La vida interior de una célula

Les dejo aquí, este excelente video de la Universidad de Harvard. No sólo esta muy bien hecho, sino que esta muy actualizado y nos muestra a las células como un universo muy complejo, lleno de armonía y belleza.

La traducción es propia, así que disculpen los errores.

Espero que les guste tanto como a mí.

Lionel Valenzuela Pérez

Pd: Les recomiendo el artículo del día de hoy del diario La Nación, sobre el descubrimiento de un gen regulatorio maestro, por investigadores argentinos. Excelente trabajo de la periodista Nora Bar. Les dejo el link:

http://www.lanacion.com.ar/EdicionImpresa/cienciasalud/nota.asp?nota_id=954587&pid=3369274&toi=5283

Alí Babá y los 40 camellos

Por Lionel Valenzuela Perez

¡Estudiantes aburridos, toman por asalto el laboratorio!

Tan fantásticos como los relatos de las mil y una noches, podrían ser las historias que rodean a algunos descubrimientos científicos. Quien imaginaría que la nave del desierto, el camello, guardaría un importante secreto en su sangre. Un descubrimiento que podría revolucionar el tratamiento de decenas de enfermedades.

Esta historia, comienza en los años ochenta cuando Raymond Hammers, inmunólogo, en ese momento en la Universidad libre de Bruselas, trata de resolver un problema. Dos de sus alumnos, estudiantes de grado, se han quejado que los trabajos prácticos, son aburridos y sus resultados muy predecibles. Preocupado, comenzó a buscar en las heladeras del laboratorio, tal vez podría encontrar algo exótico con lo que entretener a sus alumnos. Encontró medio litro de sangre de camello destinada a la investigación en la enfermedad del sueño. Decidió separar un poco para sus alumnos y proponerles, poner a prueba un protocolo para separar anticuerpos de camello. ¿Serian capaces de lograrlo?

El resultado fue sorprendente y dejó a todos confundidos, algo nuevo había en la sangre de estos extraños animales.

De esta forma completamente inesperada, como frotando la lámpara de Aladino, encontraron que en la sangre de camello, además de los anticuerpos normales presentes en la sangre de todos los vertebrados, los camellos poseían, un nuevo tipo de anticuerpos, mucho mas pequeños, resistentes a los cambios de pH y de temperatura.

Un estudio mas detallado de estos anticuerpos revelo, que estaban formados por dímeros de cadenas pesadas (H), sin cadenas ligeras (L). A su vez las cadenas H carecían del dominio CH1 (esta pérdida resulta de una alteración del splicing del exón que codifica el dominio CH1 que impide su trascripción al ARNm y no de una supresión en el gen correspondiente), siendo por lo tanto mas pequeñas que las cadenas H convencionales. Este tipo de anticuerpos paso a denominarse IgGH

Quimioterapia sin efectos adversos

Todos conocen, los terribles efectos de la quimioterapia en enfermos de cáncer. Nauseas, pérdida de cabello, vómitos, anemia, fatiga, entre otros. El principal objetivo en la lucha contra el cáncer es eliminar las células tumorales, para esto se utilizan compuestos fuertemente tóxicos, pero que desafortunadamente, también son afectan al resto de las células del cuerpo, especialmente los epitelios y células de rápida división celular, como las células de la medula ósea, precursoras de las células sanguíneas. Por esta razón los investigadores han tratado de desarrollar terapias mas especificas que respeten las células sanas del organismo.

Ciencia básica, ciencia aplicada

Desde el descubrimiento por Cesar Milstein y Georges J.F. Köhler de los anticuerpos monoclonales (anticuerpos que se unen específicamente a un solo antígeno), se han diseñado diversas estrategias para utilizarlos como misiles “inteligentes” para llevar hasta las células tumorales, compuestos que las destruyan, como toxinas, radioisótopos o moléculas, capaces de liberar radicales libres (deletéreos para las células) al ser iluminados con un láser. Lograríamos de esta forma destruir en forma selectiva las células cancerígenas, sin afectar a las células normales.

Actualmente existen diez medicamentos, basados en anticuerpos. Pero tienen algunos problemas y pueden ser mejorados. Una de las dificultades es su gran tamaño que impide a los anticuerpos penetrar en el tumor, y ejercer su efecto deletéreo sobre el tumor. Otro de los problemas es que son moléculas muy complejas, lo cual dificulta enormemente su producción a gran escala con los métodos actuales.

Los anticuerpos de camello son mucho más pequeños y su estructura es más simple, ya que como antes dijimos, carecen de las cadenas livianas. Por lo tanto son más fáciles de producir en diferentes sistemas, por ejemplo en Escherichia coli o en levaduras. Esto permitirá que su producción sea mucho más económica. Otra gran ventaja es su extraordinaria similitud con las secuencias humanas lo que los hace muy poco antigénicos (no habría problemas de rechazo). Dadas todas estas ventajas numerosos laboratorios se han dedicado a su investigación y desarrollo, conjuntamente con empresas que han aportado el capital necesario.

¡Cuanto más pequeños mejor!

La empresa Ablynx, fue creada específicamente para desarrollar nuevos productos a partir de las posibilidades que brindan los anticuerpos de camello.

Uno de sus primeros objetivos fue desarrollar la tecnología para reducir aún más el tamaño de los anticuerpos, dejando solamente, de la cadena pesada, la región responsable de la unión al antígeno, llamada región variable. Es así, que se diseñaron los nanoanticuerpos, de un décimo del tamaño de un anticuerpo normal. Estas proteínas terapéuticas derivadas de los anticuerpos son muy estables y solubles. Debido a su pequeño tamaño pueden inhibir enzimas uniéndose a los sitios activos o unirse a receptores.

Los nanoanticuerpos tendrían grandes ventajas, en sus aplicaciones practicas sobre las terapias actuales basadas, en anticuerpos normales ya sean humanos, murinos (de ratón) o humanizados (de ratón manipulados genéticamente para ser similares a los humanos y así evitar reacciones inmunes). En estas terapias, los anticuerpos deben ser inyectados, en cambio los nanoanticuerpos, podrían ser administrados por vía oral, debido a su solubilidad y resistencia al ph acido y a las proteasas del estomago. Luego podrían ser absorbidos por vía intestinal y penetrar al torrente sanguíneo.

Los resultados iniciales logrados con los nanoanticuerpos son muy prometedores. Ablynx, ya ha obtenido varias patentes y se encuentran varios de sus productos en distintas fases de investigación

¿Sr. Almacenero, tiene usted algo para el alzheimer?

-Señora, tiene usted cáncer –dijo el medico, sin emoción- pero no se preocupe, cruce enfrente y cómprese un yogur de frambuesa, ese tiene los anticuerpos que usted necesita…

Parece increíble no, pero tal vez no estemos tan lejos de esta idea anticipatoria.

Al menos eso es lo que sugiere, Luís Ángel Fernández Herrero, Dr. en Biología Molecular de un grupo de investigación que estudia la secreción de proteínas y expresión de anticuerpos en Escherichia coli, una bacteria muy utilizada en biotecnología.

Este grupo de investigadores ha centrado su atención en la secreción por parte de la bacteria de anticuerpos recombinantes. Como los anticuerpos son muy específicos podrían utilizarse contra diversas patologías. El investigador puntualiza dos alternativas, la primera seria utilizar los anticuerpos solos, producirlos en grandes cantidades, purificarlos y luego administrarlos a los pacientes. La segunda alternativa, seria tomar un prebiótico (como el yogur o la leche fermentada), que contuviera bacterias no patógenas, productoras de anticuerpos. Estas bacterias producirían anticuerpos que podrían actuar localmente o alcanzar el torrente sanguíneo, combatiendo ciertas enfermedades.

Esta línea de investigación, se ha visto potenciada, por el descubrimiento de los anticuerpos de camello, que como ya hemos visto son mas pequeños, sencillos y estables. Todo esto facilita enormemente su producción y secreción por las bacterias.

Los camélidos, máquinas de supervivencia que protegen muy bien a sus crías

Los camellos, son animales que poseen una fisiología única, adaptados a climas muy inhóspitos, poseen además un sistema inmunológico muy robusto, resistente a las infecciones virales. Por ejemplo, son inmunes al virus de la aftosa que afecta a otros mamíferos.

Los camélidos sudamericanos, alpaca, llama, guanaco y vicuña, también poseen estos anticuerpos. Se ha demostrado la presencia tanto de IgG como de IgGH en la sangre y en la leche. Lo que abre interesantes perspectivas de investigación y aplicación, desarrollando nuevos productos.

Es muy importante destacar que la transmisión de las inmunoglobulinas de madre a hijo se produce en la llama y en la alpaca fundamentalmente a través de la absorción del calostro neonatal (inmunidad neonatal). Los anticuerpos presentes en el calostro y en la leche de los camélidos son las IgG. En cambio los mamíferos que transfieren las IgG a través de la placenta, poseen IgA secretoria en la leche y el calostro. Esta IgA posee efectos protectores a nivel del tracto gastrointestinal, sin penetrar en la circulación. En los mamíferos que suministran IgG con el calostro, estas tienen el doble efecto de proteger el tracto gastrointestinal y de penetrar en la circulación sanguínea.

La leche de las camellas también, posee otras importantes características, rica en vitamina B, vit.C, rica en calcio y con diez veces mas hierro que la leche de vaca, es además capaz de revertir cuadros de intolerancia a la lactosa y alergias. Carece de beta-lacto globulina (una de las proteínas de la leche) y la caseína que posee es diferente a la de la vaca. Esto hace que sea menos alergénica. Varios países de medio oriente y de África, comercializan este tipo de leche con grandes ventajas. Sin embargo existen algunas dificultades, como la falta de un método para conservarla en envases por largos periodos, ya que esta leche no es compatible con el proceso de ultra alta temperatura (UAT).

Tal vez no este muy lejano el momento donde se comercialice en todo el mundo leche de camella, rica en anticuerpos (que no solo protegerán nuestro tracto gastrointestinal de infecciones virales o bacterianas, sino que penetraran en la circulación sanguínea y llegaran a todos los tejidos) que ayuden a tratar o prevenir, infecciones, alergias, artritis remautoidea, cáncer o alzheimer.

¿Dr. House o no Dr. House?

Por Lionel Valenzuela Perez

Preguntas con respuestas

A veces, nuestros alumnos, nos preguntan:

- ¿Es necesario saber bioquímica para ser medico o biólogo?

- ¿De que le sirve a un médico conocer las vías metabólicas?

Una respuesta posible, podría ser:

- Si, absolutamente, para salvar la vida de tus pacientes y no enviar a sus padres a la cárcel, siendo estos completamente inocentes.

¿Pero que tipo de respuesta es esta?

Solo una de las tantas posibles.

Un error de diagnóstico

En 1989 Patricia Stalling lleva a su hijo de 3 meses, Ryan, a la sala de emergencia del hospital para niños Cardinal Glennon de St. Louis. El niño presenta, un cuadro muy grave, dificultades para respirar, vómitos incontrolables y problemas gástricos. El médico tratante, un toxicólogo, examina al niño y llega a la conclusión de que sus síntomas son producto de un envenenamiento con etilenglicol (un aditivo anticongelante muy común). Estas sospechas fueron confirmadas por el laboratorio del hospital y por un laboratorio privado, en forma independiente.

Luego de su recuperación, el niño fue enviado a una familia de custodia temporal. A los padres se les permitía visitas supervisadas. En una de esas visitas, los padres estuvieron un momento a solas con el bebe, y luego de esto el niño se descompenso y murió.

Los padres fueron acusados de homicidio en primer grado. Los primeros análisis de la sangre del niño mostraron la presencia de grandes cantidades de etilenglicol y trazas en la mamadera con la que la madre había alimentado a su hijo durante la visita.

Ya en prisión Patricia Stalling, se dio cuenta que estaba embarazada. Ella y su esposo habían hecho un gran experimento. En febrero de 1990 nació su segundo hijo David Stalling que fue puesto en custodia, con una familia sustituta. Pero a las pocas semanas mostró los mismos síntomas que su hermano fallecido. El diagnostico fue acidemia metil malónica. Una enfermedad que tiene los mismos síntomas que la intoxicación por etilenglicol. A pesar de esto la fiscalía rechazo los nuevos argumentos de la defensa y la madre fue condenada, ya que se consideraba probado por los análisis de sangre y de la mamadera el envenenamiento con etilenglicol.

Parecia un caso cerrado, pero...

¿Qué es la acidemia metil malónica?

Es un error congénito del metabolismo. Son enfermedades que se originan al producirse una mutación en un gen que altera la constitución genética de una persona, desorganizando sus funciones normales, llevando a una alteración fisiológica que origina los siguientes problemas:

1. No síntesis de un compuesto esencial para el organismo.

2. Acumulación de compuestos intermediarios tóxicos para el SNC.

3. Acumulación de compuestos que producen daño a la célula que la produce.

4. Estimulación de vías alternas con producción de sustancias no deseadas.

En una descripción mas detallada, la acidemia metil malónica (se encuentra acido metil malónico en sangre), es una enfermedad hereditaria, autosomal recesiva, provocada por un defecto en la enzima metil malonil CoA mutasa (MCM). Esta enzima es necesaria para el metabolismo de ciertos aminoácidos (isoleucina, valina, threonina y metionina), colesterol y ciertos ácidos grasos. Cuando las proteínas son degradadas, estos aminoácidos pueden ser convertidos en metilmalonil CoA, que gracias a la MCM puede transformarse en succinil CoA un intermediario del Ciclo de Krebs. Así estos aminoácidos entran en las vías que pueden suplir de energía a la célula. Cuando la MCM esta mutada, el malonil CoA no puede ser convertido en succinil CoA y se acumula en sangre y orina, como acido metil malónico. Provocando ataques, parálisis, daño en los riñones y en el hígado, problemas de crecimiento, retraso mental y en última instancia la muerte. La enfermedad se da en uno sobre 48000 nacimientos aproximadamente, en sus distintas formas. Desde 1985 existe un tratamiento (con L-carnitina y metronidazol), que permite a los niños que sobreviven a los primeros ataques, sobrellevar una vida relativamente normal.

¿La televisión salva vidas?

Luego de escuchar sobre el caso de la señora Stalling, en un show televisivo, William Slay, jefe del departamento de biología Molecular y James Shoemaker jefe del laboratorio de estudios metabólicos de la universidad de St. Louis, comenzaron a investigar este caso. Junto a ellos trabajo Piero Rinaldo un experto en enfermedades metabólicas de la escuela de medicina de la universidad de Yale.

Como primer paso decidieron analizar la sangre de Ryan. Encontraron grandes cantidades de acido metil malónico y nada de etilenglicol, el veneno supuestamente utilizado. También hallaron enormes concentraciones de cuerpos cetónicos y acido metil malónico en la orina, algo completamente acorde con la aciduria metilmalónica.

La mamadera no pudo ser testeada porque desapareció en forma misteriosa.

Estos resultados no coincidían con los análisis previamente realizados. Una investigación más profunda revelo, que el laboratorio del hospital, no respeto sus propios protocolos. Ya que el perfil de muestras de la sangre de Ryan no coincidía con las muestras patrón con etilenglicol utilizadas por el hospital. A pesar de eso el laboratorio del hospital sostuvo que había encontrado etilenglicol en la sangre del paciente. Por otra parte el laboratorio privado, detecto una molécula inusual en la sangre de Ryan, pero no la identificaron correctamente, confundieron el pico de la detección del acido metilmalónico, en el HPLC (Cromatografía Liquida de Alta Eficiencia), asumiendo que era etilenglicol. También se determino que aunque no habían encontrado nada inusual en las muestras de la mamadera sostuvieron la presencia de etilenglicol.

Luego de estos hallazgos, Patricia Stalling, fue absuelta de todos los cargos.

Esta es una dramática demostración de que un diagnostico adecuado puede salvar a los pacientes que sufren enfermedades metabólicas poco comunes. Un conocimiento apropiado de las vías metabólicas y de los errores congénitos del metabolismo, es necesarios para un diagnostico y manejo, correcto e inmediato.

¿Que es la detección metabólica del recién nacido?

Son exámenes de laboratorio para detectar enfermedades innatas con alteraciones en los procesos bioquímicos o congénitos.

La experiencia mundial ha demostrado que el 20-30% de los casos de mortalidad Pediátrica hospitalaria, tiene como base una enfermedad genética.

Debe realizarse una evaluación a los bebes de los 2 a 8 días de nacidos. Hasta los 6 meses de edad. Hay que tener en cuenta que los bebes que sufren estas enfermedades usualmente aparecen completamente normales e inicialmente no presentan sintomas. De alli, la importancia de realizar estos estudios y de seguir mejorando el tratamiento y deteccion temprana de las enfermedades metabólicas.

¿Fotosíntesis sin luz?

Por Lionel Valenzuela Pérez

El primer descubrimiento

La exploración de los fondos abisales del mar desde los 200 metros de profundidad hasta las grandes llanuras a 4.000-6.000 metros de profundidad ha revelado miles de nuevas especies. A estas profundidades donde no llega la luz, las presiones son enormes y el agua solo llega a los 2ºC se pensaba que la fauna estaría formada casi exclusivamente por animales carroñeros y bacterias heterótrofas.

Luego hace treinta años, se descubrían los respiraderos hidrotermales (también llamadas fumarolas océanicas). Un ecosistema completamente nuevo que no dependía para su supervivencia de la luz solar. Alrededor de estos respiraderos hidrotermales o fumarolas (por donde surgen corrientes de agua de hasta 400ºC, muy ricas en minerales), florecía una comunidad con una gran variedad de especies (mas de 300 especies distintas han sido descubiertas hasta la fecha). Este ecosistema depende de bacterias y arqueas, quimioautótrofas. Realizan un proceso llamado quimiosíntesis, donde moléculas como el sulfuro de hidrogeno le sirven como fuente de energía para reducir el CO2 y sintetizar biomoléculas.

Estas bacterias son la principal fuente de alimentación de todos los demás organismos circundantes. Algunos de los organismos presentes en las hendiduras oceánicas se alimentan de bacterias para absorber energía, pero hay también gusanos tubícolas, que se alimentan de manera menos convencional. No tienen intestinos ni sistema digestivo pero en sus tejidos se incrustan miles de millones de bacterias vivas (cada gramo de gusano contiene 10 mil millones de bacterias) que satisfacen sus necesidades metabólicas. A su vez, los gusanos aporta a esas colonias bacterianas todo el sulfuro de hidrógeno que necesitan.

Sin embargo este podría no ser el único tipo de autótrofo del ecosistema. Recientemente, se ha descubierto que además de estas bacterias y arqueas quimioautótrofas, existen bacterias fotosintéticas que aprovechan la radiación infrarroja, emanada de los respiraderos hidrotermales.

Luz en las profundidades

Todo cuerpo con una temperatura por encima del cero absoluto emite radiación electromagnética, como los rayos infrarrojos, que son invisible a nuestros ojos. A medida que un cuerpo se calienta, comienza a emitir mas radiación y de longitud de onda más corta. Esto puede verse con un filamento de metal calentado, que al aumentar su temperatura va poniéndose rojo, luego naranja y finalmente blanco, emitiendo luz visible.

Las vertientes hidrotermales al estar a mayor temperatura que las frías aguas circundantes, emiten radiación infrarroja que ciertas bacterias y animales podrían detectar y aprovechar.

Durante los primeros años que siguieron al descubrimiento de los respiraderos, no se descubrió que la radiación infrarroja tuviera alguna función biológica. Luego aparecieron pruebas de que ciertos camarones y cangrejos ciegos, poseen pigmentos que no permiten ver imágenes pero si sirve para detectar, cantidades de luz extremadamente tenues, tal vez para evitar acercarse o alejarse demasiado de las vertientes hidrotermales. Unica fuente de nutrientes del desolado fondo marino.

Los investigadores, ante este descubrimiento se preguntaron inmediatamente, si esta luz tan tenue, cercana al rojo, podría mantener algún tipo de organismo fotosintético. Parecía una suposición descabellada: ¡fotosíntesis en los abismos marinos! Pero esta suposición tenía sus fundamentos ya que poco tiempo antes se habían encontrado bacteria verdes del azufre que viven en aguas pobres en oxigeno y hacían fotosíntesis en aguas profundas y prácticamente desprovistas de luz en el Mar Negro.

Las bacterias verdes del azufre campeonas de la fotosíntesis

Estas bacterias del Mar Negro poseen bacterioclorofila y pueden hacer fotosíntesis a más de 100 metros de profundidad (donde la luz llega extremadamente filtrada) y reina la oscuridad. En esta situación una molécula de bacterioclorofila, captura un fotón cada ocho horas, por lo tanto estas bacterias deben hacer acopio de la luz en forma extremadamente eficaz. Además es la única forma en que pueden sobrevivir ya que no poseen un metabolismo alternativo (otras bacterias pueden hacer fermentación y si las condiciones lo permiten pueden hacer fotosíntesis, para acelerar su crecimiento), pero este no es el caso de las bacterias verdes del azufre, dependen exclusivamente de la fotosíntesis.

Por lo tanto el mejor candidato para encontrar una bacteria fotosintética, en las condiciones extremas y sin luz solar de los respiraderos hidrotermales son las bacterias verdes del azufre o alguna bacteria relacionada con ellas.

¡Eureka!

Es así que el grupo liderado por Robert Blankenship, un experto en fotosíntesis de la Universidad del Estado de Arizona , tuvo que convencer al departamento de Astrobiología de la NASA de buscar bacterias fotosintéticas a miles de metros de profundidad en la oscuridad mas absoluta. Las intensidades de luz medidas en los respiraderos hidrotermales son de cien a un millón de veces más tenues que las medidas en el Mar Negro. Pero contra todos los pronósticos, los investigadores descubrieron una nueva especie de bacteria fotosintética, en las muestras tomadas en los respiraderos hidrotermales frente a las costas de Costa Rica, en el océano Pacifico.

¿Que son los clorosomas?

¿Como es posible que las bacterias puedan hacer fotosíntesis con intensidades lumínicas tan bajas, provenientes de la radiación geotérmica de las fumarolas?

La respuesta esta en los clorosomas, vesículas oblongas situadas por debajo de la membrana citoplásmica, que contienen los pigmentos antena de las bacterias fotosintéticas verdes. Se disponen por debajo de la membrana citoplásmica, sin estar en continuidad con ella, aunque en muchos casos aparecen conectadas a través de un pedúnculo de naturaleza no lipídica.

Estos clorosomas encauzan los fotones atrapados hacia la maquinaria biosintética necesaria para transformar la energía lumínica en energía química, y así poder sintetizar biomoléculas.

Conclusiones y futuros trabajos

Resta aun identificar, a esta nueva especie de bacteria verde del azufre, para ello será necesario mejorar los métodos de identificación (por ejemplo identificación de los pigmentos fotosintéticos), cultivo y secuenciación por la técnica de PCR de los ácidos nucleicos, encontrados en las muestras de las aguas hidrotermales.

Desde una perspectiva histórica podemos ver como estos trabajos han cambiado la visión que teníamos de la vida sobre la tierra. Ahora podemos encontrar ecosistemas independientes de la luz solar, bacterias que viven en el suelo a miles de metros de profundidad o en aguas termales, en cristales de sal en las minas o en lagos congelados en la Antártida. Los seres vivos son extremadamente resistentes y adaptables, esa es una lección que hemos aprendido.

Estos descubrimientos, no solo han mejorado nuestra comprensión sobre la vida en nuestro planeta, sino que han ampliado los hábitats donde podría haber vida extraterrestre, desde los fríos desiertos de Marte, a los océanos subterráneos de Europa (una de las lunas de Júpiter) hasta las nubes de metano de Titán (una de las lunas de Saturno), podrían ser todos buenos candidatos para descubrir que hay vida mas allá de nuestro planeta.