Microlithopanspermia de película

"Y diseminados por todas partes: algunos en sus máquinas de guerra derribadas; otros en las máquinas de trabajo, ahora inmóviles, y una docena de ellos tendidos en una hilera silenciosa, se hallaban los marcianos..., ¡todos muertos! Destruidos por las bacterias de la corrupción y la enfermedad, contra las cuales no tenían defensas; destruidos,  como le estaba ocurriendo a la hierba roja; derrotados — después que fallaron  todos los inventos del hombre — por los seres más humildes que Dios, en su sabiduría, ha puesto sobre la Tierra."

Así rezaba la clásica novela "La guerra de los mundos" de H. G. Wells al final de sus páginas cuando la invasión marciana era derrotada por nuestros microorganismos terrestres. La humanidad se salvaba pues gracias a estos particulares y diminutos seres que colonizan nuestro planeta. 

Interesantes las capacidades de estos organismos en la ficción y extraordinarias en la realidad. 

Marciano de la película "La guerra de los mundos" (1953)

Quizá unos de nuestros héroes hoy en día sean los microorganismos extremófilos, con sus extraordinarias aptitudes ante condiciones extremas ofreciendo resistencia hacia  radiación UV, rayos X, viento solar, choques térmicos... Con estas características no es extraño preguntarse si estos organismos, con sus muchas defensas ante condiciones de vacío interestelar, podrían surgir originariamente del espacio o navegar por él para colonizar otros planetas. Es aquí cuando entramos en la eterna discusión del origen de la vida con la famosa teoría de la Panspermia (Arrhenius, 1903). Si bien, esta teoría ya propuesta desde hace bastantes años, consta de tres pasos fundamentales para que la vida sea sembrada por el espacio aunque no soluciona el origen en sí:

     1. Debe producirse una expulsión de masa contaminada biológicamente de un planeta hacia el espacio,  normalmente producida por un gran impacto. 

     2. Esta masa contaminada pasaría a llamarse meteoroide, en este caso procedente de un planeta, que viajaría por el espacio cargado con sus pequeños tripulantes. Existiría la posibilidad de que un meteorito pasara por la órbita baja de la Tierra obteniendo microorganismos de las capas superiores de la atmósfera y actuando como transporte. A este proceso se le denominaría Lithopanspermia (Nicholson, 2009).

     3. Por último, la conversión de meteoroide a meteorito, cuando dicho cuerpo aterrizaría en el planeta destino evitando si fuera posible una deposición destructiva del material biológico que transporta.

Se han realizado numerosos experimentos para corroborar los distintos pasos descritos como revela un estudio realizado por el Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho (Brasil). Los protagonistas de dichos experimentos no podían ser otros que los extremófilos. Así por ejemplo, para defender la veracidad del primer paso (recordemos, duro impacto), las esporas de Bacillus subtilis, células vegetativas de la cianobacteria Chroococcidiopsis sp y ascocarpos de líquenes como Xanthoria elegans fueron sometidos a fuertes choques con rangos fluctuantes de 5 a 40 GPa, lo que podría resumirse a unas 395ooo veces nuestra presión terrestre y ¡resistieron!

El segundo paso plantea la posibilidad de supervivencia a lo largo del viaje espacial donde nuestros extremófilos deberían hacer frente a las altas dosis de radiación. Defendiendo este punto de la Panspermia, tendríamos a Deinococcus radiodurans y Bacillus sp., capaces de mantener una población mínima en el interior de un meteoroide de al menos 33 cm de diámetro y soportando un viaje interplanetario Marte-Tierra de alrededor de 1 millón de años. 

Para corroborar un tercer y definitivo paso (la re-entrada del meteorito en el planeta destino), se expuso Chroococcidiopsis sp., al experimento STONE de la ESA, encargado de estudiar el comportamiento de esta cianobacteria dentro de un meteorito durante la re-entrada. En este caso, la cianobacteria se inoculó en una muestra de roca gneis simulando la parte externa de un meteorito. Chroococcidiopsis sp.  resistió la re-entrada hasta que se produjo un calentamiento extremo a los 5 mm de profundidad en el meteorito.

Ejemplo de simulación de meteorito después de aterrizaje.
Fuente INTA 

Sin duda, estos experimentos ponen de manifiesto la posibilidad de que la lithopanspermia, en este estudio llamada Microlithopanspermia, podría producirse no ya en nuestro sistema planetario si no en otros muchos.

Más información: Probing the limits of extremophilic life in extraterrestrial environment‐simulated experiments

Esta entrada participa en la XIX Edición del Carnaval de Biología, organizado por La Fila De Atrás (@MyrRB)

La invasión de los microarrays de anticuerpos

Ya sabemos de la existencia de numerosas especies de microorganismos extremófilos, adaptadas a las más variopintas condiciones desde temperaturas por encima de los 80ºC hasta la alta resistencia que presentan algunas a los rayos cósmicos. Sin embargo, seguimos investigando nuevos ecosistemas en las condiciones más extremas posibles sobre la superficie terrestre. Condiciones que en cierta manera nos puedan recordar a las de otros planetas como Marte. Y para ello, se hace más que necesario el desarrollo de tecnologías para el análisis in situ de muestras ambientales que, de momento, se aplican en los casos extremos terrestres como prueba, pero que en un futuro, serán parte de la instrumentación para la exploración planetaria.

Recientemente, investigadores del Centro de Astrobiología (CAB, INTA-CSIC, España) y la Universidad Católica del Norte (Chile) han descubierto microorganismos a dos metros de profundidad en el desierto más árido de la Tierra, el desierto de Atacama. Entre los microbios encontrados se encuentran microorganismos de los dominios Arquea y Bacteria poblando sustratos hipersalinos de halita con componentes higroscópicos (anhidrita y perclorato).  Estos componentes  permiten absorber el vapor de agua, condensándolo sobre la halita, además de disminuir el punto de congelación (hasta -20ºC incluso) debido a la alta concentración de sales, como afirma uno de los investigadores del proyecto. De esta forma, los microorganismos hallados disponen de agua y nutrientes a la profundidad de 2-3 metros, nada distinto de los organismos extremófilos ya descubiertos siempre que descartemos que este "oasis microbiano" no requiere luz solar ni oxígeno.

Microorganismos en crecimiento bajo el desierto de Atacama (Chile). Fuente: CAB, INTA/CSIC

Los microorganismos han sido descubiertos gracias a SOLID (Signs Of LIfe Detector), instrumento destinado para detectar vida en la exploración planetaria, desarrollado por el Centro de Astrobiología (CAB). Existen actualmente dos prototipos: SOLID2 (15 kg) y SOLID3 (6,5 kg), ambos destinados a zonas como Río Tinto (Huelva), la Antártida o el desierto de Atacama en Chile. Estos instrumentos poseen 18 módulos cada uno dotado con un LDChip (Life Detector Chip) que, con más de 300 anticuerpos específicos diferentes (en el caso de SOLID3, LDChip400), son capaces de detectar  moléculas resultantes de la actividad biológica de microorganismos. A grandes rasgos, SOLID extrae la materia orgánica de la muestra ambiental (ya sea líquida o sólida), la pone en contacto con los anticuerpos y toma nota de los resultados mediante una imagen.

SOLID2, instrumento de exploración planetaria,
con capacidad de analizar in situ hasta 18 muestras independientes simultáneamente.
Fuente: CAB.

La tecnología de estos biochips está basada en microarrays de anticuerpos. Pero, ¿qué es un microarray? ¿Qué relación tiene con la bioafinidad descrita?

Microarray de ADN.

El microarray de ADN común, permite fijar a una superficie sólida (vidrio, nitrocelulosa, nylon, etc.) genotecas completas o fragmentos de ADN en áreas muy reducidas de trabajo. Pues bien, el microarray de ADN se representa en un pequeña gradilla con un número de fragmentos de genoma de una especie determinada, digamos 1000 por ejemplo igual al número de pocillos de la gradilla. Cada pocillo de esos 1000 contendrá decenas de miles de moléculas iguales de un trozo de genoma de ADN. Este microarray tiene como finalidad indicar qué genes se expresan cuando se someten a dos condiciones ambientales distintas. El color amarillo aparece cuando los genes del pocillo se expresan por igual en las dos condiciones ambientales; y los colores verde o rojo representan el funcionamiento del gen en una u otra condición. Así podemos identificar la resistencia a condiciones extremas como aridez, altas temperaturas, radiación, etc, cuando los genes funcionan correctamente en estas condiciones de estrés.


Cuando las aplicaciones de esta técnica se destinan a instrumentación y detección basada en especificidad anticuerpo-antígeno, podemos hablar de Microarray de anticuerpos, ligeramente distintos a los normales, y de los que hace uso SOLID.

Microarray de 200 anticuerpos distintos. Fuente: CAB.

En cada celdilla se pueden encontrar hasta un millón de moléculas del anticuerpo destinado a esa celda.  Tras someter las muestras a los anticuerpos, nos queda una imagen como la superior, donde los puntos rojos indican que el antígeno está presente en la muestra ambiental. A partir de estos datos, se obtiene información sobre cómo pueden preservarse las moléculas de los microorganismos en dichas condiciones, la cantidad de moléculas dependiendo de la intensidad con la que se exprese el color rojo, etc.

La identificación mediante unión antígeno-anticuerpo funciona como un complejo llave-cerradura respectivamente (igual que el modelo biológico). Cada anticuerpo reconoce y se acopla a un solo antígeno de forma específica. No olvidemos que el anticuerpo surge como respuesta a un antígeno, sin el cual no podría haber sido creado. Los anticuerpos en este caso están formados por péptidos y proteínas y los antígenos o analitos por proteínas, polisacáridos, ADN, especies microbianas incluso, etc. Cuando hablamos de un biosensor basado en anticuerpos y antígenos (bioafinidad) nos referimos a un Inmunosensor.

Inmunosensor. Los antígenos se unen al anticuerpo por relación de especificidad y se activa la señal, en el caso de microarray de anticuerpos, coloración roja. 

Y por lo tanto, aquí tenemos al proyecto SOLID, tripulado por los microarrays de anticuerpos en su futura aventura por la exploración espacial, en búsqueda de biomoléculas que nos confirmen la existencia de vida, loable tarea teniendo en cuenta sus otras muchas aplicaciones.


Referencias:
http://cab.inta-csic.es/index.php?lng=es

NOTA: Esta entrada participa en la X Edición del Carnaval de Biología alojado en el blog Scientia .

Quorum Sensing y la bioluminiscencia

El comportamiento de la naturaleza está determinado por acciones grupales. Está claro que en todos los niveles de la cadena trófica el comportamiento colectivo ayuda a la supervivencia del grupo y da mayores posibilidades de éxito a la especie.
 Desde las colonias de hormigas que construyen balsas para cruzar ríos amazónicos en épocas de inundación, hasta las acacias que emiten etileno por los poros de sus hojas cuando son mordisqueadas por antílopes, "alertando" al resto de la población que incrementa sus niveles de taninos en las hojas de forma letal para los depredadores. 
Si exploramos otros dominios como Bacteria, la participación de un grupo de bacterias en una determinada actividad es un poco más intrigante.


Cuando hablamos de cierto comportamiento colectivo en una colonia de bacterias, nos referimos al término Quorum Sensing (QS), en el que se produce un intercambio de señales químicas entre bacterias. Podemos entender el QS pues como un tipo de "lenguaje" entre bacterias mediado, en lugar de por palabras, por moléculas señalizadoras. 
El tipo de moléculas es específico de cada especie, por lo que en una biopelícula (comunidad con varias especies) por ejemplo,  no todas las bacterias colaborarán en la labor que se quiere llevar a cabo. 

Calamar Euprymna scolopes y
Vibrio fischeri.

Este comportamiento supone una gran ventaja para la bacteria pudiendo controlar la acción en conjunto de la colonia, como infecciones y enfermedades. Por ello,  lograr el control de la expresión de ciertos genes supone un importante avance en el control de enfermedades.
Un ejemplo de QS lo tenemos en Vibrio fischeri. Esta bacteria marina puede encontrarse en estado planctónico (no hay luminiscencia) o en simbiosis con ciertos peces o calamares luminiscentes. Esta asociación es la que les proporciona la bioluminiscencia, que en ocasiones es utilizada como camuflaje con la luz de luna (en calamares) y lo que es más común, como reclamo para la presa. A la investigación sobre la regulación de la luminiscencia de esta bacteria le debemos el descubrimiento del Quorum Sensing. Las moléculas responsables de dicha regulación son las N-acil-homoserina lactonas (AHL o Acil-HSL).
El mecanismo molecular de regulación consiste básicamente en la detección, síntesis y acumulación de AHL. La AHL es producida por la proteína LuxI de una bacteria y reconocida por la proteína LuxR. Si la densidad celular es elevada, la señal no se perderá y se acumulará en los alrededores de las bacterias. Las AHLs, por tanto, acumuladas en el medio exterior, también se acumularán en el interior de la célula, interaccionando con la proteína LuxR dada la mayor cantidad.

Ejemplo de la acumulación de Acil-HSL en el interior de la célula cuando la densidad celular es elevada y la unión de HSL  a la zona lux box de la secuencia de ADN.

Cuando la señal alcanza el umbral crítico, las AHL son capaces de interaccionar con la proteína receptora LuxR. El complejo LuxR/AHL se une a una región del ADN llamada lux box causando la expresión de los genes de luminiscencia. El mismo complejo LuxR/AHL induce una producción mayor de AHL contribuyendo a una retroalimentación del proceso.
He aquí la explicación de por qué  las Vibrio fischeri  son oscuras cuando viven por separado y producen bioluminiscencia cuando se encuentran en colonias.
Vibrio fischeri sólo es un ejemplo de Quorum Sensing, mecanismo que se desarrolla en otras muchas bacterias cuando están en compañía, como Agrobacterium tumefaciens, varias Erwinia, E. coli, Pseudomonas aureginosa y algunas Yersinia. 
Comunicación y coordinación entre seres unicelulares, para que veáis.


Referencias:
http://www.nottingham.ac.uk/quorum/index.htm


NOTA: Esta entrada participa en la IX Edición del Carnaval de Biología que acoge el blog La Ciencia de la Vida.

A los mandos del minirover, Geobacter

Geobacter sulfurreducens es una bacteria gram-negativa, anaerobia (aunque puede funcionar en presencia de oxígeno) y que se desarrolla principalmente en subsuelos y zonas de sedimentación fluvial. Famosa por su capacidad de oxidar compuestos orgánicos y metales (hierro y magnesio), por respirar metales radiactivos (uranio) y por la capacidad de  biodegradación anaerobia de derivados del petróleo, ha demostrado ser de gran interés en técnicas de biorremediación. G. sulfurreducens posee flagelos mediante los que se mueve hacia los compuestos metálicos y que pueden actuar como posible mecanismo de transferencia electrónica sobre óxidos de hierro. Otra de sus propiedades y en la que me centraré, será la actividad electrogénica, es decir, la capacidad de conversión de energía química en eléctrica.

Geobacter metaboliza la materia orgánica dando como resultado protones y dióxido de carbono. Los electrones generados en la respiración se transfieren fuera de la membrana de la bacteria mediante el citocromo c, una proteína que actúa como conductora, "extrayendo" los electrones desde el interior  hasta el electrodo que haga contacto con la bacteria.
Pero la producción de electricidad mediante microorganismos no es nada novedoso. En 1910, M. C. Potter, un profesor de la Universidad de Durham (Inglaterra), mediante un cultivo de  Escherichia coli y electrodos de platino logró generar una corriente eléctrica. Aunque lo lograra (de forma ínfima eso sí), no fue hasta los 80' cuando se produjo un verdadero interés por sus aplicaciones biotecnológicas.

Desde hace algunos años, la NASA  y el NRL (U. S. Naval Research Laboratory) han estado investigando el desarrollo de exploradores robóticos planetarios a pequeña escala. En un estudio reciente, el NRL propone un novedoso microrover autónomo, con un peso de casi un kilogramo, impulsado por  Células de combustible microbiana (MFC) y en este caso, utilizando a Geobacter sulfurreducens como principal protagonista.

Fotografía a microscopio electrónico de Geobacter sulfurreducens como núcleo de una célula de combustible microbiana. Fuente: NASA/NRL.

Las celdas MFC son dispositivos electroquímicos dotados de un ánodo en condiciones anaerobias y un cátodo en condiciones aerobias separados por una membrana de intercambio catiónico que permite el paso de protones. 

Esquema de una celda MFC donde los electrones liberados a través del citocromo c se transfieren hacia el ánodo. En la cavidad anaerobia (ánodo) se liberan protones y dióxido de carbono. En la cavidad aerobia se produce agua en presencia de los electrones y protones. Fuente imagen: Nature.

El género Geobacter actúa de mediador redox mediante contacto directo con el ánodo, a diferencia de otros géneros que secretan sus propios catalizadores que reaccionan con el electrodo negativo. Ya hemos visto que esta bacteria actúa como un catalizador biológico que puede transferir los electrones hacia el ánodo creando una corriente eléctrica. Por lo tanto y en teoría, tendríamos una fuente de energía casi inagotable, que dependería de la colonia de bacterias y el combustible que suministrasemos, azúcar en el caso de nuestro minirover.


Los Rovers Exploradores de la NASA (MERs), Spirit y Opportunity se alimentan principalmente de paneles fotovoltaicos junto con pequeñas aportaciones de isótopos radiactivos (ya no en el caso del fallecido Spirit). La sonda Curiosity, recientemente enviada a Marte (Noviembre de 2011), obtiene su energía, de manera excepcional, mediante generadores termoeléctricos de radioisótopos (dióxido de plutonio). 

Comparación de tamaños: Spirit/Opportunity, Sojourner y Curiosity.

Una cuestión importante en el desarrollo de futura robótica exploratoria será la duración de las baterías ante largos periodos de oscuridad. Pensemos también en ambientes hostiles como el que ofrece Marte donde las tormentas de polvo pueden disminuir el rendimiento de los paneles fotovoltaicos. En este punto saldríamos beneficiados por la innovación y el desarrollo de las células microbianas que, aunque no podrían impulsar a un rover como el Curiosity (900 kg de peso), sí podrían proveer de suministro eléctrico partes de su electrónica o colaborar en la recarga de baterías. 

Es aquí cuando surge la necesidad de desarrollar una fuente de alimentación que no sólo dependa de la energía solar o nuclear, para poder continuar nuestro viaje por el cosmos.


NOTA: Esta entrada participa en la VI Edición del Carnaval de la Tecnología alojado en el blog Scientia y en la IX Edición del Carnaval de Biología que acoge el blog La Ciencia de la Vida.

Fuentes:
http://www.semicrobiologia.org/pdf/actualidad/45/Geobacter.pdf
http://www.geobacter.org/publication-files/12620842.pdf