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La importancia de la ciencia básica: ¿cómo se inventó la PCR?

Por Carlos Pedrós-Alió y Mar Gulis (CSIC)*

En las últimas semanas la prueba PCR (siglas en inglés de ‘Reacción en Cadena de la Polimerasa’) se ha hecho muy popular como herramienta para el diagnóstico del coronavirus SARS-CoV-2. Sin embargo, esta técnica se lleva utilizando desde finales del siglo pasado en laboratorios de todo el mundo para localizar y amplificar fragmentos de material genético con un enorme éxito. Sin ella, por ejemplo, no habrían sido posibles la secuenciación del genoma humano, las pruebas de paternidad, muchos desarrollos de la medicina forense o la identificación de víctimas de la guerra civil española enterradas en fosas comunes.

Lo que aún menos personas saben es que la PCR tiene una historia impredecible, como tantas en ciencia, que comienza hace más de 50 años con un organismo tan exótico como poco prometedor.

Thomas D. Brock tomando muestras de tapetes microbianos en Yellowstone. / T. D. Brock.

En septiembre de 1966 Thomas D. Brock estaba en el Parque Nacional de Yellowstone estudiando los microorganismos que vivían en fuentes termales. Poco antes de finalizar el trabajo de campo, Brock y su estudiante Hudson Freeze recogieron muestras de Mushroom Spring (el manantial del hongo) para intentar aislar unos microorganismos que for­maban tapetes de color anaranjado. De regreso en el labo­ratorio en la Universidad de Indiana, sembraron placas de cultivo y las incubaron en diferentes medios a 70 grados. El microorganismo anaranjado no creció, pero en algunas placas apareció una nueva bacteria que podía crecer hasta los 78 grados y que no podía hacerlo por debajo de los 45. Claramente se trataba de un nuevo organismo termófilo, es decir, adaptado a las altas temperaturas. Brock y Freeze realizaron entonces las pruebas necesarias para describir el organismo y le pusieron el nombre de Thermus aquaticus.

El relato concluiría aquí si no fuera porque en 1989 David H. Gelfand tuvo la idea de utilizar un microorganismo termófilo para mejorar una técnica creada poco antes en su misma empresa, Cetus, por Kary Mullis: la PCR.

La PCR es una especie de fotocopiadora molecular que permi­te realizar tantas copias como se quiera de un fragmento de ADN seleccionado. La forma de seleccionar este fragmento y no otro consis­te en mezclar el ADN de la muestra que se va a analizar con dos pequeños fragmentos de ADN que se denominan ceba­dores. Al calentar la muestra con estos cebadores, la doble cadena se separa. Al enfriarla a continuación, los cebadores se hibridan con el fragmento de ADN complementario de su se­cuencia. Si los hemos elegido correctamente, nuestros ceba­dores se unirán al principio y al final del gen que buscamos. En este momento, añadimos la enzima que duplica el ADN, la ADN polimerasa, para que se una al cebador y comience a replicar el ADN. La enzima no puede replicar una cadena de ADN a menos que parta desde un cebador, de ahí el nom­bre.

Al cabo de un rato, volvemos a calentar la mezcla, con lo que las cadenas se vuelven a separar. Volvemos a enfriar y ahora tendremos el doble de copias del ADN de interés. Si añadimos más polimerasa, volveremos a repetir el ciclo, pero esta vez tendremos ocho copias. El proceso va aumentando el número de copias del fragmento de interés de forma expo­nencial, de manera que, al cabo de 20 o 30 ciclos, la mayor parte del ADN consiste en copias idénticas de nuestro gen de interés. Una vez conseguido esto, lo podemos secuenciar con facilidad.

Pasos de la PCR. En 1 tenemos una molécula de ADN (en blanco), dentro de la cual está el fragmento A que nos interesa (en negro). En 2 las dos cadenas del ADN se separan al calentarlas. En 3 añadimos los cebadores. Bajamos la temperatura y los cebadores y se unen a las zonas del ADN complementarias. En 4 añadimos la ADN polimerasa que anclándose en el cebador, “lee” la secuencia de bases de la cadena madre y sintetiza la cadena hija complementaria. En 5, después de un tiempo adecuado, tenemos cuatro copias del fragmento A y solamente 2 del resto del ADN. 

Como hemos dicho, la técnica era el resultado de una idea brillante de Kary Mullis, que recibió el Premio Nobel por este descubrimiento en 1993. Sin embargo, la idea original tenía un problema: en cada ciclo, al calentar la muestra, la polimerasa se desnaturalizaba y había que volver a añadir más enzima. Esto hacía que la técnica resultara muy laboriosa y poco eficiente.

Fue entonces cuando a David H. Gelfand se le ocurrió utilizar la enzima de un microorganismo termófilo. De esta manera la enzima no se desnaturalizaría y se podría volver a utilizar en el siguiente ciclo. Gelfand probó las enzimas de un gran número de bacterias termófilas y la mejor resultó ser la de la bacteria que Thomas D. Brock había aislado dos décadas antes. En 1989 David H. Gelfand y otros científicos de la em­presa Cetus registraron una patente para realizar la técnica de la PCR con una enzima extraída de Thermus aquaticus: la Taq polimerasa.

Del hallazgo a la aplicación práctica

La historia anterior tiene muchas moralejas que conciernen a la ciencia. La primera es que entre un descubrimiento y su aplicación práctica pasan muchos años. Trascurrieron 20 años hasta que la bacteria aislada en Yellowstone por un ecólogo microbiano fue utilizada en una patente por un biólogo molecular que trabajaba para una de las primeras empresas de biotecnolo­gía. La aplicación de esa técnica a la ciencia forense toda­vía se demoró unos cuantos años más. Pero en 1996 la PCR permitió por primera vez liberar a un falso culpable de la cárcel: el uso de esta técnica hizo posible declarar inocente a Kevin Green, un hombre que había sido encarcelado 16 años antes en California de forma errónea por un crimen de violación.

Mushroom Spring (el manantial del hongo) en el Parque Nacional de Yellowstone. / NPS Photo.

Nadie hubiera podido prever en 1965 que el proyecto de investiga­ción que Brock presentó a la National Science Foundation (NSF) iba a tener consecuencias prácticas 30 años después. Afortunadamente, los evaluadores de la NSF se basaron en la calidad científica del proyecto y de su investigador principal para aprobarlo y, en consecuencia, financiarlo. Y esta es la segunda conclusión. Las aplicaciones de la investigación básica no se pueden predecir.

Tanto en la Unión Europea como en nuestro país, las instituciones tienen una gran preocupación por financiar la investigación que resulte beneficiosa para la sociedad. Las frases que se han puesto de moda son “mejorar la calidad de vida de los europeos” y “realizar la investigación que pide la sociedad”. Si estos hubieran sido los criterios para evaluar el proyecto de Brock, este no se habría financia­do y Kevin Green tal vez seguiría en prisión.

Pero es que la PCR no solamente se utiliza en esos casos. Por ejemplo, el caso Maeso, el anestesista que contagió la hepatitis a muchos pacientes en un hospital de Valencia, se resolvió gracias a la PCR. Actualmente, la técnica se emplea en miles de laboratorios de medicina, de antropología y de biología en todo el mundo y genera anualmente un negocio de 20.000 millones de euros, además de mantener muchos puestos de trabajo.

Cuando Brock decidió estudiar las fuentes termales de Yellowstone no estaba pensando en mejorar la calidad de vida de los americanos, hacer la investigación que pedía la sociedad o desarrollar pruebas médicas para controlar una pandemia. ¿Alguien puede imaginar a la sociedad pidiendo que se investigaran los exóticos microbios que vivían en las fuentes termales de Yellowstone?

En lo que estaba pensando Brock era en buscar los límites de la vida, estaba embarcado en una empresa intelectual formidable que le empujaba a de­dicar todos sus esfuerzos a entender mejor el funcionamiento de la naturaleza. Al igual que los artistas de vanguardia, sentía pasión por ir más allá de la superficie de las cosas, superarse, buscar algo nuevo que nadie había imaginado hasta ese mo­mento. En cualquier caso, el hecho de que las aplicaciones de un descubrimiento científico sean totalmente imprevisibles demuestra que la investigación básica no solamente es im­prescindible (sin ella no puede haber aplicaciones), sino que no puede ser dirigida.

 

* Carlos Pedrós-Alió es investigador del Centro Nacional de Biotecnología del CSIC y autor del libro La vida al límite (CSIC-Catarata).

Biominería: el poder de las ‘bacterias comepiedras’

AutorPor Felipe Gómez Gómez (CSIC-INTA)*

Montones de mineral apilados y humeantes. Casi desde el inicio de la minería esta ha sido una imagen habitual a pie de mina. Los mineros han regado y siguen regando con agua ácida el material extraído de la tierra, porque saben que de esta forma se obtiene un mayor rendimiento al procesarlo. Históricamente se ha hecho así porque funciona, pero pocas veces ha trascendido la explicación científica.

Bacilo

Acidithioabacillus ferrooxidans fue la primera bacteria aislada de un ambiente ácido en una mina española y capaz de oxidar elementos metálicos.

Corta Atalaya

Mina a de Corta Atalaya en Río Tinto (Huelva). / Wikipedia.

Lo cierto es que, de modo consciente o no, se está practicando la biominería. Al regar el mineral, se potencia el crecimiento de bacterias que favorecen la extracción de metales como cobre, cobalto, níquel o cinc. El aumento de la actividad bacteriana hace que suba la temperatura y, con ella, la evaporación de agua. Por eso vemos vapor emanar de los montones.

De hecho, sabemos que gran parte del cobre que se extrae al disolver el mineral en un líquido, proceso conocido como lixiviación, se obtiene gracias a la intervención de microorganismos que normalmente se encuentran de forma natural en los minerales. Por esta razón sería más preciso hablar ‘biolixiviación’.

Hoy en día se están desarrollando investigaciones para entender mejor estos procesos y optimizar sus rendimientos. Pero no queremos quedarnos en este punto: también tratamos de identificar microorganismos que de forma específica incrementan la extracción de ciertos metales.

¿Cómo trabajan las bacterias mineras?

Las bacterias logran hacer solubles los minerales porque se alimentan de ellos; motivo por el que son conocidas como ‘comedoras de piedras’ o ‘quimiolitótrofas’. Para ganar energía oxidan los minerales: les extraen electrones, los almacenan en una especie de pila y producen con ello una diferencia de potencial que utilizan para sus procesos metabólicos. En estos procesos de oxidación transforman la materia en CO2 como producto de desecho.

La primera bacteria identificada capaz de lixiviar fue aislada en 1947 al investigar el deterioro de los equipos metálicos en una mina española, en río Tinto. La gran capacidad de oxidación de sus aguas hacía que el material metálico, como carretillas, trenes y demás medios de carga, tuvieran una degradación muy acelerada, fuera de lo habitual. Por aquel entonces la razón se achacó a las aguas ácidas, pero aun así los responsables de la mina decidieron que el fenómeno fuera estudiado por un equipo de microbiólogos. Como resultado de su trabajo se aisló el microorganismo Acidithiobacilus ferrooxidans, que, traducido del griego, es acido porque crece a pH bajo (ácido), thio porque es capaz de oxidar azufre, bacillus porque tiene forma de bastón (es, por tanto, un bacilo) y ferrooxidans porque además es capaz de oxidar hierro.

Existen otras bacterias biolixiviadoras con nombres similares en alusión a los elementos que son capaces de oxidar y por tanto de liberar (lixiviar) al medio líquido donde están creciendo.

Atractivo marciano

Marte

El hecho de que las bacterias litotrofas no se alimenten de materia orgánica las hace candidatas a habitar Marte.

Las ‘bacterias comepiedras’ se están poniendo de moda porque, al ser capaces de alimentarse exclusivamente de material inorgánico, son candidatas potenciales a habitar lugares exóticos, extremos e incluso otros cuerpos planetarios distintos a la Tierra. Algunos de estos minerales se han identificado en la superficie marciana, así que si confirmamos la presencia de agua en el planeta rojo la ecuación nos permite concluir que en Marte podrían llegar a habitar bacterias de este tipo. Además, pensando en el aprovechamiento económico, se podrían utilizar para extraer minerales (hacer biominería) en la superficie de nuestro planeta vecino.

 

* Felipe Gómez Gómez es investigador en el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA).

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.

Te presentamos a Conan, la bacteria invencible

Por Mar Gulis

No se conoce ningún otro ser vivo capaz de resistir semejante cantidad de radiación gamma. Deinococcus radiodurans, también conocida como Conan, puede soportar dosis hasta 1.500 veces mayores que las que causarían la muerte humana.

Conan

Conan está en el Libro Guinness de los Récords por su increíble resistencia / Wikipedia.

Esta bacteria fue descubierta en 1956 por Arthur W. Anderson, de la Estación Experimental Agrícola de Oregón (EEUU). El científico estaba experimentando diferentes medios para esterilizar la comida en latas de conserva. Después de irradiar carne de cerdo y buey con dosis que se consideraban suficientes para su esterilización, vio que algunas latas mostraban signos de putrefacción. En ellas detectó la presencia de un microorganismo que se negaba a morir a pesar de tanta hostilidad. Estupefacto, Anderson lo aisló para su estudio. Desde entonces esta bacteria tiene un hueco en el Libro Guinness de los Récords por considerarse la más resistente del mundo.

La comunidad científica aún investiga los mecanismos que permiten a Conan mantenerse con vida en condiciones tan adversas. Al parecer, Deinococcus radiodurans sufre, y mucho, con la radiación. Tras ser expuesta a los rayos gamma, su cromosoma queda roto en más de 500 fragmentos, pero luego la bacteria es capaz de recomponerlos gracias a que posee entre 4 y 10 copias de su material genético. Esto significa que la probabilidad de encontrar un trozo no dañado para reconstruir las cadenas rotas es mucho mayor que la de la mayoría de las bacterias, que solamente dispone de un par de copias.

Este alucinante organismo puede también soportar temperaturas extremas, sequías severas, falta de nutrientes… Deinococcus radiodurans es un buen ejemplo de ser extremófilo. Este término engloba a aquellos organismos que son capaces de vivir en unas condiciones ambientales realmente hostiles. Pero no hay que ir muy lejos para encontrarlos. Tu nevera o tu microondas probablemente alberguen estos seres…

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre Conan y otros extremófilos, consulta La vida al límite (CSIC-Catarata), un libro del biólogo Carlos Pedrós.