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CURIOSIDADES CIENTÍFICAS PARA COMPARTIR

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‘Nanobásculas’ para pesar virus y bacterias en la detección de enfermedades

Por Eduardo Gil Santos, Alberto Martín Pérez y Marina López Yubero  (CSIC)*

Cada virus y bacteria tiene una masa diferente. El simple hecho de poder pesarlos nos permitiría identificarlos y distinguirlos y, con ello, detectar de forma altamente precoz las enfermedades que provocan. Los recientes avances en nanotecnología han permitido la creación de unos nuevos dispositivos, los sensores nanomecánicos, que actúan como básculas a escala nanométrica, permitiendo detectar estos objetos con una precisión mucho mayor que los métodos convencionales de diagnóstico de estas enfermedades.

Cuerdas de ukelele

Los nanosensores vibran como las cuerdas de una guitarra para detectar virus y bacterias.

La detección de estas partículas mediante sensores nanomecánicos se obtiene estudiando los cambios en su vibración. Estos sensores vibran igual que las cuerdas de una guitarra: cuando pulsamos una cuerda de una guitarra, esta vibrará y las ondas se transmitirán por el aire, lo que percibiremos como sonido. Además, si unimos un objeto a la cuerda, esta pesará más y, en consecuencia, su movimiento será más lento, lo que dará lugar a un sonido más grave. Esta diferencia en el tono del sonido se puede relacionar directamente con la masa del objeto unido. De la misma manera, los sensores nanomecánicos vibrarán más lentamente cuando se une a ellos una partícula (virus o bacteria). Esto se comprueba fácilmente adhiriendo un pequeño imán a un diapasón. Sin embargo, en estos sensores las vibraciones no son perceptibles por el oído y se necesitan métodos ópticos muy avanzados (similares a los utilizados en la detección de ondas gravitacionales, pero a escala nanométrica) para detectar estos cambios en la vibración del sensor.

Bacteria en nanosensor

Imagen de microscopía electrónica de barrido de una bacteria E. coli sobre un sensor nanomecánico con forma de micropalanca. El peso de esta bacteria es de 300 femtogramos (0,0000000000003 gramos, diez mil millones de veces menos que una hormiga).

Estos dispositivos también permiten medir otra propiedad muy interesante de las partículas depositadas: la rigidez. Conocer la rigidez de las partículas biológicas (virus, bacterias o células) puede ser de gran utilidad, ya que, por una parte, la rigidez junto con la masa permite una identificación todavía más precisa de los distintos virus o bacterias. Asimismo, podría permitir diferenciar entre células cancerígenas y sanas, ya que se ha descubierto que aunque ambas tienen una masa similar (lo que no permite distinguirlas a través de su masa), muestran una rigidez distinta: las células cancerígenas son menos rígidas que las células sanas. Por último, medir la rigidez de los virus hace posible distinguir su estado de maduración y conocer su capacidad infecciosa.

El grupo de Bionanomecánica del Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC desarrolla este tipo de dispositivos desde hace más de diez años. En la actualidad, este grupo lidera una serie de proyectos financiados por la Unión Europea (ViruScan, LiquidMass, Nombis) que contribuirán a la implantación definitiva de estas tecnologías a nivel clínico. En tan solo cinco años, estos sensores se probarán en países empobrecidos con gran riesgo de epidemias para la detección de los virus que producen fiebres hemorrágicas.

Al mismo tiempo, el equipo trabaja en el desarrollo de nuevas tecnologías para la comprensión y detección precoz de muchas otras enfermedades (distintos tipos de cáncer, Alzhéimer, etc.). En un futuro no muy lejano, este tipo de sensores estarán implantados directamente en el interior de nuestro cuerpo, preparados para detectar cualquier infección en el mismo momento de contraerla, lo que permitirá actuar contra ella de manera mucho más eficaz.

 

* Eduardo Gil Santos, Alberto Martín Pérez y Marina López Yubero son personal investigador del CSIC en el grupo de Bionanomecánica del Instituto de Micro y Nanotecnología.

¿Influyen nuestras bacterias en la forma en que nos comportamos?

Por Mar Gulis (CSIC)

Imagina un villano que logra controlar la voluntad de la gente mediante la manipulación de su microbiota intestinal, es decir, el conjunto de microorganismos –en su mayoría bacterias– que habitan en nuestro intestino y nos ayudan a digerir los alimentos. Tore Midtvedt, del Instituto Karolinska de Estocolmo, sugirió en clave de humor que éste podría ser el argumento de una novela negra. Cuentan la anécdota Carmen Peláez y Teresa Requena, investigadoras del CSIC, en su libro La microbiota intestinal (CSIC-Catarata). Tal y como señalan en la obra, hoy existe un creciente interés en torno a ese fascinante eje cerebro-intestino-microbiota.

Una parte de la comunidad científica está investigando la relación bidireccional que se da entre la microbiota y el funcionamiento del cerebro o incluso nuestros comportamientos. Se trata de un campo sumamente interesante, pero también muy complejo. La pregunta que espera respuesta es “si podemos conceder a los microorganismos cierto papel como participantes en nuestra inconsciencia”, que a su vez imperceptiblemente puede dictar nuestra conducta, señalan Peláez y Requena.

Las investigadoras recogen en el libro algunos ejemplos de esta tesis. John Cryan y Timothy Dinan, de la Universidad de Cork (Irlanda), sostienen que “las bacterias influyen en nuestro comportamiento alimentario”. Desde esta perspectiva, “la microbiota lanzaría alguna señal al cerebro para informarle de que le aporte tal o cual tipo de nutrientes, que son los que habitualmente ingerimos y a los que se ha adaptado su metabolismo”. Es más, el que nos apetezcan determinados alimentos se debe a la ‘expectativa de recompensa’ (el placer anticipado que nos aporta la elección), algo que depende de los niveles de dopamina en el cerebro. Y precisamente “algunas bacterias como H. pylori modulan la producción de dopamina y, por tanto, los niveles de recompensa. ¿Estaría esta bacteria del estómago diciéndonos qué es lo que nos apetece comer?”, se preguntan las investigadoras.

Helicobacter Pylori es una de las bacterias que habitan en nuestro estómago KGH / Wikipedia

Pero las relaciones entre el cerebro y la microbiota pueden ser más sofisticadas. Algunos autores consideran que esos millones de microorganismos serían capaces de manipular otros comportamientos. Por ejemplo, “influir en nuestro estado de ánimo a través de la serotonina, conocida como hormona de la felicidad, o tener el papel contrario y producir malestar o incluso dolor”. Peláez y Requena aluden a estudios recientes que han vinculado el estrés de los recién nacidos que sufren de cólicos con un desequilibrio intestinal producido por una pérdida de diversidad bacteriana.

Y aún más sorprendente es la siguiente hipótesis que plantean: la posibilidad de que las bacterias puedan manipular los comportamientos sociales, es decir, “nuestras preferencias para relacionarnos incluso sexualmente o para vivir en grupos sociales”. Las investigadoras se refieren a la mosca del vinagre, un insecto que, a la hora de aparearse, parece estar influido por la bacteria Lactobacillus plantarum, ubicada en su tracto intestinal. “Aparentemente esta bacteria produce metabolitos a partir de la fermentación del almidón que ingiere la mosca y que inducen la producción de feromonas, influyendo así en sus preferencias sexuales de apareamiento al solo elegir moscas que también ingieren almidón. Podríamos decir que la bacteria ayuda a la mosca a buscar pareja y, además, una pareja con sus mismos gustos alimentarios”.

Ahora bien, ¿se pueden extrapolar estas teorías a los seres humanos? Según algunos expertos, sí. Concretamente, las investigadoras citan a Michael Lombardo, de la Universidad Grand Valley (EE UU). Este autor defiende que la evolución de los seres vivos invertebrados y vertebrados hacia el comportamiento gregario y social “no ha respondido solo a la necesidad común de defensa, optimización de recursos alimentarios o crianza de la prole. Podría existir también otro factor más sutil como la necesidad de transmisión interindividual de una microbiota beneficiosa que aporta múltiples beneficios”.

Peláez y Requena coinciden en que, teniendo en cuenta los beneficios nutricionales y protectores que la microbiota intestinal nos aporta y la facilidad de transmisión vertical y horizontal en el ámbito familiar y social, estas teorías también pueden ser válidas para la especie humana. No obstante, advierten, “aún hay que profundizar en los mecanismos concretos por los que la microbiota afecta a la salud humana y a nuestro comportamiento”.

El Mar Muerto ¡está muy vivo!

Por Mar Gulis

Como en el Mar Muerto no hay peces ni animales grandes, antiguamente se pensaba que no albergaba ningún tipo de vida. De hecho, contiene tal cantidad de sal que prácticamente ninguno de los seres que habitan en otros mares y océanos pueden sobrevivir en sus aguas.

En algunas zonas, el Mar Muerto llega a alcanzar niveles de salinidad casi diez veces superiores a los del Mediterráneo. Esto ocurre porque la ‘cubeta’ en la que se encuentra está 200 metros por debajo del nivel del Mediterráneo. Cuando el agua del río Jordán desemboca en él no puede salir por ningún sitio: solo puede evaporarse y a medida que esto ocurre las sales se van concentrando.

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Cuando el nivel del Mar Muerto baja se forman depósitos de sal como este / Wikipedia

Sin embargo, el Mar Muerto está lleno de vida. A simple vista, en las zonas menos saladas pueden observarse pequeños invertebrados como la Artemia salina, pero si recurrimos a otras formas de análisis descubriremos que está ‘abarrotado’ de microorganismos de los tres grandes dominios de la vida: bacterias, arqueas y eucariotas (los seres humanos, los animales y las plantas formamos pequeñísimas ‘ramas’ de este último). En un mililitro de agua del Mar Muerto puede haber 10 millones de bacterias y arqueas y diez veces más de virus. Hay tantos, que el agua puede llegar a adquirir los colores marrones o rojos de sus pigmentos.

Pequeñas piedras de sal / Wikipedia

La salinidad del Mar Muerto es tan elevada que se forman pequeñas piedras de sal / Wikipedia

Los microorganismos del Mar Muerto son halófilos, lo que significa que están adaptados a vivir en un ambiente con altas concentraciones de sal. Para entender cómo lo logran podemos imaginar que cualquier membrana celular (sea de un halófilo o de un no halófilo) se comporta de forma similar al Gore-Tex. Este material es muy popular en el calzado y la ropa de montaña porque sus diminutos poros, al ser mucho más pequeños que las gotas de agua, no dejan pasar el agua líquida. En cambio, sí permiten el paso de las moléculas de vapor de agua, que no están agrupadas en gotas. Como resultado, el Gore-Tex es resistente a la lluvia pero facilita la transpiración. Es decir, se trata de una membrana ‘semipermeable’; exactamente igual que las membranas celulares.

Eso sí, en el caso de las células, el agua puede atravesar la membrana pero la mayoría de sustancias disueltas en ella, no. Si la concentración de solutos, por ejemplo de sal, es la misma en el interior y en el exterior, no hay ningún problema. Las moléculas de agua irán entrando y saliendo en la misma proporción. Pero si la concentración de sal en el exterior es mayor que en el interior, las moléculas de agua tenderán a salir de la célula hasta que las concentraciones de sal se igualen en los dos lados de la membrana. Como resultado de este fenómeno, conocido como ósmosis, la célula se secará y morirá.

Para seguir activa, la célula tiene que evitar perder agua. La solución a la que recurren los halófilos consiste en acumular una sustancia soluble en agua (iones de potasio, glicina-betaina, dimetilsufoniporpionato, etc.) en el interior de la célula, en cantidades similares a las que hay en el exterior, pero que permite el funcionamiento normal del metabolismo.

Halobacteria / Wikipedia

Halobacterium / Wikipedia

Los halófilos fueron los primeros extremófilos (microorganismos que viven en condiciones extremas) en ser aislados y estudiados porque estropeaban las conservas en salazón. Sin embargo, hoy siguen resultando enormemente interesantes para la ciencia. Sirva de ejemplo el caso de Halobacterium, una arquea que puede encontrarse en el Mar Muerto y que, a fuerza de hacer frente a los estragos que produce la sal, ha aprendido a recomponer su ADN incluso cuando queda totalmente fragmentado. Esta particularidad ha despertado el interés de la misma NASA, que busca en los mecanismos de supervivencia de este microorganismo las claves para proteger a los astronautas de uno de los mayores peligros que podrían enfrentar en una misión a Marte: la radiación espacial.

El Mar Muerto está lleno de vida, sí, y además podría ayudarnos a llevar la vida humana a otros planetas.

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre la vida en el Mar Muerto, organismos resistentes a la sal y extremófilos, consulta La vida al límite (CSIC-Catarata), de Carlos Pedrós.

¿Sabías que el sexo nos protege de los parásitos?

Por Mar Gulis

Pulgas, ladillas y cosas peores… Hoy sabemos que la actividad sexual practicada en malas condiciones de higiene entraña el riesgo de contraer molestos inquilinos. Sin embargo, la historia de la vida en la Tierra viene a decirnos que el sexo ha sido y es un importante arma en la lucha contra los parásitos.

Uña de garrapata

Uña de garrapata / Carolina Bolívar Medina (FOTCIENCIA)

El parasitismo es un modo de vida mucho más extendido en la naturaleza de lo que se tiende a pensar. El 60% de las especies conocidas son parásitos y prácticamente ningún ser vivo se libra de sufrirlos, porque incluso la mayoría de los organismos que consideramos parásitos son explotados por otros. La garrapata que le chupa la sangre a nuestro perro, por ejemplo, sirve de alimento a pequeños ácaros, de los que a su vez se aprovechan hongos y bacterias…

En su libro Parasitismo (CSIC-Catarata), el biólogo Juan José Soler explica que las especies hospedadoras y sus molestos huéspedes llevan librando, generación tras generación, una intensa batalla que ha influido de manera decisiva en su evolución. Las adaptaciones de los hospedadores para defenderse de los parásitos han sido ‘contestadas’ por estos últimos con nuevas adaptaciones que a su vez han obligado a sus anfitriones a adaptarse… Y así, en una especie de carrera enloquecida, los hospedadores han tenido que seguir corriendo para que los parásitos no les saquen demasiada ventaja. El fenómeno es conocido como el de la Reina Roja, por la explicación que este personaje de Alicia en el país de las maravillas da a la protagonista del relato tras una extenuante carrera: “En este lugar hace falta correr todo cuanto una pueda para permanecer en el mismo sitio”.

La principal dificultad de los hospedadores es que su ritmo de reproducción suele ser menor que el de los parásitos –por cada generación de seres humanos pueden vivir entre 70 y 270 generaciones de pulgas–. Esto significa que una mutación que ofrezca ventajas adaptativas a una pulga, puede generalizarse a toda la especie a un ritmo mucho mayor que en los humanos.

"En este lugar hay que correr todo lo que puedas para mantenerse en el mismo sitio"

“En este lugar hay que correr todo lo que puedas para mantenerse en el mismo sitio”.

Según la hipótesis de la Reina Roja, es el sexo lo que hace a los hospedadores no perder la carrera. Desde este punto de vista la razón por la que todos los animales y la mayoría de las plantas se reproducen sexualmente en lugar de clonarse –algo que energéticamente resulta mucho más ‘barato’– es que el sexo favorece la variabilidad genética de las poblaciones. Gracias a esa variabilidad, las especies contarían con un amplio repertorio de respuestas inmunitarias para hacer frente a las amenazas parasitarias. Pensemos, por ejemplo, en una nueva cepa bacteriana virulenta. Si en una población unos pocos individuos tuvieran una variante genética que les permitiera sobrevivir a ella, se evitaría la extinción porque los descendientes de estos individuos serían resistentes a la infección.

Si, además de reproducirse sexualmente, los individuos de una especie se sintieran atraídos por los que tienen las mejores defensas, el efecto antiparasitario del sexo aumentaría. Los estudios realizados en aves como el pavo real o las golondrinas han demostrado que los parásitos influyen en su comportamiento sexual: las hembras prefieren a los machos con las colas más grandes y llamativas porque dichos caracteres indican que esos individuos sufren un bajo grado de parasitismo.

Vamos, que a las múltiples bondades conocidas del sexo tenemos que añadir una más: su potente efecto desparasitador.

Ciencia en la cocina: ¿por qué nos gustan tanto las especias?

Por Mar Gulis

Comino, canela, tomillo, cúrcuma, limón… dice el biólogo Carlos Pedrós que los humanos sentimos una auténtica debilidad por las especias. Tanto que hemos llegado a crear imperios basados en ellas, a mantener rutas a través de continentes y océanos para su comercio e incluso a matar para controlarlas.

GTRES

GTRES

En su libro La vida al límite, el investigador del CSIC explica que las especias nos apasionan porque sirven para proteger nuestra comida de las bacterias y a protegernos a nosotros mismos de intoxicaciones. A lo largo de la evolución las personas y grupos humanos que sazonaban su comida con especias habrían tenido más posibilidades de sobrevivir y, por tanto, de transmitir a sus descendientes su gusto por estos sabrosos condimentos.

Esta hipótesis llevó al investigador estadounidense Paul W. Sherman a analizar 107 libros de cocina tradicional de todos los continentes. En ellos sus colaboradores encontraron más de 6.500 recetas en las que se usaban 42 especias y, efectivamente, la mayoría tenían propiedades antimicrobianas. De hecho, algunas como el ajo, la cebolla, la pimienta y el orégano mataban a todas las especies de bacterias que se analizaron.

El estudio de Sherman demostró además que en los países cálidos se usaban muchas más especias que en los fríos. Así, mientras que los noruegos utilizan una media de entre una y dos especias por receta, en Tailandia lo habitual es usar entre ocho y diez. Era el resultado que su grupo esperaba encontrar: si el crecimiento de las bacterias se ve favorecido por el calor y entorpecido por las especias, lo lógico es que éstas se usen más allí donde las temperaturas son más altas.

Pero Sherman y su grupo no se quedaron ahí y demostraron también que el uso de especias es menos frecuente en las recetas vegetarianas (2,4 por plato) que en las recetas con carne (3,9). ¿Son entonces los platos vegetarianos más resistentes a las bacterias que los de carne? Pues resulta que sí: las células vegetales son más ácidas y tienen paredes de celulosa y lignina, lo que complica la acción de los microrganismos.

Entonces, ¿es verdad el tópico de que los nórdicos y los vegetarianos son unos sosos? Si nos referimos estrictamente al uso de especias, va a ser que sí…