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La importancia de salirse de la norma: las proteínas dúctiles

Por Inmaculada Yruela (CSIC)*

A mediados del siglo XX se pensaba que las proteínas que no podían adoptar una determinada organización espacial y una estructura definida no podían realizar una función. Pero, a veces, los fenómenos que no encajan con el paradigma dominante del momento acaban convirtiéndose en la pieza central de un nuevo paradigma. Este es el caso de algunas observaciones que se hacían en el campo de la biología molecular a finales del siglo XX: las proteínas dúctiles o conocidas en inglés como Intrinsically Disordered Proteins (IDPs). Este tipo de proteínas, lejos de haber sido olvidadas por la comunidad científica debido a lo irregular y desordenado de su estructura, son cada día más populares gracias a su carácter moldeable y flexible (dúctil) y al papel que juegan tanto en los procesos de desarrollo y adaptación de los organismos a los cambios medioambientales como en la aparición de enfermedades como el cáncer, el Alzheimer, el Parkinson o la diabetes, entre otras.

Ejemplo de una proteína compacta y estructurada con varios módulos. Cada módulo se representa en un color diferente. Fuente: RCSB Protein Data Bank (https://www.rcsb.org) PDB 2VGB (Valentini et al. 2002)

Ejemplo de proteína compacta y estructurada con varios módulos. Cada uno en un color diferente. / Fuente: RCSB Protein Data Bank – PDB 2VGB (Valentini et al. 2002)

Desde los años sesenta del pasado siglo podemos explicar muchas de las propiedades de las proteínas, incluyendo su funcionamiento. Esto se consigue mediante el conocimiento de sus estructuras tridimensionales obtenidas a partir de la cristalografía y la difracción de rayos X. El año 1962 marcó un hito a este respecto cuando se concedió el premio Nobel en Química a John Kendrew y Max Perutz, investigadores que resolvieron las primeras estructuras de proteínas. Se trataba de dos proteínas humanas esenciales: la hemoglobina de los glóbulos rojos de la sangre y la mioglobina de los músculos. Actualmente, el número de estructuras resueltas se acerca a las 150.000, la mayoría en humanos y animal bovino.

A finales del siglo XX se observó que algunas proteínas escapaban de estos procedimientos experimentales, no pudiéndose resolver sus estructuras con las técnicas disponibles. Sin embargo, en los últimos veinte años las investigaciones han sido decisivas en este terreno para establecer que, en contra de lo aceptado en el pasado siglo, las proteínas no requieren adoptar formas rígidas y bien estructuradas en el espacio tridimensional para realizar sus funciones en la célula, sino que, por el contrario, la flexibilidad y la ductilidad en las proteínas es una propiedad que a menudo resulta crucial para su funcionamiento. Las proteínas dúctiles son esenciales para el ciclo celular, para la señalización celular y la regulación de los genes y las proteínas. Se considera que pueden haber desempeñado un papel clave durante la formación de los organismos multicelulares y la evolución.

Ejemplo de una proteína dúctil con un módulo estructurado (verde) y un módulo flexible (rojo). Fuente: RCSB Protein Data Bank (https://www.rcsb.org) PDB 2ME9 (Follis et al. 2014).

Ejemplo de proteína dúctil con un módulo estructurado (verde) y un módulo flexible (rojo). / Fuente: RCSB Protein Data Bank – PDB 2ME9 (Follis et al. 2014)

Se estima que, por ejemplo, en los animales, humanos y plantas, más de una tercera parte de las proteínas se hallan total o parcialmente desestructuradas, es decir, son proteínas que carecen, en su conjunto o en alguna de sus partes, de una estructura tridimensional estable en condiciones fisiológicas, aunque realizan importantes funciones biológicas. Por tanto, las proteínas no son entidades estructuralmente tan homogéneas como se pensaba, dado que presentan un nivel relevante de heterogeneidad. De esta manera, la estructura de una proteína no ha de considerarse como algo rígido, sino como algo dinámico. La transición entre diferentes formas, llamados estados conformacionales, que transcurre por estados sucesivos de completa estructuración y diferente grado de desestructuración, es necesaria para el reconocimiento y la interacción entre biomoléculas y para una función óptima.

Las proteínas con regiones dúctiles facilitan muchos procesos biológicos en la célula. Sin embargo, a menudo, la falta de organización estructural o plegamiento da lugar a la formación de agregados, que pueden acumularse en los órganos y tejidos del organismo dando lugar a ciertas enfermedades. Las características singulares de las proteínas dúctiles también hacen que su protagonismo trascienda a otras disciplinas científicas, tales como la medicina regenerativa, la nanotecnología, la agricultura o la tecnología de alimentos. El futuro que se abre en estos campos es estimulante y prometedor.

 

* Inmaculada Yruela Guerrero es investigadora en la Estación Experimental de Aula Dei (CSIC). Es autora del libro Las proteínas dúctiles (2016) en la colección ¿Qué sabemos de? (Editorial CSIC – Los Libros de la Catarata) y del espectáculo artístico-científico de danza, música y ciencia Molecular Plasticity: la relevancia de las proteínas dúctiles, producido en colaboración con la Ciència Al Teu Món y con la ayuda de la FECYT. Molecular Plasticity recorrerá distintos espacios abiertos a la divulgación científica en el territorio español.

¿Te atreves a fotografiar la ciencia? ¡Participa en la 16ª edición de FOTCIENCIA!

Por Mar Gulis (CSIC)

Prepara el objetivo y dispara. Tienes hasta el próximo 8 de febrero de 2019 (a las 12:00 a.m., hora peninsular española) para enviarnos tus fotos. Un año más, FOTCIENCIA pretende seleccionar las mejores imágenes relacionadas con la ciencia y la tecnología, con el objetivo de producir un catálogo y una exposición itinerante que recorrerá museos y centros culturales de toda España en 2019/20. Hay varias modalidades y la temática es casi infinita. ¡Las mejores imágenes serán remuneradas hasta con 1.500€!

Las fotos pueden estar relacionadas con la investigación científica o sus aplicaciones, reflejar aspectos concretos de algún fenómeno científico, mostrar el objeto de estudio de una investigación o las personas que la realizan, su instrumentación e instalaciones, los resultados de un avance científico, etc. Las imágenes han de presentarse junto con un texto propio y divulgativo que explique su contenido. A partir de criterios técnicos y estéticos, un jurado elegirá las mejores fotografías en las diferentes categorías.

FOTCIENCIA, una iniciativa organizada por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT), con el apoyo de la Fundación Jesús Serra, celebra este año su 16ª edición. Como en otras ocasiones, las imágenes seleccionadas formarán parte de un catálogo y una exposición itinerante. Consulta aquí las normas de participación y toda la información.

Emigrar a la ciudad, precaria solución para aves amenazadas

Por Álvaro Luna (CSIC) *

Cuando se piensa en una ciudad, rara vez se hace desde el punto de vista de la naturaleza que alberga. Sin embargo, hoy se estima que el 20% de especies de aves del mundo está presente en ciudades, y cada vez conocemos más casos de plantas y animales en peligro de extinción que encuentran un insospechado refugio en ecosistemas altamente humanizados.

Un ejemplo que recientemente hemos dado a conocer tiene como protagonistas a dos psitácidas (especies normalmente llamadas loros o papagayos). Se trata de dos aves autóctonas de La Española, isla caribeña que engloba a República Dominicana y Haití: la cotorra Amazona ventralis y el perico Psittacara chloropterus.

Pericos de La Española anidan en la ciudad de Santo Domingo. / Álvaro Luna

Pericos de La Española anidan en la ciudad de Santo Domingo. / Álvaro Luna

La transformación del hábitat para uso ganadero y agrícola fue relegando a estos animales a zonas cada vez más recónditas. Para más inri, han sido y son cazados al acudir a comer a los cultivos y, últimamente, el ‘mascotismo’ se ha unido al resto de factores que han llevado al límite a estos loros, convirtiéndose en un terrible problema que diezma las escasas poblaciones restantes a través de la captura ilegal, que se da incluso dentro de espacios protegidos.

Un estudio llevado a cabo por un grupo de investigación de la Estación Biológica de Doñana del CSIC ha profundizado en la alarmante situación de la cotorra y el perico de la isla La Española en sus ecosistemas originarios, y ha detectado escasos ejemplares incluso en las zonas mejor conservadas del país (se visitaron 12 espacios protegidos y todo tipo de hábitats), un escenario que resulta ser aún peor de lo que se estimaba.

Esta situación contrasta con las poblaciones de dichas especies que se han descubierto en las grandes ciudades de República Dominicana, único lugar donde se observa con facilidad a estos animales. Por ejemplo, en Santo Domingo se han censado dormideros con unos 1.500 ejemplares de perico, y en Santiago otro de 50 cotorras. En la naturaleza, por establecer una comparación, en un dormidero encontrado en la reserva de la biosfera, donde a priori están las mejores poblaciones, se contaron solo 137 pericos y 15 cotorras. Así, los datos obtenidos sobre observaciones de estas especies a lo largo y ancho del país arrojan que el perico es 6 veces más abundante en la ciudad que en entornos naturales, y 3 veces más en el caso de la cotorra.

Hábitat de cría usado por las poblaciones de loros urbanos en ciudades de República Dominicana. /Álvaro Luna

Hábitat de cría usado por las poblaciones de loros urbanos en ciudades de República Dominicana. / Álvaro Luna

No obstante, más allá de números, no hay que desatender el hecho de que estas especies realizan unas funciones ecológicas en la naturaleza que además, en el caso actual de esta isla, no pueden desarrollar otras especies, como es la dispersión de semillas de árboles. A modo de ejemplo, durante este estudio se recolectaron 306 semillas pertenecientes a 11 especies diferentes de árboles (el 99.5% aptas para germinar) que habían sido dispersadas por estos loros, y se midieron las distancias entre las semillas y el árbol más cercano de su misma especie. La distancia mínima media de dispersión fueron 37 metros, siendo el 93% de los casos dispersiones en un rango de entre 20-60 metros, con algunos casos de mayores distancias. Prácticamente todos los casos fueron en ciudad, dada la ausencia de las dos especies en el medio natural.

Se podría decir que para estas aves amenazadas puede que la ciudad sea su última baza para evitar la extinción, pero la desaparición de poblaciones viables de su hábitat real y originario acarreará también la extinción de funciones ecológicas en sus ecosistemas naturales, algo sobre lo que casi nadie está reparando. El hecho de que estos loros estén ecológicamente extintos en los bosques de la isla afectará a la estructura y dinámica de los mismos, con repercusiones presentes y futuras negativas.

 

* Álvaro Luna es investigador doctorando en la Estación Biológica de Doñana del CSIC y autor del libro Un leopardo en el jardín. La ciudad: un nuevo ecosistema (Tundra)

Especies en peligro de extinción… en tu intestino

*Por Carmen Peláez y Teresa Requena (CSIC)

La pérdida de biodiversidad no afecta solo a los grandes ecosistemas; también estamos perdiendo diversidad en nuestro propio cuerpo, en las especies que pueblan nuestro intestino. Paradójicamente, los notables avances sanitarios y tecnológicos que han experimentado las sociedades industrializadas pueden estar conduciendo a una pérdida de diversidad microbiana intestinal en las sociedades industrializadas, paralela a los aumentos de resistencia a antibióticos o a la incidencia de enfermedades autoinmunes.

El ecosistema microbiano humano está perdiendo especies bacterianas ancestrales que evolucionaron con nosotros desde el principio de los tiempos. Esta pérdida se perpetúa entre generaciones por una menor transferencia en el parto con la práctica de cesáreas, por una menor transmisión horizontal por contacto entre familias cada vez menos numerosas o por una mayor higienización del agua y procesado de alimentos que disminuyen su carga microbiana. La pérdida de esa microbiota ancestral se podría estar viendo reflejada en alteraciones de la fisiología humana y posiblemente en el aumento del riesgo de padecer enfermedades.

‘Helicobacter pylori’: las consecuencias de su progresiva desaparición

Un problema es que muchas de las especies bacterianas que están desapareciendo no son las más abundantes, por lo que su falta puede pasar inadvertida en cuanto al número, pero puede ser muy relevante por la función que realizan. La bacteria Helicobacter pylori es el modelo utilizado por Martin Blaser, especialista en el papel que juegan las bacterias en el organismo humano, para apoyar su ‘hipótesis de las especies en extinción’. Microbiota intestinal

H. pylori se encuentra en el estómago humano y ha evolucionado con él como animal mamífero monogástrico. Las primeras referencias sobre H. pylori indicaban que aparecía de forma bastante extendida en la especie humana, pero hacia los años setenta del siglo XX ya solo estaba presente en el 50% de individuos adultos en países desarrollados y en menos del 6% de los niños y las niñas. Este aspecto es importante porque H. pylori no se adquiere en etapas adultas de la vida. Por otro lado, el análisis de individuos en poblaciones rurales africanas, asiáticas o sudamericanas indica que casi todos los adultos contienen H. pylori. La especie parece estar extinguiéndose en las sociedades industrializadas.

Las causas de la desaparición de la bacteria en el estómago humano se asocian, según Blaser, a las dificultades para transmitirse entre individuos y para persistir en el organismo humano en el entorno de la vida moderna. La transmisión de H. pylori sucede solo entre humanos, por contacto directo alimentario de madres a hijos o por contaminación fecal de alimentos y agua. Estas vías de transmisión son muy frecuentes en países en desarrollo, donde muchas madres alimentan a sus hijos e hijas después del destete masticando los alimentos que ponen en su boca. En países desarrollados donde no existe esta práctica y además existe saneamiento de aguas potables y canalización de las fecales, la transmisión y, por tanto, la incidencia de esta bacteria es mucho menor.

La inflamación causada por H. pylori en el estómago sería consecuencia de la respuesta del sistema inmune a esta bacteria, por lo que de alguna forma estaría estimulando la maduración inmunológica en edades tempranas. Se trata de una respuesta equilibrada y controlada que, por otra parte, ayuda a contrarrestar la acidez estomacal. El hecho de que estemos eliminando la bacteria puede desencadenar alteraciones en ese equilibrio y aparición de acidez y reflujo gastroesofágico, que en última instancia puede causar adenocarcinoma de esófago. Este tipo de cáncer ha aumentado muy rápidamente en los países desarrollados: se ha multiplicado prácticamente por seis en los últimos 30 años. También el aumento de casos de reflujo gastroesofágico se ha asociado a la ausencia de H. pylori en el estómago.

Helicobacter pylori

Helicobacter pylori en biopsia gástrica/ Giemsa Stain.

Aunque son más conocidas las consecuencias negativas de tener esta bacteria, H. pylori supone un caso de anfibiosis, tipo Dr. Jekyll y Mr. Hyde. Con la edad, la presencia de la bacteria aumenta la posibilidad de desarrollar úlcera y a continuación cáncer gástrico, pero a la vez previene el reflujo y el desarrollo de cáncer de esófago. La disminución de la bacteria se ha asociado también con un aumento de asma infantil, rinitis alérgica infantil y eczema o dermatitis atópica. La hipótesis de Blaser es que la presencia de H. pylori ejercería una modulación inmunológica en el individuo, regulando la inflamación y disminuyendo las respuestas alérgicas autoinmunes.

Menos lombrices intestinales

Otros  habitantes tradicionales del ecosistema intestinal humano en peligro de extinción serían las lombrices, que están desapareciendo al mejorar las condiciones de higiene. Este hecho también se relaciona con el incremento de enfermedades de base inmune. A diferencia de las bacterias que causan respuestas inflamatorias enérgicas, la respuesta frente a estos helmintos o gusanos es más suave y está fuertemente regulada. Habitualmente no causan síntomas y tienen un nivel de patogenicidad muy bajo. De hecho, se están empleando experimentalmente en el tratamiento de enfermedades autoinmunes como la esclerosis múltiple y las enfermedades inflamatorias intestinales.

La fortaleza del ecosistema intestinal se apoya en la diversidad de sus especies microbianas, que dependen de los nutrientes no digeridos de la dieta que alcanzan el colon. El descenso en el consumo de fibra en la dieta humana ha reducido la diversidad de la microbiota intestinal: estas bacterias son desaparecidas anónimas. Esta pérdida requiere una atención apremiante para superar la brecha del consumo reducido de fibra y promover dietas saludables. Es un mandato para nuestra salud y, en especial, para la de las futuras generaciones.

Carmen Peláez y Teresa Requena son investigadoras del CSIC en el Instituto de Investigación en Ciencias de la Alimentación (CIAL) y autoras de La microbiota intestinal, de la colección de divulgación ¿Qué sabemos de?, disponible en la Editorial del CSIC y Los Libros de la Catarata.

El secreto de la Vetusta Morla: ¿por qué unos animales viven más que otros?

Por Marta Fernández Lara*

“Hay un ser en Fantasía que es más viejo que todos los otros. Lejos, muy lejos, al norte, está el Pantano de la Tristeza. En medio de ese pantano se alza la Montaña de Cuerno y allí vive la Vetusta Morla. ¡Busca a la Vetusta Morla!”

Con esta cita, un búfalo purpúreo animaba en sueños a Atreyu a buscar a la Vieja Morla en la Historia Interminable de Michael Ende. Este singular animal no solo es el más viejo de Fantasía. En nuestro mundo, las tortugas de las Galápagos están entre los vertebrados más longevos que existen, llegando a vivir cientos de años. Pero, ¿cuál es la razón por la que estos animales son tan longevos?, ¿por qué hay tanta disparidad entre los años que viven unos organismos y otros?

La ciencia se ha planteado muchas veces este tipo de preguntas pues, de conocer sus respuestas, estaríamos más cerca de alcanzar el ansiado ‘elixir de la juventud’ que permitiera alargar la vida a los seres humanos.

Las bases del envejecimiento

Para tratar de encontrar respuestas a estas preguntas, primero hay que entender qué es lo que determina la esperanza de vida o el envejecimiento.

El envejecimiento es un proceso biológico que evita que un organismo viva eternamente, incluso en condiciones ideales en las que no hay depredación, ni fenómenos ambientales que puedan producir la muerte de los individuos.

En los últimos años, la comunidad investigadora se han sumergido en las profundidades celulares para comprender qué mecanismos biológicos contribuyen al proceso de envejecimiento. Dentro de la maquinaria celular, la acumulación de mutaciones y de daños en el ADN, la molécula que contiene nuestra información genética, está asociada con el envejecimiento. Tanto es así, que científicos como Luis Blanco y su equipo, del Centro de Biología Molecular (UAM-CSIC), se dedican a estudiar los mecanismos de reparación de estos daños. Del mismo modo, la alteración de algunos orgánulos componentes clave de la célula también contribuye a este proceso. Por ejemplo, la modificación de los componentes de la pared que envuelve el núcleo, el orgánulo que contiene el ADN, está relacionada con un envejecimiento prematuro.

Por otra parte, la actividad celular también tiene una gran influencia en el envejecimiento, ya que algunos mecanismos biológicos generan unas moléculas denominadas especies reactivas del oxígeno (ROS), que pueden producir daños a proteínas, membranas celulares, etc. Esto se denomina estrés oxidativo, y en algunos experimentos se ha observado que su reducción puede alargar la vida de ciertos animales de laboratorio.

Estos son solo algunos ejemplos de procesos que se han visto implicados en el envejecimiento, pero todavía queda mucho por comprender de este complejo fenómeno biológico. Resolver estas incógnitas nos acercaría a conocer la clave de las diferencias entre la velocidad a la que envejecen las distintas especies o por qué algunas, como las bacterias, parecen no hacerlo nunca.

Coral cerebro (‘Diploria labyrinthiformis’).

La longevidad bajo una perspectiva evolutiva

Sin embargo, otros investigadores tratan de desvelar ‘el secreto de la Vieja Morla’ observando las características de los ciclos de vida de los organismos desde un punto de vista evolutivo.

En la naturaleza observamos que los organismos tienen diferentes estrategias vitales: algunos crecen más rápido, otros más lento; unos se reproducen antes, otros después y algunos viven más tiempo que otros. Estas diferencias han surgido como consecuencia de la actuación de procesos evolutivos a lo largo del tiempo.

En lo que se refiere al envejecimiento, los científicos han propuesto distintas hipótesis para tratar de explicar cómo ha evolucionado este proceso y por qué se mantiene.

Una de estas hipótesis explica que el envejecimiento se produce principalmente por la acumulación de mutaciones en el ADN cuyos efectos negativos se manifiestan con la edad. Una segunda teoría plantea que habría genes que, en etapas tempranas de la vida, tendrían efectos positivos en los organismos, por lo que se favorecería su transmisión a la siguiente generación por selección natural. Sin embargo, con el tiempo estos genes desencadenarían procesos negativos relacionados con el envejecimiento. Por último, otra de las principales hipótesis explica que las especies tienen una cantidad limitada de energía que deben repartir entre mantenerse vivos y reproducirse; y en reparar los daños del ADN que contribuyen a este proceso.

Todas estas hipótesis estarían relacionadas con un factor esencial que explicaría las diferencias de longevidad entre los animales: la mortalidad por causas ambientales. Por un lado, los animales que viven en ambientes en los que corren menos riesgo de morir por factores externos como la depredación, enfermedades, etc., la selección natural favorecerá un desarrollo más lento de los individuos, la expresión tardía de las mutaciones con efectos negativos y, en definitiva, retrasará el envejecimiento. Por otro lado, si las especies experimentan un riesgo alto de mortalidad por factores externos, su vida será más corta, la selección natural no tendrá tiempo de actuar para eliminar estas mutaciones perjudiciales que se acumularán antes, favoreciendo un envejecimiento temprano.

Un ejemplo de cómo influye el ambiente en la velocidad de envejecimiento de los animales es la investigación en la que ha participado recientemente Jordi Figuerola, investigador de la Estación Biológica de Doñana (EBD-CSIC). El estudio, realizado en mirlos, muestra que las poblaciones de zonas urbanas, que experimentan más estrés, presentan un mayor acortamiento de telómeros frente a las de zonas naturales. Los telómeros son regiones de los cromosomas que protegen el ADN de la degradación, y su acortamiento es un signo de envejecimiento.

Ejemplar de mirlo / Eloy Revilla (EBD-CSIC).

Así, se ha observado que los animales que poseen rasgos que les protegen de morir por causas ambientales presentan una longevidad mayor. Este es el caso de las aves y mamíferos voladores como los murciélagos, que en muchos estudios se ha visto que viven más que los que no poseen esta capacidad. Del mismo modo, parece que los mamíferos que habitan en los árboles viven más años que otros mamíferos terrestres, lo que explicaría que, por ejemplo, los primates tengan una vida tan larga en comparación con otras especies. La explicación que han propuesto las diversas investigaciones a estas observaciones es que la vida en las alturas proporciona una mayor protección frente a los depredadores, reduciendo así la mortalidad por factores externos y favoreciendo un envejecimiento tardío. Un último ejemplo, que nos acerca al enigma que nos proponíamos al principio, es el de los animales con caparazón o conchas protectoras que, como en el caso de las tortugas, presentan también una mayor longevidad.

¿Está resuelto, entonces, el misterio? Sin duda, estas teorías evolutivas dan un paso más en la comprensión de este proceso y de las diferencias de longevidad entre los organismos pero, una vez más, todavía quedan muchas incógnitas por resolver. Parece que aún nos queda un largo camino hasta llegar a la Montaña del Cuerno donde la Vetusta Morla guarda celosamente su secreto.

 

Marta Fernández Lara es colaboradora del Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC).

¿Qué peligros entraña para el cuerpo humano un viaje a Marte?

Por Juan Ángel Vaquerizo (CSIC)*

Cada vez resulta más evidente que en un futuro no muy lejano el ser humano acometerá definitivamente la conquista del espacio y la exploración de otros planetas y lunas. Las agencias espaciales de todo el mundo llevan décadas desarrollando programas de exploración robótica del Sistema Solar y, desde hace ya unos años, están planificando el siguiente paso en la conquista del espacio: los viajes humanos de exploración planetaria.

De todos los posibles objetivos, el planeta Marte es el favorito. Su cercanía y la posibilidad de vida presente o pasada en el planeta rojo lo convierten en un destino irresistible para la ciencia, e incluso ya se empieza a pensar en Marte como en un segundo hogar para la raza humana, llegado el momento. 

Pero llevar seres humanos a Marte o a cualquier otro destino del Sistema Solar entraña sus riesgos, derivados de los efectos que el espacio tiene sobre el cuerpo humano. Nuestra fisiología está adaptada a las condiciones de la Tierra, de modo que cualquier cambio tiene sus consecuencias a nivel anatómico. La diferencia fundamental es la situación de microgravedad que se sufre durante los viajes espaciales.

¿Qué entendemos por microgravedad? El término es un poco extraño. ¿Nos referimos a que la gravedad es muy pequeña, de ahí lo de ‘micro’? ¿Tiene algo que ver con lo que se denomina ingravidez, que sería, literalmente, ausencia de gravedad? Pues bien, el término microgravedad se usa para describir la situación en la que están los astronautas en una nave espacial que orbita alrededor de la Tierra. No se trata de una situación de ausencia de gravedad, pues los astronautas están orbitando y, por lo tanto, siguen siendo atraídos por el planeta, así que debemos desterrar el término ingravidez. Es una situación de caída libre “controlada”: los astronautas se desplazan a gran velocidad en su órbita alrededor de la Tierra (en concreto a unos 28.000 km/h), lo que hace que caigan continuamente, sin llegar a tocar tierra. El efecto es el de una caída libre continua de la nave espacial y de todo lo que contiene en su interior, astronautas incluidos. Por este motivo todo parece flotar dentro de la nave, y por eso deben tomarse medidas para que los objetos estén “sujetos” en todo momento.

Un viaje interplanetario es muy similar en sus efectos sobre el cuerpo humano a una estancia prolongada en microgravedad en una estación espacial orbital como la ISS (Estación Espacial Internacional, de sus siglas en inglés). La experiencia obtenida desde los años 70 del siglo pasado a partir de las numerosas estancias de astronautas en las sucesivas estaciones espaciales orbitales, ha permitido estudiar que le sucede al cuerpo humano.

Así pues, si alguien está pensando en embarcarse hacia Marte ¿cuáles son los riesgos físicos a los que se expone?

NASA/NSBRI

Mareos y vómitos

El oído interno y los órganos del equilibrio funcionan como un acelerómetro que indican al cuerpo si la persona está en movimiento o en reposo, si está de pie o tumbada. Pero en el espacio, sin una fuerza que “tire hacia abajo”, ese mecanismo no funciona. Esto provoca que cuatro de cada cinco astronautas sufran mareos en las primeras 24-48 horas en microgravedad, normalmente acompañados de pérdida de apetito y vómitos.

El líquido se sube a la cabeza

A través del cuerpo se mueve una gran cantidad de fluidos. En la Tierra, esos líquidos tienden a acumularse en las piernas y los pies, pero en microgravedad los fluidos comienzan a distribuirse de manera uniforme por todo el cuerpo, desplazándose desde la parte inferior hacia la parte superior. El resultado de esta redistribución de los fluidos es que la cara tiende a hincharse y las piernas adelgazan. Pero no se trata simplemente de un cambio en el aspecto. La acumulación de fluidos en la cabeza puede ocasionar un aumento en la presión intracraneal y en la del nervio óptico, y por tanto afectar a la agudeza visual. También nos hace menos sedientos, embota el sentido del gusto y causa una sensación de “nariz tapada” similar a las que producen las alergias. Generalmente cuando los astronautas regresan a la Tierra, los fluidos se redistribuyen de nuevo y estos problemas tienden a mejorar.

Atrofia muscular y pérdida de masa ósea

En microgravedad, los huesos y los músculos ya no tienen que soportar el peso del cuerpo, por lo que se debilitan. Sin peso, el cuerpo empieza a sufrir atrofia muscular y pérdida de densidad ósea. En microgravedad, los músculos que trabajan para mantenernos erguidos pueden llegar a perder hasta un 20% de su masa, y la masa muscular total puede reducirse hasta un 5% semanal. Según los datos, un astronauta puede perder, en un mes en el espacio, la misma cantidad de masa ósea (alrededor de un 1%) que una persona que sufre osteoporosis a lo largo de un año. Esta pérdida provoca un aumento del nivel de calcio en la sangre, lo que, a su vez y junto con la propensión a la deshidratación, conduce a un mayor riesgo de desarrollar cálculos renales. Para evitar todo esto, los astronautas consumen vitamina D y realizan dos horas al día de actividad física intensa, lo que, además de contrarrestar la pérdida ósea y la atrofia muscular, les ayuda “a tener los pies en la tierra”.

El corazón se hace pequeño

Los astronautas también experimentan pérdida de volumen de sangre, debilitamiento en el sistema inmunitario y falta de condición física cardiovascular, ya que flotan sin esfuerzo alguno y el corazón bombea la sangre con mucha mayor facilidad, lo que hace que se debilite y disminuya su tamaño.

Radiación diez veces mayor

Además, no se puede olvidar el efecto de la radiación en el cuerpo humano. En la Tierra el campo magnético funciona como una protección natural contra la radiación de alta energía. La ISS cuenta con una protección artificial diseñada para proteger a los astronautas de la radiación. Aun así, los astronautas siguen estando expuestos a un nivel de radiación diez veces mayor del que estarían en tierra. Los sistemas de protección limitan los riesgos, pero un hipotético viaje a Marte expondría a los astronautas tanto a la radiación de alta energía como a los rayos cósmicos dañinos. Sin una protección adecuada, aumentaría el riesgo de cáncer, podrían sufrir enfermedades por efecto de la radiación, se alterarían las funciones cognitivas y motoras, e incluso la exposición reiterada a la radiación podría llegar a provocar cataratas y enfermedades cardíacas y circulatorias.

Hay que trabajar después de flotar

Por último, habría que tener en cuenta el hecho del aterrizaje en el suelo marciano después de experimentar microgravedad durante un largo periodo de tiempo. La tripulación de una hipotética misión a Marte tendría que ser capaz de comenzar a trabajar justo después del aterrizaje. A pesar de que Marte tiene sólo un tercio de la gravedad terrestre, los astronautas tendrían que realizar un ajuste a la nueva situación después haber estado flotando durante varios meses. Por ejemplo, en microgravedad se pierde la referencia de lo que pesan las cosas, de modo que hay que estar atento cuando uno está de nuevo en la superficie de un planeta, porque los objetos “vuelven a pesar”.

En definitiva, a pesar de que nuestros cuerpos no fueron hechos para vivir en el espacio, el conocimiento adquirido hasta el momento nos muestra que el cuerpo humano es capaz de adaptarse a situaciones diversas y adversas, lo que nos permitirá sin duda superar esta última frontera, necesaria para acometer la conquista del espacio.

El rumbo está marcado: Marte nos espera. Y lo mejor de todo es que ya hemos iniciado el camino: el primer ser humano que pisará la superficie marciana ya ha nacido y puede estar leyendo estas líneas.

 

Juan Ángel Vaquerizo es el responsable de la Unidad de Cultura Científica del Centro de Astrobiología (CSIC-INTA). Este centro colabora con la misión marciana InSight de NASA, en la que viaja a bordo el instrumento TWINS desarrollado en el CAB. El lanzamiento a Marte de la misión se realizará el próximo sábado, 5 de mayo, y se podrá seguir en directo a través de NASA TV a partir de las 13:05 horas, hora peninsular española.

 

¿Quieres una dosis de humor científico? ‘Ciencia en Navidad’ te espera este 22 de diciembre

Por Mar Gulis (CSIC)

Se abre el telón. Dos científicos comienzan una disertación acerca de si es posible la vida extraterrestre. Pero nada es lo que parece… Así comienza la cuarta edición de ‘Ciencia en Navidad’, un evento con el que el CSIC quiere celebrar estas fiestas apostando por el lado más lúdico de la ciencia.

Bajo el título ‘2017: una odisea llegar hasta aquí’, humor, espectáculo y astrobiología convergerán en una representación que tendrá lugar el próximo 22 de diciembre en la sede central del CSIC (C/ Serrano, 117), a las 18.00 horas. Sobre las tablas, el biólogo molecular Óscar Huertas, junto al ingeniero electrónico Miguel Abril, el astrofísico Manuel González y el investigador y divulgador Emilio García, los tres últimos del Instituto de Astrofísica de Andalucía del Consejo, protagonizarán desternillantes diálogos sobre el origen de la vida en el universo. Durante la representación, los asistentes incluso recibirán la visita de dos extraterrestres enviados a la Tierra con la misión de exterminar a la especie humana.

 

Con ‘2017: una odisea llegar hasta aquí’, que se dirige a un público mayor de 8 años, el CSIC se propone ofrecer una actividad de divulgación para toda la familia durante el periodo navideño. Y una vez más, la clave de ‘Ciencia en Navidad’ está en la utilización de formatos alternativos para acercar a la sociedad temas complejos. Esta vez, el reto es seducir a personas de diferentes edades y perfiles con contenidos relacionados con la astrobiología.

“La ciencia está haciendo cosas para averiguar si existe vida extraterrestre inteligente. No os podéis perder esta charla, ¡puede cambiar vuestras vidas!”, dicen los artífices de la propuesta. La entrada es libre y gratuita hasta completar aforo, así que ya tenéis plan para este viernes.

CRISPR: cómo las bacterias nos enseñan a editar los genes

Por Lluís Montoliu (CSIC)*

Frecuentemente pensamos en las bacterias como fuente de problemas. Efectivamente, son las causantes de enfermedades infecciosas tan graves como la tuberculosis, el cólera o la peste, pero también son las que nos proporcionan yogures y otros derivados lácteos. Además, las bacterias llevan miles de millones de años sobre la Tierra, muchísimos más que nosotros. Durante todo este tiempo han desarrollado un sistema de defensa muy eficaz que les permite zafarse de la infección por virus.

El sistema inmune de las bacterias fue descubierto por Francisco Juan Martínez Mojica, microbiólogo de la Universidad de Alicante, que lleva más de 25 años investigando sobre este tema. ¿Qué hace que este mecanismo de defensa sea tan especial? Pues, entre otras cosas, que se transmite genéticamente, de unas bacterias a sus hijas o descendientes. Por ejemplo, cuando nosotros nos vacunamos contra el virus del sarampión adquirimos unas defensas que evitan que desarrollemos esta enfermedad. Ahora bien, nuestros hijos no heredan esta defensa. Si queremos que ellos estén protegidos contra el sarampión, también tenemos que vacunarlos (algo sobre lo que nadie debería albergar hoy en día ninguna duda, por cierto). Las bacterias son más inteligentes que nosotros. Una vez aprenden a defenderse de un virus son capaces de transmitir esta defensa a sus hijas, y éstas a sus nietas, etc., perpetuando esta defensa. Este descubrimiento básico de Mojica, realizado en 2003, sirvió para que otros investigadores se dieran cuenta de que el mecanismo por el cual las bacterias se defienden de los virus también puede usarse, sorprendentemente, para editar los genes con una precisión nunca antes vista.

En 2012 varios científicos, entre ellos las investigadoras Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier, describieron este sistema de edición basándose en los trabajos de Mojica. El sistema está formado por una proteína, denominada Cas, que actúa como una tijera molecular capaz de cortar el ADN de forma muy precisa dirigida por una guía, una pequeña molécula de ARN que le dice a la tijera Cas dónde tiene que cortar. Este sistema se denomina CRISPR (pronúnciese “crisper”), acrónimo en inglés que describe las características de estas secuencias genéticas que dirigen el corte de la tijera molecular. Éste fue el nombre, hoy en boca de investigadores de todo el mundo, acuñado también por Mojica en 2001.

El mecanismo por el cual las bacterias se defienden de los virus también puede usarse para editar los genes. / geneticliteracyproject.org

¿Qué podemos hacer con las herramientas CRISPR? Igual que cuando nos equivocamos al escribir un texto en el ordenador y podemos volver atrás y corregir, eliminar o sustituir la palabra o letras erróneas, con las herramientas CRISPR podemos editar los genes. Podemos añadir letras si faltan, eliminar letras si sobran, sustituirlas o corregirlas por otras. En definitiva, podemos modificar los genes a voluntad. Esto ha provocado una verdadera revolución en biología, biomedicina y biotecnología.

Ahora podemos desarrollar modelos celulares y animales más adecuados para el estudio de las enfermedades. Por ejemplo, tras diagnosticar a un paciente afectado por alguna de las miles de enfermedades raras de base genética que existen, y detectar el gen y la mutación causantes de esa enfermedad, podemos replicar exactamente esa misma mutación en ratones. A estos ratones que reproducen la misma alteración genética de un paciente los llamamos ‘ratones avatar’ para ilustrar la conexión existente entre ellos. Gracias a ellos podremos validar la seguridad y eficacia de nuevos tratamientos de una forma más efectiva, ya que son portadores del mismo error genético. Si somos capaces de introducir una mutación en ratones, también deberíamos poder usar las mismas herramientas CRISPR para revertir errores genéticos que afectan a los millones de personas con alguna enfermedad rara. No estamos todavía ahí, pero sí en el buen camino.

Ratones avatar modificados genéticamente con CRISPR. / Davide Seruggia

Los resultados preliminares de tratamientos genéticos basados en CRISPR probados en animales son muy esperanzadores, pero todavía no están listos para su aplicación efectiva en pacientes. ¿Por qué no podemos usar las herramientas CRISPR en el hospital? En primer lugar, la precisión que tienen las herramientas de edición genética CRISPR no es absoluta. En determinadas ocasiones pueden cortar en secuencias genéticas muy parecidas, causando alteraciones no deseadas en genes similares que no deberíamos modificar, y cuyos cambios pueden causar problemas mayores de los que queremos solucionar. Esta es una limitación que puede reducirse al mínimo si se diseñan cada vez mejores guías y se seleccionan tijeras moleculares con mayor precisión.

Pero lo más preocupante es la segunda de las limitaciones de las herramientas CRISPR. Toda la precisión que tienen para cortar el genoma en el gen y la secuencia correctas, no la tienen los mecanismos de reparación que entran en juego inmediatamente tras el corte, restaurando la continuidad del cromosoma. Estos sistemas de reparación, que tenemos en nuestras células, progresan de forma un tanto azarosa, añadiendo y quitando letras hasta conseguir enganchar los dos fragmentos del cromosoma cortado. Si bien es cierto que podemos inducir la reparación con secuencias genéticas molde que sirvan como patrón para la reparación, también sucede que no siempre las células usarán el molde y, por ello, al reparar el corte, generarán una nueva modificación genética no deseada. Tenemos que seguir investigando estos mecanismos de reparación, para poder controlarlos y hacerlos más precisos y seguros. Solamente entonces podremos recomendar, siempre con prudencia, el uso de las herramientas CRISPR en el tratamiento de enfermedades de base genética en personas.

Tras proponerlas como sistemas de edición genética en 2012, las herramientas CRISPR fueron usadas por vez primera en 2013. Hoy, apenas cuatro años más tarde, ya estamos pensando en maneras de optimizar su uso en terapias para enfermedades, para hacerlas más seguras y efectivas. Cuando estudiaba los microorganismos que habitan las salinas de Santa Pola, Mojica no podía imaginar el camino futuro que iban a tomar sus investigaciones de biología básica. Tratando de entender como esas bacterias se defendían de los virus que las acechaban, llegó hasta un hallazgo revolucionario. Ahí está la belleza y el poder de la ciencia. Un descubrimiento microbiológico, en apariencia menor, que pasa a ser la mayor revolución tecnológica en biología. Así pues, debemos de estar agradecidos a las bacterias, por mostrarnos nuevas formas de luchar contra las enfermedades. Y a Francisco Mojica, por haber descubierto este proceso de la naturaleza y habérnoslo contado, por haber descrito el sistema CRISPR que tantas aplicaciones biomédicas está produciendo.

Vídeo en el que la proteína Cas9 corta una molécula de ADN en tiempo real por microscopía de fuerza atómica. Imágenes de la Universidad de Tokio publicadas en este artículo.

 

* Lluís Montoliu es investigador del Centro Nacional de Biotecnología (CNB) del CSIC.

 

¿Puede un robot pintar un Rembrandt?

Por Mar Gulis (CSIC)

“¿Sería posible revivir a Rembrandt?”. A partir de esta provocadora pregunta, Ramón López de Mántaras, investigador del CSIC, explica uno de los éxitos de la inteligencia artificial aplicada al arte: la creación de un cuadro que, según los expertos consultados, podría pasar por un auténtico Rembrandt. Científicos, ingenieros e historiadores del arte trabajaron durante más de un año para ‘enseñar’ a una computadora a ser ‘el próximo Rembrandt’. The Next Rembrandt, como se denomina este proyecto, ha sido impulsado por varias multinacionales, la Universidad Técnica de Delft y los museos Mauritshuis y Rembrandthuis. ¿El resultado? Este cuadro, una obra que imita a la perfección los trazos y el estilo del gran pintor holandés.

El software ‘pintó’ la obra tras analizar 326 obras del famoso pintor holandés / The Next Rembrandt

Para ello, “el software analiza detalladamente el trazo de las pinturas originales, las proporciones y distancias que se observan en los retratos de Rembrandt y otras muchas variables que se repiten en las obras del pintor: rostros masculinos, con bigote o barba, con sombrero, con la cabeza generalmente ladeada y mirando a la derecha… Después, con una impresora 3D, esta inteligencia artificial ‘pinta’ un Rembrandt”, comentó Mántaras, director del Instituto de Investigación en Inteligencia Artificial del CSIC, durante una charla del ciclo Inteligencia artificial y robótica en la Residencia de Estudiantes de Madrid.

Previamente, los desarrolladores identificaron y clasificaron los patrones más comunes de la obra del pintor, desde su composición hasta las dimensiones de los rasgos faciales de los personajes retratados. Así, la obra resultante se basa en el análisis pormenorizado de miles y miles de fragmentos pictóricos de los 346 cuadros conocidos del autor. El procesamiento estadístico de todos los datos hace que el software ‘fabrique’ un cuadro que integra las variables que más se repiten; en este caso, la pintura resultante debía ser un retrato de un hombre caucásico, de entre 30 y 40 años, con vello facial, ropa oscura, cuello blanco, sombrero y la cara girada hacia la derecha, como muchas de las obras del maestro del barroco.

A lo largo del proceso, la computadora combina un algoritmo de reconocimiento facial con un software de aprendizaje profundo. Después, ‘aprende’ a pintar una nariz, unos ojos o una boca como lo haría Rembrandt. Como resultado, pinta un nuevo cuadro, no una réplica de uno existente.

El proyecto refleja hasta qué punto está perfeccionándose la capacidad de los ordenadores para realizar tareas específicas mejor que las personas. Este no es el único ejemplo: jugar al ajedrez, buscar soluciones a fórmulas lógicas o realizar diagnósticos más rápido que los médicos son actividades que algunas máquinas resuelven con más pericia que los humanos. Ahora bien, ¿es posible construir máquinas con una inteligencia similar a la humana? Esta es una de las preguntas que planteaba Mántaras, también coautor del libro Inteligencia artificial (CSIC-Catarata). En su opinión, “los intentos de crear este tipo de inteligencia artificial se enfrentan a la dificultad de dotar a las máquinas de sentido común”. Este conocimiento es fruto de nuestras vivencias y experiencias, que a su vez son el resultado de una interacción constante con el entorno, algo que no pueden adquirir las computadoras.

“Ese es el gran desafío. No nos acercamos a la inteligencia artificial general porque desarrollamos inteligencias muy específicas. Hay que integrar todo eso”, añadió. Como señala en su libro, “necesitamos nuevos algoritmos que puedan responder a preguntas sobre prácticamente cualquier tema. Y además, estos sistemas deberán ser capaces de aprender nuevos conocimientos a lo largo de toda su existencia”. Eso sí, mientras se avanza hacia esa inteligencia profunda, ya podemos admirar obras maestras realizadas por computadoras; aunque quizá nos hallemos también ante una nueva pérdida del aura de la obra de arte, tal y como advirtió Walter Benjamin.

 

Sarah Mather, la desconocida inventora del periscopio

Por Mar Gulis (CSIC)

 Dibujo que aportó Mather para registrar su  patente en 1845 / Oficina de Patentes de EEUU

Hace 172 años, una estadounidense de la que apenas sabemos nada escribía lo siguiente: “La naturaleza de mi invención consiste en la construcción de un tubo con una lámpara unida a un extremo del mismo que puede ser hundido en el agua para iluminar objetos con el mismo, y un telescopio para ver dichos objetos y hacer exámenes bajo el agua…”. Así comenzaba la presentación de su patente Sarah Mather. Era el 16 de abril de 1845 y esta mujer había inventado el periscopio submarino.

Este instrumento óptico con forma de tubo permite, gracias a la utilización de prismas o espejos y basándose en la ley de la reflexión de la luz, la observación de una zona inaccesible a la visión directa. A través de su particular diseño, el periscopio posibilita que alguien que está oculto en una trinchera, un submarino u otro espacio diferente, vea sin ponerse al descubierto. Generalmente, mediante un volante en su extremo inferior el periscopio puede girar y así ampliar la observación a un campo de 360º. Si además se le añaden lentes con aumento, es posible observar a gran distancia. De ahí que su utilización sea frecuente en los submarinos, con el fin de ver sobre la superficie del agua mientras el vehículo se desplaza subacuáticamente.

Así, el periscopio ideado por Mather posibilitó a los buques de navegación marítima, ya en el siglo XIX, inspeccionar las profundidades del océano o saber a qué distancia y posición se encontraban determinados objetos sin que el observador fuera visto. Pero, “aunque su patente fue clave en la historia de la navegación submarina, apenas conocemos datos de la biografía de Mather”, cuenta Sara El Aissati, del Instituto de Óptica del CSIC y miembro del IO-CSIC OSA student chapter (IOSA).

En el Diccionario Biográfico de la Mujer en la Ciencia, una vasta obra que recoge la biografía de cerca de 3.000 mujeres científicas, “se sugiere que Mather se casó y que tuvo al menos una hija”, señala la investigadora. Pero no se conoce su fecha de nacimiento, ni cuándo murió, ni aparecen registradas otras patentes suyas. Tampoco parece existir ninguna imagen de esta inventora olvidada.

Una mujer observa a través de un periscopio a bordo de un submarino estadounidense / US Navy.

En el registro de su invención, la propia Mather explicaba la utilidad del artilugio: “La lámpara y el telescopio se pueden usar para diversos fines, tales como el examen de los cascos de los buques, para examinar o descubrir los objetos bajo el agua, para la pesca, la voladura de rocas para despejar los canales y otros usos”. De estas líneas puede deducirse que la inventora seguramente no se imaginaba el grado de sofisticación que alcanzaría su ingenio, pieza clave en la investigación marítima y en el desarrollo de la industria naval. Como recuerda El Aissati, “la primera noticia que se tiene de la utilización de un periscopio data de 1864, fecha en la que Thomas Doughty, ingeniero de la Armada de los EE UU, usó un tubo de hierro y unos espejos a bordo de un barco fluvial en la expedición al río Rojo”.

Hoy varios son los usos que se le dan a este invento. Más allá del ámbito militar, los periscopios siguen siendo utilizados para observar buques y aviones y así facilitar la navegación marítima y aérea; para realizar investigaciones e incluso en el ámbito de la publicidad, cuando se quieren conseguir determinadas imágenes en actos multitudinarios o simplemente difíciles de obtener.

Paradójicamente, “hasta 2011 a las mujeres estadounidenses no se les permitió servir en submarinos, a pesar de que fue una de ellas la que contribuyó a la modernización de los mismos con este invento”, afirma El Aissati.