| Las perlas de la ciencia española |
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Por Miguel Ángel Sabadell Proyecto PACE: crear vida en el laboratorio La vida es algo tan hermoso como enigmático. Todas las formas de vida están compuestas por moléculas que, en sí mismas, no están vivas. ¿Cómo sucedió esa transición de la materia inerte a la vida? Dejando a un lado planteamientos religiosos –que lo único que hacen es sustituir el enigma por otro aún mayor–, desde mediados del siglo pasado se está intentando comprender este problema central de la biología. En la actualidad diversos grupos de investigación por todo el mundo están intentando dar respuesta a cómo se pueden fabricar en el laboratorio formas de vida simples: son las llamadas células artificiales o protocélulas. Se piensa que serán totalmente distintas a cualquier forma de vida existente o extinta, muchísimas veces más pequeñas que la más pequeña de las bacterias y, por supuesto, más sencillas: intentamos entender la vida, no crear a Frankenstein. Uno de los enfoques es el de «abajo arriba»: partiendo de «tornillería molecular» en bruto, los científicos tratan de fabricar una «protocélula» sin florituras, con todo aquello que sea estrictamente imprescindible. Uno de estos proyectos en curso es el europeo PACE (Programmable Artificial Cell Evolution), que reúne 13 grupos de investigación europeos, entre los que se encuentra el Laboratorio de Sistemas Complejos de la Universitat Pompeu Fabra de Barcelona, dirigido por Ricard Solé. “Los modelos teóricos así como los datos experimentales nos dan buenos motivos para creer que seremos capaces de obtener protocélulas simples a partir de un sencillo sistema de reacciones acopladas en qué intervengan los componentes esenciales que hacen posibles las características básicas de las unidades vivas”, explica Solé, cuyo grupo trata de predecir la dinámica de las protocélulas artificiales y su posible evolución. Quizá la mejor forma de ver estas células artificiales sea como nanorobots, que tan de moda están ahora en las novelas y películas de ciencia ficción, trabajando a escala molecular: el resultado será una tecnología híbrida, mezcla de biotecnología con nanoelectrónica: “para crear una nueva generación de ordenadores y robots autoreparables, así como para dirigir con éxito cualquier tipo de operación a nivel nanoscópico, es fundamental la construcción de sistemas inteligentes autoorganizados y capaces de evolucionar en la dirección adecuada, como podrían ser las células artificiales programables”. Integrarán tres sistemas bioquímicos microscópicos: un contenedor, que hará las funciones de las membranas celulares, un sistema de construcción (el metabolismo) y un sistema genético, que almacene y gestione la información (el ADN). Con investigaciones como éstas nos encontramos un poco más cerca de entender la vida, su origen y evolución. Las puertas que esto abre son inmensas. El problema es saber si vamos a estar a la altura a si seguiremos con la misma mentalidad que en el Paleolítico inferior. Web: complex.upf.es/~ricard/PACEsite Genoma mínimo: ¿qué necesitamos para vivir? La secuenciación del genoma humano provocó cierta desilusión entre los científicos: la predicción de que teníamos 100.000 genes se vio drásticamente reducida a unos 30.000. Ante semejante cantidad uno puede preguntarse: si un organismo tan complejo como el ser humano requiere estos pocos genes, ¿cuántos requieren organismos más sencillos, como las bacterias? Aún más, ¿cuál es el número mínimo de genes necesarios para la vida? Esta aventura la lanzó hace unos años Craig Venter, ex-director de Celera, la empresa biotecnológica que logró completar recientemente la secuencia de los 3.000 millones de nucleótidos que constituyen el genoma humano. Es parte de su ambicioso proyecto de sintetizar un organismo vivo en el laboratorio. Para ello Venter necesita identificar el mínimo número de genes que permita a un organismo crecer y reproducirse de forma autónoma. Dentro de este contexto el Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva de Valencia, en colaboración con otros centros de investigación de España, está secuenciando el genoma completo de bacterias endosimbiontes de insectos, como la de Buchnera aphidicola, que se completó hace unos años, siendo el primer genoma secuenciado íntegramente en España. ¿Cuál es la particularidad de Buchnera que la hace especialmente interesante en el ámbito de estudio de genomas mínimos? Buchnera está directamente emparentada con la conocida bacteria Escherichia coli, organismo habitual del intestino del hombre y sistema modelo en investigación genética bacteriana; pero a diferencia de ésta, Buchnera ha sufrido una evolución por reducción de su material genético, alcanzando un tamaño genómico casi ocho veces inferior al de E. Coli, lo que le convierte en una de las bacterias de menor tamaño genómico conocido. Este genoma mínimo es consecuencia del sistema de vida de Buchnera, adaptada a vivir en simbiosis en el interior de células especializadas de diversas especies de pulgones. La relación de simbiosis es tan estrecha que actualmente ninguno de los dos organismos puede vivir el uno sin el otro. La adaptación al sistema de vida intracelular en Buchnera queda reflejada en su genoma, como puede deducirse de este estudio: aquellos genes responsables de funciones celulares prescindibles en el protegido ambiente del interior del pulgón se fueron eliminando a lo largo del tiempo. Con este tipo de trabajos se puede, no solo delimitar el genoma mínimo necesario para un sistema de vida intracelular, sino conocer cómo estas bacterias se integran en el insecto-huésped. Web: www.uv.es/~biodiver/c/inve/grup_gen_evolut.htm Estudiando la luz más antigua del Cosmos Hace más de 75 años Edwin Hubble descubrió la expansión del universo. En realidad lo que encontró con su telescopio del Monte Wilson (California) es que la luz proveniente de las galaxias se encuentra desplazada hacia el rojo del mismo modo que la bocina de un coche nos parece más grave cuando se aleja de nosotros. Y eso ocurre tanto si observamos desde la Tierra como si lo hiciéramos desde cualquier planeta situado en cualquier galaxia. Tan sorprendente observación se interpretó como que el universo entero se expande del mismo modo que lo hace un pastel de pasas o un globo al que le hemos pintado con un rotulador puntitos es su superficie. Ni las pasas ni los puntos (las galaxias) se mueven; crece la masa del pastel o se estira la goma del globo (el espacio-tiempo). Si el universo se originó con una formidable explosión ¿no es posible que aún podamos escuchar algún eco de aquello? Así pensaba a comienzos de los 60 el cosmólogo de Princeton Robert H. Dicke. Creía que debía quedar algún tipo de resto de radiación y propuso a uno de sus investigadores, Jim Peebles que se pusiera a calcular lo que sucedería si realmente el universo hubiese nacido de este modo. Y encontró que hoy día tendríamos que ver un fondo de microondas cubriendo todo el espacio, algo que ya había sido predicho 10 años antes por el padre del Big Bang, el ucraniano George Gamow, y que había caído en el olvido. Curiosamente este fondo estaba siendo observado y traía de cabeza a dos radioastrónomos de la compañía Bell, Arno Penzias y Robert Wilson. Esta radiación cósmica de fondo proviene de cuando el universo tenía 300.000 años de edad. Hasta ese momento la historia del universo se había caracterizado por un aburrimiento únicamente roto por fotones chocando contra núcleos de hidrógeno y helio y electrones: el universo era opaco a la radiación. Fue entonces cuando la luz dejó de interaccionar con la materia –el universo se hizo transparente– y esa luz es la que hoy vemos en forma de radiación de microondas que inunda el cosmos. Esta es la luz más antigua que podemos observar y marca el comienzo de lo que se ha dado en llamar la Edad Oscura del universo. Fue el satélite COBE quien anunció a los cosmólogos que la radiación de fondo se distribuía de manera extremadamente uniforme por el espacio, pero no perfectamente uniforme. Existían fluctuaciones, del orden de una parte por 100.000; mínimas pero decisivas para el futuro del universo. Porque gracias a ellas pudieron aparecer las primeras estructuras de lo que hoy es nuestro universo: galaxias, cúmulos y supercúmulos deben su existencia a esas ínfimas variaciones, de las que nadie sabe todavía a qué fueron debidas. Determinar con la mayor sensibilidad posible el valor de estas anisotropías de la radiación de fondo es uno de los objetivos de este programa de investigación desarrollado en el Instituto de Astrofísica de Canarias dirigido por Rafael Rebolo, para poder acotar el valor de los parámetros cosmológicos más relevantes, como las densidades de materia ordinaria, materia oscura y energía oscura, la masa del neutrino, la constante de expansión o de Hubble… Web: www.iac.es/project/cmb/index_esp.php Enfermedades del segundo genoma de la célula Todas nuestras células poseen dos sistemas genéticos. Uno es bien conocido por todos: se encuentra en el núcleo y codifica la mayor parte de las proteínas de la célula. El otro está en las mitocondrias y, aunque codifica un número pequeño de proteínas, es fundamental al ser responsable de la producción de la energía necesaria para vivir. Las mitocondrias son el pulmón de la célula, el lugar donde la célula utiliza el oxígeno para llevar a cabo las reacciones químicas que le permiten vivir. Su ADN fue descubierto a finales de los años 60 y a principios de los 80 se convirtió en el primer genoma humano que se describía en su totalidad. Quien descubrió su origen fue la microbióloga Lynn Margulis, conocida entre aquellos que se interesan por temas científicos por dos motivos: uno social y el otro investigador. El social es que estuvo casada con el famosísimo Carl Sagan. El aspecto científico es el que se encuentra vinculado al concepto de simbiogénesis. Hace unos años Margulis tuvo la feliz idea de plantear seriamente que uno de los motores de la evolución es la simbiosis entre especies que se encuentran en contacto. La simbiosis no es otra cosa que la “colaboración”, dicho entre comillas y con muchas matizaciones, entre dos seres vivos de dos especies distintas porque se benefician mutuamente en su lucha por la supervivencia. Un ejemplo lo tenemos en los líquenes, simbiosis de un hongo y un alga. Margulis propuso que la mitocondria era, en realidad, una bacteria que simbiotizó en las primeras épocas de la vida en la Tierra con las células primitivas. Las pruebas en que basó tal afirmación eran, en cierta medida, circunstanciales: las mitocondrias tienen el aspecto de bacterias y poseen un ADN distinto al de la célula en la que se encuentran. Hoy sabemos que tenía razón: son descendientes de bacterias aerobias que fueron absorbidas hace 1.500 millones de años por los antecesores de las nuestras células actuales. Gracias a ello adquirieron la capacidad de utilizar el oxígeno para producir energía. A lo largo del tiempo estas bacterias primitivas fueron perdiendo su capacidad autónoma de multiplicarse y se hicieron dependientes de la célula huésped. Al final solo quedaron los genes que codificaban las proteínas participantes en la producción de la energía celular. El ADN mitocondrial es unas 3.000 veces más pequeño que el más pequeño de los cromosomas y contiene información para 37 genes que se encuentran uno a continuación del otro sin espacios intermedios. Una de las características más llamativas del sistema genético mitocondrial, es que se hereda exclusivamente de la madre. Las mujeres lo pasan a todos sus hijos, pero sólo las hijas lo transmitirán a la siguiente generación. En el Departamento de Bioquímica, Biología Molecular y Celular de la Facultad de Veterinaria de la Universidad de Zaragoza, Julio Montoya y su grupo investigan para entender el conocimiento básico del funcionamiento de este sistema genético y estudian las enfermedades mitocondriales, un grupo de trastornos originados por un defecto en la producción de la energía celular. Estas enfermedades, muy devastadoras y difíciles de identificar, afectan tanto a niños como a adultos y su diagnóstico pasa por el análisis genético. Solo así se puede decidir mejor su tratamiento paliativo. Web: http://wwwbioq.unizar.es/anterior/departamento/investigacion/servicio%20diagnostico.htm Química verde Química verde significa reducir los problemas medioambientales generados por la producción química sin usar soluciones de final de tubería, eliminando la contaminación, sino atacando el problema de raíz: utilizando procesos químicos que no produzcan productos de deshecho. En los primeros años de los 90 la EPA, la agencia de protección del medioambiente de los EE UU, acuñó el término de Green Chemistry con el objeto de promover tecnologías químicas innovadoras que reduzcan el uso o generación de sustancias químicas peligrosas en el diseño, fabricación y uso de los productos químicos. Puede considerarse el momento de arranque de esta nueva manera de hacer química. Resulta curioso descubrir que la industria a la que todos apuntaríamos como más contaminante, la petroquímica, sólo genera unos 0,1 kg de residuo por kilo de producto. Y, curiosamente, la más sucia es la que parece más limpia, la farmacéutica: hasta 100 kg de residuo por kilo de producto útil. Por eso éste es el campo en el que mayores esfuerzos se están realizando. Así, la síntesis del principio activo de la Viagra fue uno de los primeros procesos farmacéuticos que incorporaron la química verde. Dentro de esta filosofía se encuentra lo que se conoce como economía atómica: todos los átomos que entran en una reacción deben aparecer en el producto, sin generar ningún subproducto. Para ello pueden utilizarse catalizadores, unas sustancias que sirven para acelerar o mejorar el rendimiento de la reacción al mismo tiempo que su consumo energético, pero que no desaparecen en la reacción. Este uno de los campos de investigación del Instituto de Tecnología Química de Valencia, donde el grupo de Avelino Corma ha desarrollado una serie de catalizadores basados en oro cuya utilización en la obtención de anilinas -vitales para la industria farmacéutica y la obtención de herbicidas y pigmentos- no genera ningún residuo. Este resultado es tremendamente importante pues los procesos usados hasta ahora llegan a generar casi la misma cantidad de residuo que del producto deseado. En particular, los catalizadores desarrollados están basados en nanopartículas de oro y evitan la formación de otros productos secundarios. Web: : itq.webs.upv.es Marte en la Tierra  En la sierra de Huelva nace el río Tinto. Su nombre viene dado por el color rojo de sus aguas, de marcada acidez y alto contenido en metales pesados, tóxicos para la vida, que se encuentran disueltos. Como determinaron hace años un grupo de biólogos de la Universidad Autónoma de Madrid dirigido por Ricardo Amils, el principal componente presente en el agua es el hierro. De hecho, este río se caracteriza por su extrema acidez y una alta saturación de hierro y sulfatos. En algunos casos, los instrumentos de medida utilizados en el laboratorio dan valores próximos a 20 gramos por litro de concentración de hierro, es decir, concentraciones difícilmente alcanzables en cualquier otro ambiente de la superficie de la Tierra. La alta concentración de sulfatos junto con la elevada acidez del río hace que podamos imaginar el agua del río como una disolución de ácido sulfúrico. En un principio se pensó que nada podía vivir en semejante ambiente, por lo que se le creyó muerto. Sin embargo, los estudios realizados han demostrado que no sólo la vida puede desarrollarse en este tipo de ambientes extremos sino que, además, presenta una enorme biodiversidad. No sólo eso, es ella la responsable de sus peculiares características. La alimentación de estos microorganismos, llamados quimilitótrofos, se realiza oxidando el hierro de la pirita del subsuelo, lo que da el color rojizo característico del río. Pero la mayor sorpresa surgió al descubrir que no sólo se encuentran allí formas de vida extremófilas, sino una diversidad biológica mucho más amplia. Se ha podido comprobar que están representados gran parte de los grupos mayoritarios que forman el árbol de la vida: microorganismos pertenecientes al grupo de los animales, plantas, hongos… El estudio de este ecosistema proporciona una gran cantidad de información sobre la robustez de la vida y resulta ser un modelo a pequeña escala de las condiciones que podrían estar presentes en el planeta Marte, pues es posible que el hierro fuera un elemento preponderante en la química de los primeros ambientes en su superficie. La alta disponibilidad del hierro en la corteza terrestre puede que favoreciera ciertas reacciones catalíticas que culminaron en la síntesis prebiótica de las primeras moléculas orgánicas. Web: www.cab.inta.es/
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