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La ciencia no deja de asombrarnos con nuevos descubrimientos insospechados cada semana. En el podcast Ciencia Fresca, Jorge Laborda Fernández y Ángel Rodríguez Lozano discuten con amenidad y, al mismo tiempo, con profundidad, las noticias científicas más interesantes de los últimos días en diversas áreas de la ciencia. Un podcast que habla de la ciencia más fresca con una buena dosis de frescura.

Materia oscura. Moléculas en la piel. Enfermedad del sueño.

Materia oscura. Moléculas en la piel - Ciencia Fresca Podcast - CienciaEs.com

Galaxias en colisión aportan luz sobre la materia oscura.

Comenzamos las noticias de la semana relatando nueva evidencia a favor de la existencia de materia oscura en el universo, aunque este descubrimiento nos habla también de lo difícil que resulta para la ciencia interpretar algunas observaciones.
Recordemos que la existencia de la materia oscura se postula a partir de evidencias observacionales indicativas de que la dinámica de la masa visible de galaxias y grupos de galaxias no puede ser explicada de acuerdo a las leyes de Newton. Esta discrepancia fue identificada por primera vez en 1933 por el astrónomo suizo Fritz Zwicky al estudiar el grupo de galaxias Coma, situado a 321 millones de años luz de la Tierra. En 1939, la observación de Zwicky fue extendida a galaxias espirales, gracias al trabajo del astrónomo Horace Babcock sobre la galaxia de Andrómeda.
En los años 60 y 70 del siglo pasado Vera Rubin, del instituto Carnegie en Washington, determinó las velocidades de rotación de las estrellas en las galaxias espirales. Las leyes de Newton predicen que estas velocidades deben ir disminuyendo a medida que aumenta la distancia al centro de la galaxia. Sin embargo, Rubin y sus colegas encontraron que esto no sucedía y que eran más o menos constantes, es decir, que las estrellas cercanas al centro rotaban a la misma velocidad que las más alejadas.
Como siempre que una nueva observación viene a contradecir una teoría, es necesario proponer explicaciones, o nuevas teorías que estén de acuerdo con las observaciones. En este caso, lo observado podría tener una de dos explicaciones:
• Existe una gran cantidad de masa no observable en el interior de las galaxias, que da cuenta de la dinámica rotacional observada. Esta sería la materia oscura.
• Las leyes de Newton deben ser modificadas, al menos en el interior de las galaxias, lo que condujo a postular teorías modificadas de las leyes de Newton.
Una teoría que modificaba las leyes de Newton fue propuesta por primera vez en 1983 por el físico israelí Mordehai Milgrom. Como siempre que se emiten nuevas teorías, si estas son teorías científicas correctamente formuladas, conducen a diversas predicciones. La teoría de Milgrom ha predicho, de hecho, varios comportamientos de las galaxias que son difíciles de explicar con la teoría de la materia oscura. Sin embargo, su teoría es incapaz de explicar el comportamiento de los grupos de galaxias y, además, no parece ser compatible con ningún modelo cosmológico elaborado en la actualidad.
La situación no es mucho mejor con la materia oscura, un tipo de materia que sería invisible por completo, al ser incapaz de interaccionar con la radiación electromagnética y que, por esa razón, no estaría explicada por el modelo estándar de partículas elementales, que ha recibido un enorme impulso gracias al descubrimiento del famoso Bosón de Higgs.
No obstante, una primera evidencia observacional a favor de la existencia de materia oscura la proporcionó el análisis de una gigantesca colisión entre dos grupos de galaxias: el llamado grupo bala de galaxias. ¿Qué se observó al estudiar esta gigantesca colisión?
Las galaxias estarían formadas por tres tipos de objetos masivos: las estrellas, las nubes de gas y la supuesta materia oscura. Estas masas se comportarían de manera diferente en una colisión.
• Las estrellas visibles no serían afectadas por la colisión y se cruzarían las unas con las otras, como sucedería si colisionaran dos grupos de mosquitos.
• Por otra parte, las nubes de gas galáctico caliente, que es visible en la frecuencia de los rayos X, al suponer una masa mucho más difusa que las estrellas, chocarían y se verían retrasadas, es decir, las estrellas y el gas se separarían en la colisión.
Gracias a esta separación, podemos ahora analizar dónde queda la mayor parte de la masa tras la colisión mediante el análisis de la generación de las lentes gravitatorias que se formarían, de las que hablamos en un programa reciente.
Si no existe más materia que gas y estrellas, la lente gravitatoria se formaría sobre todo allí donde esté el gas. Sin embargo, no es esto lo que se observó, y las zonas de mayor lente gravitatoria no se han quedado con el gas, y coinciden con la materia visible.
Esto quiere decir que existe una materia invisible que también se cruza entre sí en la colisión, como sucede con las estrellas, y que genera ese efecto de lente gravitacional. Este estado de cosas no puede ser explicado por las teorías newtonianas modificadas.
Sin embargo, Milgrom sigue sin estar de acuerdo con las interpretaciones dadas a estas observaciones, e indica que con su teoría newtoniana la materia no observable sería solo de dos veces la visible, es decir, planetas u objetos de materia ordinaria no visibles podrían dar cuenta de ella, pero sin su teoría, la materia oscura debe ser cinco veces o más mayor que esa estimación.
Ahora David Harvey y sus colegas de la Escuela Politécnica de Lausana, en Suiza y de otras universidades británicas aportan nueva evidencia tras analizar imágenes ópticas y de rayos X de 72 colisiones galácticas capturadas por el telescopio Hubble y por el telescopio espacial Chandra de rayos X. Los investigadores analizan el reparto de masas tras las colisiones y la dinámica de las mismas y concluyen llegan a una interesante conclusión cuyos detalles relatamos en el audio (1).

Cartografía molecular en 3D de la superficie de la piel humana.

Un equipo de científicos liderado por Amina Bouslimani de la Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences en la Universidad de California, San Diego, ha realizado un mapa en tres dimensiones de las moléculas presentes en la piel humana. El estudio propone una serie de tecnologías con las que se puede explorar la naturaleza, diversidad y distribución de la de moléculas que solemos llevar en nuestra piel.
La piel humana es un órgano muy extenso, tiene entre 1,5 a 2 m2 de superficie, que nos proporciona la frontera con el medio ambiente que nos rodea y contiene una amplia y variada colección de moléculas. En lo que a nuestro cuerpo se refiere, la capa más externa de la piel está formada por células muertas, básicamente cadáveres de queratinocitos, células que le proporcionan dureza y elasticidad gracias una proteína de extraordinarias propiedades llamada queratina. Los queratinocitos nacen en las capas más profundas de la piel y van migrando hasta la superficie a medida que envejecen. En su última fase, pierden el núcleo (y la vida) y quedan reducidos a bolsas de queratina y glucolípidos que forman la frontera externa de la piel.
Lógicamente, el contacto con el ambiente deja su impronta en la capa exterior de la piel. En ella se acumulan, además de los restos celulares y moléculas segregadas de origen humano, bacterias de diverso tipo que se agrupan en colonias en las distintas partes de nuestros cuerpos y moléculas de muy diversos orígenes. Las bacterias, que abundan en cantidades que superan en un factor de 10 a la totalidad de células humanas, no suelen ser patógenas, aunque también las hay y sirven para “entrenar” y mantener alerta a nuestro sistema inmune, la mayoría no ejercen efectos notables pero algunas de ellas son beneficiosas porque producen vitaminas esenciales o segregan sustancias antinflamatorias que ayudan a las defensas y mantienen a raya a las que causan enfermedades.
Pero en la piel humana no sólo hay células, vivas o muertas, hay muchísimos otros tipos de moléculas que tienen que ver con el ambiente y con nuestros hábitos de vida. Unas están relacionadas con nuestra dieta, otras proceden de sustancias segregadas por los microorganismos, otras proceden del propio ambiente en el que nos desenvolvemos y en una medida mucho mayor de lo que se sospechaba, a juzgar por los resultados del artículo que comentamos hoy, un buen porcentaje procede de nuestros hábitos de aseo: restos de jabón, champú, productos cosméticos, etc.
Todas estas cosas están presentes en el mapa en tres dimensiones elaborado por los investigadores de la Universidad de California que ha sido publicado en PNAS. Los investigadores han utilizados las últimas tecnologías de análisis con espectroscopía de masas y secuenciación de moléculas microbianas 16S rRNA amplicon para detectar una gran variedad de moléculas presentes en la piel de dos voluntarios, un hombre y una mujer.
Durante dos semanas, los investigadores tomaron muestras de 400 lugares diferentes de la piel de los voluntarios con bastoncillos de algodón. Para comparar las muestras obtenidas, previamente se había creado una biblioteca de más de 15.000 moléculas relacionadas con las células humanas, microorganismos y productos de aseo y limpieza utilizados de forma habitual por los dos voluntarios.
Los resultados revelaron que existen notables diferencias entre los individuos. El 34% de las moléculas fueron asociadas a la persona 1 pero no a la 2, el 25% a la 2 pero no a la 1 y el 41% estaban presentes en ambas. Esto indica en qué medida cada uno de nosotros lleva su propia firma molecular en la piel.
Más del 80% de los espectros obtenidos pertenecían a moléculas que no se pudieron determinar. Son, probablemente, según los autores, moléculas relacionadas con la dieta, enzimas y otras moléculas que, aunque su origen inicial sean las células corporales o las bacterias que recubren la piel, cambian al interactuar con la luz o el aire y por lo tanto no aparecen en los cultivos bacterianos en laboratorio, moléculas que pertenecen a productos de aseo y belleza que tal vez fueron utilizados anteriormente por los sujetos y que no fueron tenidos en cuenta al obtener las muestras de la biblioteca molecular de referencia y, por último, existe una multitud de sustancias en el ambiente que debido a la complejidad para detectarlas no fueron tenidas en cuenta.
Aquellas moléculas que sí pudieron identificarse pertenecían, en su inmensa mayoría (un 8%) a productos higiénicos, cosméticos y de belleza. Una pequeña proporción, 0,5% pertenecían a tejidos humanos y 1% con cultivos bacterianos. El resto eran moléculas comunes.
En un momento del experimento, se pidió a los voluntarios que no utilizaran productos de aseo durante y belleza durante 3 días. A pesar de ello multitud de moléculas ligadas a los productos de aseo continuaban presente en la piel, lo que es un índice de la gran persistencia de los mismos. Con el mapa topográfico de la piel no sólo se puede detectar la presencia de productos de aseo actuales sino los fueron utilizados en el pasado.
Los datos demuestran que el ambiente exterior deja en la piel residuos de todo tipo: polímeros existentes en plásticos y utilizados en las prendas de vestir, sustancias ingeridas en la dieta, productos muy variados utilizados en la higiene diaria y productos cosméticos. Todo ello afecta al estado y comportamiento de la piel y modifica las comunidades microbianas que viven en ella.
En conclusión, este estudio ofrece un sistema avanzado para generar mapas en 3D de las moléculas de la piel, ideal para para entender la relación entre la química y los microbios que la pueblan. Demuestra que, a nivel molecular, la piel es un órgano enormemente diverso y complejo tanto por la influencia de las comunidades bacterianas como por los factores ambientales. Y demuestra también, que existe una gran interacción entre el microbioma de la piel y el uso de productos de higiene. Con todo ello, se abre un campo extenso de investigación que llevará, a buen seguro, a conocer aspectos esenciales de nuestra interacción con el medio ambiente a través de la piel y favorecerá el desarrollo de nuevos medicamentos y métodos diagnósticos. (2)

El ingenioso parásito de la enfermedad del sueño.

Uno de los temas científicos más interesantes, con repercusiones tanto sobre la evolución de las especies como sobre nuestra salud, es la interacción de los microorganismos con nuestro sistema inmune. Los microorganismos y nosotros llevamos millones de años de competición y, por tanto, de coevolución.
A lo largo de ese tiempo, algunos microorganismos han desarrollado mecanismos realmente ingeniosos para escapar de las defensas inmunes, e igualmente algunos animales han desarrollado mecanismos para evitar ser infectados. Una de las familias de microorganismos que más ha evolucionado y más ha hecho evolucionar son los tripanosomas, causantes de enfermedades graves y debilitantes, entre ellas la enfermedad del sueño.
Es hoy conocido que las rayas de las cebras han evolucionado debido a la extremada sensibilidad de los equinos a las infecciones por los tripanosomas y al hecho de que estos son vehiculados por la mosca Tse-Tse, que se ve atraída por zonas monocromas correspondientes a los lomos de animales salvajes. Al ofrecer una superficie colorida discontinua, las cebras se protegen de las picaduras de las moscas Tse-Tse y, por consiguiente, disminuyen la probabilidad de contraer la enfermedad del sueño, que las conduciría sin duda a la muerte, probablemente por las fauces de algún depredador (para saber más, les recomendamos este podcast http://cienciaes.com/quilociencia/2014/06/08/cebras-explicadas/).
Por su parte, el tripanosoma ha desarrollado un sistema de “multidisfraz” para escapar del sistema inmune. Este microorganismo utiliza una estrategia fascinante. Trypanosoma brucei, causante de la enfermedad del sueño, vive en el exterior de las células, en la sangre, donde se encuentra expuesto al ataque del sistema inmune. Pues bien, el microorganismo utiliza este ataque a su favor. T. brucei ha desarrollado en su evolución un mecanismo “trampa” con el que atrae la atención del sistema inmune hacia una proteína particular, evitando que este sistema reaccione contra otros antígenos.
Esta proteína particular se denomina VSG (proteína variable de superficie), de la cual el genoma de este microorganismo posee alrededor de 2.000 variantes genéticas. Cada parásito pone a funcionar uno de los genes VSG, para lo cual lo coloca en un sitio de expresión. El resto de los genes VSG no funcionan, por el momento.
VSG es una proteína muy antigénica, es decir, que induce una fuerte respuesta del sistema inmune. Esta respuesta comienza a eliminar al parasito, pero este tiene preparado su escapatoria. Unos pocos parásitos cambian la proteína VSG por otra. Estos no van a ser reconocidos por el sistema inmune y van a reproducirse sin freno, mientras sus compañeros que no han cambiado el tipo de VSG son eliminados.
Es este mecanismo el que genera los ciclos típicos de esta enfermedad, que conducen a un periodo de “sueño” (T. brucei se reproduce antes de que el sistema inmune pueda empezar a eliminarlo, y esto debilita al organismo infectado que cae en una especie de sopor) seguido por una recuperación (el sistema inmune elimina activamente al parásito), pero por otro periodo de “sueño” y otro de recuperación… según los ciclos a los que el parásito somete al sistema inmune.
A pesar de que esto era conocido, los detalles del mecanismo aún no eran bien comprendidos. Por ejemplo, no se sabía si los parásitos ponían en marcha los genes VSG de manera secuencial o al azar y si en un momento dado solo había una especie mayoritaria de VSG o coexistían varias.
Investigadores de la Universidad Rockefeller de New York estudian ahora en profundidad con nuevas técnicas de biología molecular la dinámica de la infección de T. brucei en ratones de laboratorio, y publican sus resultados en la revista Science.
La primera sorpresa con la que encuentran es que contrariamente a lo tenido por cierto hasta ahora, en cada ciclo de reproducción del tripanosoma este no expresa solo una proteína VSG, sino un rango de 30 a 66 proteínas diferentes. Esto quiere decir que si el sistema inmune responde contra todas ellas, el número de ciclos reproductivos del parásito se vería reducido sustancialmente.
Sin embargo, no es esto lo que se observa, ya que el parásito puede infectar durante años a un ser humano. ¿Cómo hace entonces el parásito para sobrevivir? Se lo contamos todo en el audio (3).

REFERENCIAS

(1). The nongravitational interactions of dark matter in colliding galaxy clusters, D. Harvey el al Science 27 MARCH 2015 • VOL 347 ISSUE 6229, pp 1462.

(2) “Molecular cartography of the human skin surface in 3D,” by Amina Bouslimani et al. http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1424409112

(3). Monica R. Mugnier, et al. The in vivo dynamics of antigenic variation in Trypanosoma brucei. Science, 27 MARCH 2015 • VOL 347 ISSUE 6229, pp 1470.

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