidas, que son más fáciles de controlar y analizar, pero no han reconocido completamente como esto podría afectar los resultados. Resulta que producir un entorno más aglomerado “induce un alineamiento dramático de redes de proteínas fuera de la célula”, lo que a su vez causa que las células se alineen a su estructura interna, dice ella.
Una sola mutación genética puede barrer a través de una población, abriendo la puerta para el concepto de “especies” en bacterias.
Denise Brehm, Civil and Environmental Engineering. Original (en inglés).
Las bacterias son los organismos más populosos en el planeta: prosperan en casi cada entorno conocido, adaptandose a diferentes hábitats por medio de variaciones genéticas que proveen las capacidades esenciales para la sobrevivencia. Estas innovaciones genéticas provienen de lo que los científicos creen que es una mutación al azar y un intercambio de genes y otros trozos de ADN entre bacterias que a veces les confiere una ventaja, y que entonces se vuelve una parte intrínseca del genoma.
Pero cómo se esparce una mutación ventajosa de una simple bacteria a todas las otras bacterias en una población es una pregunta científica abierta. ¿El gen que contiene una mutación ventajosa pasa de bacteria a bacteria, barriendo a través de la población entera por sí mismo? ¿O un solo individuo obtiene el gen, y entonces replica su genoma entero muchas veces para formar una nueva población mejor adaptada de clones idénticos? Evidencia conflictiva soporta ambos escenarios.
En una revista académica que apareció en la edición del 6 de Abril de Science, investigadores del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE – Civil and Environmental Engineering) del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) proveen evidencia de que las mutaciones ventajosas pueden barrer a través de las poblaciones por sí mismas. El estudio reconcilia la evidencia conflictiva previa al mostrar que después de tres barridos de genes, la recombinación se vuelve menos frecuente entre cepas de bacterias de diferentes poblaciones, produciendo un patrón de diversidad genética que recuerda al de la población clonal.
Esto indica que el proceso de evolución en las bacterias es muy similar al de las eucariotas sexuales – que no pasan su genoma intacto a su progenie – y sugiere un método unificado de evolución de las dos formas de vida mayores de la tierra: procariotas y eucariotas.
El hallazgo también llega al corazón de otra pregunta científica: como al delinear especies de bacterias – o determinar si el término “especies” siquiera aplica a bacterias, que son tipicamente identificadas como poblaciones ecológicas y no especies. Si todas las bacterias en una población son clones de un ancestro común, la idea de las especies no aplica. Pero si, como muestra este nuevo estudio, genes que son compartidos al azar entre individuos pueden dar lugar a una población nueva ecológicamente especializada, el uso del término podría ser garantizado.
“Encontramos que la diferenciación entre poblaciones estaba restringida a unos pocos parches pequeños en el genoma”, dice Eric Alm, profesor asociado de desarrollo de carrera de Ingeniería Civil y Ambiental e Ingeniería Biológica y miembro asociado del instituto Broad.
El profesor Martin Polz de CEE, otro investigador principal en el proyecto, añade, “Patrones similares han sido observados en animales, pero no esperamos verlos en bacterias”.
“El proceso de diferenciación ecológica en bacterias, que encontraron los investigadores, es similar a los mosquitos que transmiten malaria: algunas poblaciones desarrollan resistencia a agentes antimalariales por medio de un solo intercambio de genes, mientras que otras poblaciones compartiendo el mismo hábitat no lo hacen. El pez espinoso (Gasterosteidae) también se ha mostrado que sigue este patrón de “especiación simpátrica” (la formación de una especie sin que se establezca previamente una barrera geográfica entre poblaciones) en entornos compartidos.
“A pesar de que las fuentes de diversidad genética son muy diferentes entre bacterias y eucariotas sexuales, el proceso mediante el cual la diversidad adaptativa se propaga y desencadena una diferenciación ecológica parece muy similar”, dice el primer autor doctor Jesse Shapiro, un posdoctorado en la Universidad de Harvard quien realizó su trabajo de graduación en el laboratorio de Alm en el MIT.
Los investigadores realizaron el trabajo usando 20 genomas completos de la bacteria Vibrio cyclitrophicus que recientemente se había diversificado en dos poblaciones ecológicas adaptadas a microhábitats conteniendo diferentes tipos de zooplancton, fitoplancton y particulas orgánicas suspendidas en agua de mar. En un estudio previo basado en solo unos pocos genes, habían predecido que estas poblaciones cercanamente relacionadas de Vibrio estaban en el proceso de desarrollarse en dos diferentes poblaciones asociadas al hábitat.
El nuevo estudio muestra que las dos poblaciones fueron frecuentemente mezcladas por recombinación genética, quedando genéticamente distintas en solo unas pocas adaptaciones ecológicas genéticas, con una tendencia en aumento hacia intercambio de genes dentro – en lugar de entre – hábitats.
“Esta es la revista académica más sofisticada sobre especialización bacteriana que ha aparecido, sobre todo por que utiliza la dudosa palabra “especies” solo una vez, y eso es con precaución”, dice W. Ford Doolittle, un profesor emérito de bioquímica en la universidad de Dalhousie en Canada. “La base genética de diferenciación ecológica en bacterias – como el genotipo mapea al ecotipo y que procesos determinan este mapeo – es en mi mente el más grande problema en ecología microbial moderna”.
Otros coautores en la revista académica son el estudiante graduado del MIT Jonathan Friedman, los posdoctorados Otto Cordero y Sarah Preheim, la estudiante graduada Sonia Timberlake, y Gitta Szabo de la Universidad de Vienna en Austria. Los fondos fueron provistos por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moor, y el Instituto Broad.
Todos los organismos vivientes balancean un cierto tipo de presupuesto – asignando energía a diversas partes de su cuerpo para sustentar los procesos esenciales para la vida. A través de su vida, un organismo puede re-balancear este presupuesto para gastar más energía en unos ciertos procesos que en otros. De acuerdo a cómo gasta un organismo su energía determina, en gran parte, su habilidad para sobrevivir en el mundo, investigadores que estudian “bioenergética” están modelando el uso de energía en organismos para entender como las poblaciones crecen y evolucionan.
Investigadores en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) han elaborado un modelo de cómo la energía es gastada en los organismos más pequeños y más simples de la tierra, que van desde bacterias unicelulares a microbios multi-celulares. El modelo divide los posibles usos de energía de un organismo en dos amplias categorías: crecimiento y reproducción, y mantenimiento y reparación. Basados en el tamaño de un organismo dado, el modelo predice precisamente que fracción de la energía es gastada en cada categoría.
Los científicos dicen que esta información podría ser crucial para determinar como las poblaciones de bacterias y otros microbios crecen y se esparcen en los océanos y en el suelo. El modelo también le ayuda a los investigadores a interpretar cambios evolutivos mayores: Conforme los microbios evolucionen para volverse más complejos, lo más probable es que reharán el presupuesto de energía para soportar nueva maquinaria celular.
Los investigados publicaron sus resultados en la edición del 26 de diciembre de “Proceedings of the National Academy of Sciences” (Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias).
Mick Follows, coautor de la revista académica y un científico investigador en el Departamento de las Ciencias Terrestres, Atmosféricas y Planetarias del MIT, dice que todos los organismos, en algún punto, enfrentan la decisión de reparar o reproducirse, algunos invierten más energía en un proceso que en el otro.
“Puedes imaginarte que una estrategia vital para un organismo podría ser: ‘No voy a gastar nada en mantenimiento, solo voy a reproducirme tan rápidamente como sea posible y espero hacer tantas copias de mí que algunas de ellas lo lograrán,'” dice Follows. “Y la estrategia opuesta es, ‘Bueno, voy a invertir menos en reproducción, y realmente cuidarme y mantenerme en una buena condición y no morir si puedo evitarlo.'”
El estudiante graduado de Follows, Christopher Kempes desarrolló un modelo matemático que predice, ampliamente, cómo los microbios reparten la energía. Kempes creó ecuaciones que representan que tan rápido crece un microbio dado, así como la cantidad total de comida que un organismo puede convertir en energía. El equipo, junto con la científica investigadora Stephanie Dutkiewicz, compilaron los datos de otros investigadores que midieron el peso de varios microbios sobre su tiempo de vida, incluyendo bacterias unicelulares y pequeños camarones multi-celulares.
El equipo del MIT combinó los datos con sus ecuaciones, y encontró algunos patrones interesantes entre los microbios.
Para el microbio de los intestinos Escherichia coli (E. Coli), casi cada onza de energía se gasta en la reproducción. A través de su vida, una sola bacteria E. Coli crece y se divide continuamente, colonizando rápidamente un conducto estomacal o una placa de petri con millones de células simples. La ligeramente más compleja alga verde exime una trayectoria similar, reproduciéndose hasta el final antes de re-enfocar su energía hacia dentro, en procesos que mantienen la maquinaria celular. En Contraste, los pequeños crustáceos milimétricos están más auto-involucrados, gastando la mayoría de su vida manteniendo complejos componentes antes de gastar energía en reproducción.
La tendencia general, dice Follows, parece ser que mientras más grande y más complejo es un organismo, más energía gasta buscando mantenerse a sí mismo, o reparando estructuras internas. Los organismos más pequeño y simples se enfocan más en crecer y proliferar, contando en sus grandes números para incrementar sus posibilidades de supervivencia.
“Puedes darte una idea de como vas a partir de células muy sencillas que pueden crecer rápido,” dice Follows. “Conforme agregan maquinaria, invierten más en mantenimiento. Y entonces en cierto punto, la estrategia también se vuelve muy intensiva en términos de energía. Pero en ese punto, la multicelularidad te permite compartir energía y recursos con otras células.”
Estas tendencias, especula el equipo, podría reflejar los amplios cambios evolucionarios entre las procariotas (organismos que no tienen un núcleo u orgánulos pegados a las membranas) unicelulares como la E. coli, procariotas más complejas como las algas verdes, y organismos multi-celulares simples como los pequeños camarones. A través de su modelo, los investigadores pueden determinar el tamaño más pequeño de los organismos simples, basados en como usan su energía, así como el tamaño al cual los organismos evolucionan para volverse multi-celulares.
“Esas transiciones evolucionarias ocurren en nuestro modelo en etapas muy predecibles,” dice Kempes. “Esas transiciones permiten a los organismos volverse más grandes, y esa es la historia de como la vida se volvió tan compleja.”
Steven Allison, un profesor asistente de ecología y biología evolucionaria en la Universidad de California en Irvine, dice que el nuevo modelo del grupo puede ser usado para evaluar cómo todos los organismos, grandes y pequeños, gastan energía.
“La innovación clave aquí es que el uso de energía y recursos de los microbios puede cambiar a través de sus ciclos de vida,” dice Allison. “Estas diferencias no han sido apreciadas antes. Esto significa que podría ser posible predecir la tasa de crecimiento de la población basada en el tamaño de las células y su tipo.”
El equipo planea incorporar el modelo matemático para la energía de un solo organismo en modelos de poblaciones a gran escala. Follows dice que conociendo cómo un solo organismo reparte la energía podría ayudar a investigadores a modelar de manera más precisa cómo los microbios se dispersan a través de un entorno. Por ejemplo, si un científico construye un modelo para representar bacterias en el océano, la población podría verse muy diferente dependiendo de si el investigador programa las bacterias a gastar toda su energía en reproducción o en reparación.
“En cierto sentido, los modelos actuales de Fitoplancton (organismos con capacidad fotosintética que viven dispersos en el agua) en el océano no usan este tipo de información,” dice Follows. “Necesitamos mejorar esos modelos.”
Científicos están comenzando a decodificar la compleja biología involucrada en el proceso del envejecimiento. Los recientes avances en esto puede llevar a tratamientos que alenten o incluso contrarresten la degeneración y enfermedades.
Norman Sharpless, profesor de medicina y genética de la Universidad de Carolina del Norte dice: “Estamos viendo un cambio mayor, desarrollos muy importantes y verdaderos esfuerzos terapéuticos para tratar enfermedades relacionadas con la edad.”
“Es una época muy interesante en la investigación sobre el envejecimiento”. dijo Sharpless.
En octubre una investigación francesa, lidereada por Jean-Marc Lemaitre en el Instituto de Genómica Funcional, muestra que células en ancianos pueden ser rejuvenecidas como células madre, eliminando los rastros de la edad y por consiguiente rejuveneciéndolas.
A finales del 2010 un estudio estadounidense en Boston mostró que la edad puede revertirse en ratones que fueron tratados con telomerasa, una enzima producida naturalmente por el cuerpo y que protege las secuencias de ADN (telómeros) al final de cromosomas.
Un segundo estudio estadounidense en ratones modificados genéticamente mostró que al remover células senescentes, que dejan de renovarse y se incrementan con la edad, previenen o retrasan el envejecimiento.
Dan Perry, presidente de la Alianza para la Investigación sobre el Envejecimiento en Washington, dijo: “La esperanza no es extender el tiempo de vida, sino extender el tiempo de salud… para reducir el impacto de la diabetes, enfermedades cardiovasculares y el cancer”, permitiendo que las personas en sus años 70 y 80 disfruten de mejores años finales.
Científicos de la Escuela politécnica Federal de Zúrich (ETH), lograron provocar un “diálogo” entre una computadora y un grupo de células de levadura. Esta comunicación está basada en mensajes binarios y ofrece grandes posibilidades para usar la computadora como unidad de control de microorganismos genéticamente alterados.
En este “diálogo” la computadora tomó el control de la producción de proteínas de las células de levadura. Esta investigación la antecede un estudio realizado en el año 2002, donde las células de la levadura activaron su producción bajo el efecto de una luz roja y se desactivaron por el mismo tipo de luz, pero de mayor intensidad.
El resultado de esta investigación es un gran avance, por haber logrado crear una “molécula reportera” que permite la comunicación entre ambas partes y está basado en un ciclo de retroalimentación, donde el control lo toma la computadora y no las células.
Especialistas británicos evitaron un transplante de hígado a un bebé de 8 meses, gracias a una serie de inyecciones de células de hígado de un donante, que cumplieron la función de un “hígado provisional”, mientras el original recobraba sus funciones, después de haber sido afectado por un virus.
El tratamiento comenzó implantando en el abdomen del bebé las células del hígado del donante, una vez implantadas se trataron con un procedimiento químico, debido al cual procesaron las toxinas y produjeron las proteínas vitales para el organismo. A las dos semanas de empezado el tratamiento, el hígado del bebé inició la recuperación de sus funciones.
Por el éxito de este tratamiento, los médicos están investigando si esta técnica puede ayudar a otros pacientes con enfermedades agudas del hígado. En el Reino Unido, cada año mueren cerca de 100 personas por falta de donantes de este órgano.
Los circuitos biológicos sintéticos son muy complejos y sofisticados, y tienen la ventaja de poderse integrar con los procesos que ocurren en el interior de las células. En esta ocasión, investigadores han producido un modelo que puede matar un tipo específico de célula cancerosa.
Es preciso aclarar que los autores solamente estuvieron probando sus modelos en diferentes tipos de células cancerosas, mas nunca comprobaron si matarían a éstas sin dañar a las células normales. Además, no existe una idea muy clara aún de cómo llevar algo del ADN implicado en este sistema a las células de un cuerpo humano.
La idea fundamental es que los tipos de células se diferencían entre sí expresando distintas combinaciones de genes y ARN regulador. Si nos fijamos en cada ARN dentro de cada una de estas células, podemos notar patrones consistentes que nos permitirán distinguirlas entre sí. Se puede pensar en ello como que cada célula tiene una huella dactilar de ARN.
Esto no es una cura contra el cáncer, aún existen dudas sobre la identificación de células cancerosas con estos modelos. Sin embargo, nos dice mucho sobre los circuitos biológicos sintéticos. Es posible tomar el equivalente biológico de un circuito binario e integrarlo en la maquinaria celular normal, ajustando una salida al estado bioquímico de la célula. Y hay todo tipo de usos potenciales para ello.
Será necesario llevar a cabo aún más investigaciones para poder llevar este principio a la cura del cáncer.
