Extremófilos: las fronteras de la supervivencia

Primer artículo del Curso de Astrobiología que se irá completando en los próximos días con los siguientes capítulos:

-Clasificación de los extremófilos.

-Mundos alienígenas en la Tierra.

-Panspermia y teorías del comienzo de la vida.
-Vida en el Sistema Solar.

-Requisitos cósmicos para la Vida en otros mundos.

1) Introducción.

Los extremófilos son microorganismos que viven en condiciones extremas. La propia palabra extremófilo, procede el griego y significa "amante de lo extremo".

Estos organismos habitan en ambientes tan hostiles que hace tan sólo unos años se ha desarrollado el interés por su estudio. Anteriormente se creía que la vida en estas condiciones era prácticamente imposible. Es como si una vez iniciada la vida, ésta sea capaz de adaptarse a casi cualquier nicho húmedo.

En la astrobiología, el estudio de los extremófilos tienen gran importancia, pues los científicos han descubierto que algunos de estos organismos reunen las condiciones necesarias como para poder sobrevivir en determinados ambientes extraterrestres.

2) Las fronteras de la supervivencia.

El funcionamiento de la biología celular se ve afectado por tres parámetros: la temperatura, la acidez y la salinidad. Los diferentes organismos sobreviven bajo distintos rangos de estas condiciones

a) La temperatura.

Sabemos que la vida precisa de agua líquida. Por ello, los límites de la supervivencia están determinados por la congelación del agua y por la transformación de ésta en vapor. Pero hay otros factores, a parte de la temperatura, que alteran el punto de congelación y el punto de ebullición del agua. Por ejemplo, las bolsas de agua salada inmersas en hielo sólido, pueden mantenerse líquidas hasta los -20ºC. Y el agua en las zonas más profundas del océano sólo empiezan a hervir a 400ºC.

Aunque la supervivencia a bajas temperaturas no suele plantear problemas, existen ciertos factores que delimitan el desarrollo y la actividad de las células. El mayor problema que hay que salvar a bajas temperaturas es que las proteínas de las células, sobre todo las enzimas, se tornan muy rígidas. Para superar este contratiempo, estas células adaptadas a estos ambientes han desarrollado enzimas con enlaces mucho más endebles, lo que permite mantener el metabolismo de la célula a  muy bajas temperaturas. El incoveniente, es que esta adaptación les ha provocado que a tan sólo 20ºC, estas bacteria empiecen a cocerse.

En cambio, los organismos amantes del calor, se enfrentan al problema contrario. Sus enzimas han evolucionado hasta desarrollar enlaces adicionales para no deshacerse en pedazos con las altas temperaturas.

b) La acidez.

La acidez se evalúa con la escala pH, que mide la concentración de protones en una disolución. La escala de pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más iones en la disolución) y alcalinas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (cuando el disolvente es agua).

Las concentraciones de protones son un mecanismo fundamental que emplean las células para transformar energía.

Si el pH es muy bajo, los enlaces de las proteínas se pueden ver alterados. Para protegerse, las bacterias adaptadas a estos entornos insertan más aminoácidos en sus proteínas para mantener su estructura. Pero si el ambiente es muy básico, los organismos se enfrentan a condiciones muy bajas de iones de hidrógeno, por lo que han aprendido a apropiarse de ellos para su supervivencia.

c) La salinidad.

En el agua pura sobreviven una gran cantidad de organismos. Pero en un entorno salino, las células se encuentran con la dificultad de que en el ambiente en el que se encuentran, la diferencia de concentración del agua entre el interior y el exterior de la célula es muy diferente. 

Se llama ósmosis al proceso por el que el agua tiende a migrar a las regiones con mayor concentración de solutos, es decir, de la más diluida a la menos diluida. Por ello, las células que viven en ambientes salinos corren el riesgo de que todo el agua de  su interior se desplace al exterior. Para evitarlo, bombean el sodio, lo que previene que tengan una alta salinidad en su estructura, lo que provocaría una desnaturalización de las proteínas.

Continuara con los siguientes artículos:

-Clasificación de los extremófilos

-Mundos alienígenas en la Tierra

-Panspermia y teorías del comienzo de la vida
-Vida en el Sistema Solar

-Requisitos cósmicos para la Vida en otros mundos

¿El eslabón perdido entre la geoquímica y la biología?

Si bien por regla general se acepta que algunos ingredientes importantes para la vida vinieron a la Tierra en meteoritos que cayeron a ésta durante una época del pasado remoto del planeta caracterizada por un intenso bombardeo meteorítico, los científicos no han podido explicar cómo esa materia mineral inanimada se transformó en piezas de construcción de la vida. El misterio de cómo se crearon los primeros organismos vivos a partir de ingredientes químicos ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo.
Unos investigadores de la Universidad de Leeds en el Reino Unido pueden haber resuelto un enigma importante sobre cómo a partir de objetos del espacio podría haberse generado la vida en la Tierra.
Este nuevo estudio muestra cómo un compuesto químico, similar a uno que ahora está presente en todas las células vivas y que es esencial para suministrar la energía vital para la subsistencia de todo ser vivo, pudo crearse cuando meteoritos conteniendo minerales de fósforo cayeron a charcas calientes y ácidas situadas alrededor de volcanes, probablemente muy comunes en la infancia de la Tierra.
Toda forma de vida conocida que pueda considerarse como tal está energizada por un proceso donde un compuesto conocido como trifosfato de adenosina (o ATP), definido a menudo como la "batería química recargable"' para la vida, se descompone y recompone durante la respiración a fin de suministrar la energía utilizada para impulsar las reacciones químicas propias de la vida, que constituyen el metabolismo de las especies.
Es improbable que las enzimas complejas requeridas para formar y descomponer el ATP existieran en la Tierra durante la época en la cual la vida surgió por vez primera. Esto obliga pues a plantearse qué otras sustancias químicas capaces de poner en macha el engranaje de la vida pudieron existir en aquellos tiempos remotos. En otras palabras, tuvo que haber un compuesto químico con propiedades similares a las del ATP, pero más básico, y sin necesitar enzimas para transferir la energía.
El fósforo es el elemento importante en el ATP, y en otros componentes fundamentales de la maquinaria de la vida, como el ADN. Sin embargo, en la forma que suele adoptar en la Tierra es básicamente insoluble en el agua y tiene una reactividad química baja. La Tierra temprana, no obstante, fue bombardeada regularmente por meteoritos y polvo interestelar, un material rico en minerales exóticos, incluyendo una forma mucho más reactiva de fósforo, la schreibersita, mineral de hierro-níquel-fósforo.
En sus experimentos, el equipo de Terry Kee simuló el impacto de uno de aquellos meteoritos contra la Tierra del pasado remoto, por aquel entonces tórrida y volcánicamente activa. Dichos experimentos se hicieron con muestras de un meteorito rico en hierro que cayó en Siberia en 1947: Estas muestras fueron introducidas en un fluido ácido tomado de la zona geotérmica de Hveradalur en Islandia, y se las dejó reaccionar a alta temperatura con el fluido ácido en tubos de ensayo durante 4 días, seguido por 30 días más en las mismas condiciones pero a temperatura ambiente.
En su análisis de la solución resultante, los científicos encontraron un compuesto conocido como pirofosfito, un "primo" molecular del pirofosfato (la parte del ATP que es responsable de la transferencia de energía).

El misterio de cómo se crearon los primeros organismos vivos a partir de ingredientes químicos ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. (Imagen artística: Amazings / NCYT / JMC)

El pirofosfito pudo actuar como una forma primitiva del ATP en la Tierra arcaica, tal como ya descubrieron varios años atrás Kee y sus colaboradores en una investigación acerca de la cual los redactores de NCYT de Amazings escribimos un artículo publicado el 30 de junio de 2010 (http://www.amazings.com/ciencia/noticias/300610e.html). Esa especie de predecesor del ATP pudo energizar lo que Kee y sus colegas denominan "vida química". Según el concepto de la vida química, ésta habría sido el paso intermedio, o en este caso el eslabón perdido, entre la materia inorgánica inanimada y la primera célula biológica o viviente que existió. Podemos considerar a la vida química como una máquina al estilo de un robot. Un robot, por ejemplo, es capaz de moverse y de reaccionar a su entorno, pero no está vivo. "Con la ayuda de esas "baterías" primitivas, las sustancias de la vida química se volvieron más organizadas, hasta llegar a un punto a partir del cual fueron capaces de desarrollar conductas más complejas, lo que acabó desembocando en la creación de las primeras estructuras biológicas vivientes", expone Kee.
Interesantemente, el equipo del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA que trabaja con el robot Curiosity, el cual aterrizó en Marte en agosto del año pasado, ha informado recientemente de la presencia de fósforo en el Planeta Rojo.
"Si el Curiosity ha encontrado fósforo en una de las formas que nosotros produjimos en Islandia, esto puede indicar que las condiciones en Marte fueron en alguna época apropiadas para el desarrollo de la vida, un proceso de desarrollo que debió ser muy similar al que ahora se cree que tuvo lugar en la Tierra” explica Kee.

¿Por qué los gemelos idénticos son tan diferentes?

Un grupo internacional de científicos se ha preguntado cuál es la relación entre la estructura del cerebro y las experiencias de cada individuo, lo que podría explicar por qué los gemelos idénticos no se asemejan a la perfección, incluso cuando crecen juntos.
Para arrojar luz sobre estas cuestiones, los investigadores de la Universidad Técnica de Dresde (Alemania) analizaron 40 ratones genéticamente idénticos que vivían dentro de un recinto donde podían elegir entre una gran variedad de actividades. Los resultados se han publicado en la revista Science.
"Los animales no sólo eran genéticamente idénticos, sino que también vivían en el mismo entorno", explica a SINC Gerd Kempermann, investigador principal de la institución alemana y presidente del Centro Alemán para Enfermedades Neurodegenerativas (DZNE). “La pregunta es por qué, a pesar de eso, sigue emergiendo la individualidad”.
El cerebro es un órgano complejo que no para de desarrollarse nunca, y los cambios que sufre están relacionados con la personalidad y la conducta. “Podemos demostrar una relación entre un tipo particular de plasticidad cerebral –la neurogénesis del hipocampo adulto– y los niveles individuales de la conducta exploratoria –a través de las cuales se adquieren los conocimientos–”, indica Kempermann.
La neurogénesis adulta, es decir la generación de nuevas neuronas en el hipocampo, permite que el cerebro reaccione a la nueva información con flexibilidad. Con este trabajo, los autores muestran por primera vez que las experiencias personales y el comportamiento contribuyen a la ‘individualización’ del cerebro.

Gemelos pertenecientes a un regimiento de infantería del antiguo Ejército Bávaro. (Foto: Drakegoodman)

“El entorno era tan rico que cada ratón reunió sus propias experiencias individuales en ella. Los roedores se volvieron cada vez más diferentes en cuanto a su conducta exploratoria. Y este comportamiento explica más de una quinta parte de la variación encontrada en la neurogénesis adulta”, subraya.
Para este científico, esto apunta la importancia de la cantidad de experiencias personales. “Aunque hay que ser cuidadoso con las extrapolaciones directas entre ratones y humanos, estamos convencidos de que el principio observado se mantendrá entre las especies”, añade.
En el experimento llevado a cabo para estudiar las conductas específicas, cada uno de los ratones estaba equipado con un micro-chip que emitía señales electromagnéticas, lo que permitió a los científicos construir perfiles de movimiento de los roedores y cuantificar su comportamiento exploratorio.
Como indican los autores, “a pesar de un entorno común y genes idénticos, los ratones mostraron patrones de comportamiento altamente individualizados, reaccionando a su entorno de manera diferente”. Es más, durante los tres meses de experimento estas desigualdades se incrementaron.
"Estas discrepancias se asociaron con diferencias en la generación de nuevas neuronas en el hipocampo, una región del cerebro que apoya el aprendizaje y la memoria", sostiene Kempermann.
Según el investigador, en los animales que exploran el ambiente en un mayor grado también crecieron más neuronas nuevas que en los animales más pasivos.
Por último, los expertos examinaron también un grupo control de ratones alojados en un recinto poco atractivo y, de media, la neurogénesis en estos animales fue menor que en los ratones experimentales.
"Los resultados sugieren que la experiencia influye en el envejecimiento de la mente humana, que un ambiente enriquecido fomenta el desarrollo de la individualidad", concluye Ulman Lindenberger, otro de los autores e investigador en el Instituto Max Planck para el Desarrollo Humano de Berlín. (Fuente: SINC)

Descubren los genes que controlan la identidad de pétalos y estambres en las leguminosas

Una investigación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en España, ha estudiado el proceso evolutivo de los genes responsables de controlar la identidad de los pétalos y los estambres (órganos sexuales masculinos) en las leguminosas. La investigación ha sido publicada en la revista The Plant Journal. La comprensión de los mecanismos moleculares que controlan la regulación génica del desarrollo de las flores se debe, en gran medida, a los análisis genéticos realizados en plantas modelo como Arabidopsis thaliana y Antirrhinum majus.
Estos estudios dieron lugar al modelo ABC, que explica desde la genética molecular el desarrollo biológico de los órganos de las flores en cuatro verticilos: sépalos, pétalos, estambres y carpelos. Sin embargo, estudios recientes están aportando nueva información sobre los genes que controlan la identidad de los órganos florales en las plantas angiospermas, incluyendo a las leguminosas. 
José Pío Beltrán, profesor de investigación del CSIC en el Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (centro mixto del CSIC y la Universidad Politécnica de Valencia), explica: “Una flor como la de Arabidopsis thaliana posee sépalos, pétalos, estambres y carpelos, cuya identidad depende de una serie de genes reguladores. La expresión de genes del tipo A exclusivamente produce sépalos en el primer verticilo, una coexpresión de los genes A y B produce los pétalos en el segundo, una actuación conjunta de genes de función B y C establece la identidad de los estambres en el tercero, y para formar los carpelos únicamente se requiere de la actividad de genes de función C en el cuarto verticilo. Además, los genes de tipo A y C son antagonistas, donde se expresan los de tipo A no se pueden expresar los de tipo C y viceversa”. 
El investigador del CSIC Luis Cañas, que también ha participado en el trabajo, aclara que “la evolución de los genes de clase B que pertenecen a la familia MADS-box se había estudiado con anterioridad en varias especies de plantas, pero no en leguminosas. Análisis filogenéticos llevados a cabo en varias especies de angiospermas mostraban una alta frecuencia de duplicaciones en genes del tipo B (APETALA3 y PISTILLATA)”. 
Cañas continúa: “Los genes duplicados generalmente adoptan una de tres posibilidades evolutivas distintas: no funcionalización, en la que una de las copias es silenciada; neofuncionalización, en la que una copia adquiere una función totalmente nueva mientras que el original mantiene su función; y subfuncionalización, en la que la copia adquiere parte de la función del original. Así que nos propusimos averiguar qué función tenían estos genes duplicados en las leguminosas”. 

Un espécimen de Arabidopsis thaliana. (Foto: Fotopedia.com)

Para ello, otro de los miembros del equipo y también investigadora del CSIC, Edelín Roque, cuenta: “Lo que hicimos fue aislar y caracterizar genes del tipo AP3 en la leguminosa modelo Medicago truncatula, lo que nos permitió observar un patrón de expresión complementario de estos genes en pétalos y estambres. Posteriormente, análisis llevados a cabo mediante técnicas de genética reversa, nos llevaron a la conclusión de que estos genes han sido sometidos a un proceso de especialización funcional en el que la función del gen original descansa en ambos genes duplicados con reparto de las funciones de tal manera que uno interviene en mayor medida en la identidad de los estambres y el otro en la de los pétalos”.
Este trabajo liderado por el CSIC, en el que también ha participado la Fundación Samuel Roberts Noble de Ardmore, Oklahoma (EEUU), podría tener importantes aplicaciones en el sector agronómico ya que proporciona un mejor conocimiento del mecanismo de desarrollo floral en las leguminosas. Las leguminosas, junto con los cereales y con algunas frutas y raíces tropicales, han sido la base principal de la alimentación humana durante milenios. 
En la alimentación humana y animal se utilizan hasta 150 especies de leguminosas, de las que las más relevantes para el consumo humano son judías, lentejas, guisantes, garbanzos y habas. En su composición interesa destacar los contenidos de proteínas, de hidratos de carbono de asimilación lenta, de minerales como el calcio, el hierro y el cinc, fibra soluble y algunos componentes bioactivos minoritarios. (Fuente: CSIC/DICYT)

Un test español reduce a una hora la detección de 'Legionella'

Un test rápido para la detección de Legionella, desarrollado por la empresa Biótica, ha obtenido la certificación del organismo internacional AOAC. Según explica Guillermo Rodríguez, director científico de la firma, ubicada en el Parque Científico de la Universitat Jaume I (Castellón, España), el método desarrollado permite realizar hasta 40 ensayos en una hora.
El test consigue esta rapidez gracias a una técnica de análisis basada en la captura y revelado que permite detectar la presencia de la bacteria patógena en el agua sin hacerla crecer, añade Rodríguez.
"A diferencia del proceso clásico que se basa en el cultivo del microorganismo y necesita unos diez días para obtener resultados, nuestro test Legipid ofrece la posibilidad de realizar en apenas una hora hasta 40 determinaciones por analista, lo cual aporta una flexibilidad muy importante a la operatividad del laboratorio y también se traduce en un ahorro de coste muy significativo para los laboratorios y usuarios", subraya el responsable.
Rodriguez señala que desde sus inicios en el 2005, Biótica ha centrado gran parte de sus tareas de I+D en el desarrollo de su dispositivo MP4-Hunter, un sistema de laboratorio simple que incorpora una plataforma para 20 ensayos a la vez, siendo factible el uso de dos plataformas por un solo analista para realizar hasta 40 ensayos en sólo una hora.
Por normativa, el análisis en laboratorio, sobre todo en el caso de microorganismos patógenos, como la Legionella, debe cumplir una serie de requisitos, entre ellos, que el test esté evaluado y certificado por un organismo tercero competente, independiente y de reconocido prestigio, asegura el directivo.

Certificación internacional del sistema de Biótica para su test de detección rápida de Legionella. (Foto: Biótica)

"Actualmente el sistema Legipid –añade– es el único test con certificación internacional por AOAC para la determinación de Legionella, lo cual significa un aval muy importante para que los laboratorios puedan beneficiarse del uso de estas técnicas rápidas, al mismo tiempo que contribuye a abrir las puertas a la incorporación del test en legislaciones como la española".
Por su parte, la directora comercial de Biótica, Mireia Lázaro, insiste en el importante trabajo que se está realizando también en territorio español, informando a las autoridades de estos avances científicos, "ya que actualmente el real decreto que regula el análisis de la Legionella está siendo revisado y pretendemos encontrar un hueco para que la legislación española impulse técnicas rápidas como la nuestra".
En España las cifras revelan que durante el periodo 1999 a 2009 se declararon 501 brotes de legionelosis y resultaron afectadas 3.402 personas, de las cuales 2.918 requirieron hospitalización y 138 fallecieron. Desde entonces y hasta la fecha, el número de brotes de Legionella se ha mantenido e incluso se ha incrementado ligeramente.
Lazaro destaca que esta técnica de detección rápida permitirá definir estrategias preventivas que reducirían el riesgo de infección y, en caso de brote, disminuiría el número de afectados, al localizar rápidamente los focos sospechosos. (Fuente: UCC+i Universitat Jaume I)