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Ciencia Fresca

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.

VIH resistente. El exótico Laurencio. Origen de la Luna.

El virus del SIDA resistente a los fármacos es menos dañino.

El SIDA sigue siendo una de las enfermedades infecciosas más graves. Alrededor de 35 millones de personas están actualmente infectadas con el virus VIH (virus de la inmunodeficiencia humana), el virus causante de esta enfermedad. Este virus infecta y destruye a los linfocitos T CD4, que son los pilares sobre los que se apoya todo el sistema inmune adaptativo. Si este sistema inmune no funciona, somos presa de múltiples infecciones por diversos microrganismos.
Cuando comenzó la epidemia, la mayoría de las personas infectadas moría tras diez años de enfermedad, víctima de otras infecciones, a menudo denominadas infecciones oportunistas, causadas por microrganismos que aprovechaban la oportunidad de las bajas defensas para infectar.
Como sabemos el VIH pertenece a la familia de los llamados retrovirus. Los retrovirus almacenan su información genética en ARN. Este ARN debe ser “retrotranscrito” a ADN, es decir, debe sufrir el proceso inverso al normal, que es la generación de ARN a partir de ADN.
El VIH, realiza esta función gracias a un enzima del que nosotros carecemos, que se llama la transcriptasa inversa. Este enzima genera nuevo ADN vírico que es capaz de integrarse en uno de nuestros cromosomas y a partir de ahí fabricar ARN de nuevo.
La investigación sobre este enzima y otros fundamentales para la reproducción del virus condujo a que, en 1996, comenzaran a administrarse fármacos antivirales, los cuales bloquean la acción de la transcriptasa inversa y otras proteínas fundamentales para la reproducción del VIH. El SIDA dejó así de ser una enfermedad mortal para convertirse en una enfermedad crónica, aunque solo en los países ricos.
A partir de 2003, sin embargo, la comunidad internacional comenzó a trabajar para intentar que la terapia antiretroviral fuera universal. En la actualidad, más de 10 millones de personas infectadas por el virus VIH reciben terapia antiretroviral, consistente en una combinación de fármacos que inhiben la transcriptasa inversa, que son los más baratos.
Sin embargo, el empleo de estos fármacos favorece la diseminación de variantes víricas resistentes a los mismos, que amenazan con hacer inútiles estos tratamientos. De hecho, un 30% de los pacientes que reciben estos tratamientos no pueden mantener a raya al virus, es decir, mantenerlo por debajo de un umbral concreto. La gran mayoría de estos pacientes desarrollan variantes del virus resistentes a los fármacos. Estas variantes pueden ser transmitidas a otras personas, que sufrirán así una enfermedad que no podrá ser adecuadamente tratada con antivirales.
Por tanto, a la hora de decidir qué terapia administrar, conviene saber más sobre la dinámica de la generación de estas mutaciones, cuáles son y si se desarrollan igual en diversas poblaciones infectadas o no. Un numeroso grupo de investigadores de todo el mundo ha realizado la enorme tarea de catalogar las mutaciones que confieren resistencia a los fármacos en los virus VIH. Los investigadores analizan 287 estudios publicados entre los años 2000 y 2013, que incluyen secuencias del genoma de los virus VIH extraídos de 50.870 personas en 111 países, antes de que recibieran ninguna terapia.
Esto es importante porque así pueden ver si los mutantes resistentes progresan o no en su trasmisión a otras personas, ya que su presencia no sería debida al tratamiento, sino solo a la transmisión. Encuentran que las variantes resistentes han progresado desde solo un 2,5% en África Subsahariana a un 11,5% en América del Norte. En general, la probabilidad de ser infectado por una variante resistente ha aumentado con el tiempo, debido al empleo de los fármacos.
Los investigadores también descubren que solo unas pocas mutaciones concretas dan cuenta de la mayoría de las variantes resistentes. Sin embargo, la mayoría de estas mutaciones, en lugar de ser conservadas, parecen perderse en una nueva persona infectada que no toma fármacos y aparecen de nuevo de manera independiente en ellas.
Este fenómeno se debe al proceso de mutación vírica y selección de mutantes. Resulta que no es que las mutaciones que confieren resistencia aparezcan inducidas por la presencia del fármaco. Los virus mutantes aparecen, al contrario, al azar, a gran velocidad y, en presencia del fármaco, son seleccionados aquellos mutantes que son resistentes, por lo que en esas condiciones son los únicos capaces de reproducirse.
En el caso de que una persona en tratamiento tenga por ejemplo relaciones sexuales con otra, le transmitirá una variante resistente. En esta persona, esta variante se reproducirá inicialmente y mutará también con rapidez. Sin embargo, en ausencia del fármaco, la selección se lleva a cabo por competición entre las variantes que mas rápidamente se reproducen. Estas variantes no son las variantes resistentes a los fármacos, sino, precisamente, las no resistentes, es decir, las iniciales. Esto quiere decir que la población de virus VIH de la nueva persona infectada, en ausencia de tratamiento, revertirá a la población inicial, que es la que más rápidamente se reproduce.
Cuando le administremos fármacos antivirales a esta persona, las variantes resistentes volverán a ser seleccionadas, pero estas no derivarán directamente de las anteriores, sino de los nuevos mutantes. Esto es lo que quieren decir los investigadores cuando afirman que las variantes mutantes aparecen de manera independiente.
Estos datos también ayudan a explicar por qué bajo tratamiento antiviral el SIDA se convierte en una enfermedad crónica: las variantes resistentes a los fármacos, las únicas capaces de reproducirse bajo tratamiento, no son tan rápidas haciéndolo como las no resistentes, lo que frena el desarrollo de la enfermedad (1).

Un átomo exótico lucha por encontrar su plaza en la Tabla Periódica.

Un grupo internacional de científicos han realizado un experimento dirigido a comprobar las propiedades del Laurencio, un elemento químico artificial que, a juzgar por los resultados, no parece encontrar un buen acomodo en la Tabla Periódica.
El Laurencio no existe en estado natural, es un átomo tan pesado que tiene que ser fabricado artificialmente, como sucede con casi todos los elementos químicos que ocupan las últimas posiciones en la Tabla Periódica. Sus 103 protones apilados en el núcleo necesitan una elevada cantidad de neutrones para estabilizarlo pero, aun así, esa estabilidad es muy efímera y el átomo acaba rompiéndose en pedazos de forma natural. Todos sus isótopos son radiactivos.
Descubrir las propiedades químicas, es decir, la habilidad de los átomos para combinarse con otros y formar iones o moléculas, es harto difícil, como lo demuestra el experimento que comentamos en el programa de hoy.
El artículo, firmado por T. K. Sato, de la Agencia Japonesa de Energía Atómica y publicado en Nature, consistió en fabricar átomos de laurencio en cantidad suficiente como para poder medir su primera energía de ionización, es decir, la facilidad con la que pierde su electrón más externo para establecer reacciones químicas. El método de fabricación consistió en bombardear átomos de otro elemento pesado, el californio, con átomos de boro. De la colisión entre ambos nace un átomo de laurencio-256 ( un isótopo que contiene 103 protones y 153 neutrones). La producción de los átomos de laurencio es difícil pero el intento de determinar sus propiedades químicas lo es mucho más porque el átomo generado tiene una vida media de tan sólo 27 segundos.
Cuando se tiene una cantidad de átomos radiactivos, estos se van desintegrando a un ritmo determinado por la naturaleza, específico para cada isótopo. La vida media es el tiempo que tarda una masa de producto en convertirse en la mitad debido al proceso de desintegración.
A pesar de la cortísima vida media del laurencio-256, los investigadores lograron capturar los átomos que se iban generando en el proceso y colocarlos en una superficie metálica calentada a 2.700 K. El calor proporcionó a algunos átomos de laurencio la energía necesaria para expulsar un electrón, hecho que permitió medir la energía necesaria para hacerlo. El resultado fue sorprendente porque esa energía (4,96 eV) es mucho menor que la esperada. De hecho es la quinta más baja de todos los átomos conocidos. La baja energía de ionización no se corresponde con la que cabría esperar en el Laurencio, en función de su puesto en la Tabla Periódica, más bien se corresponde con la de otros elementos situados mucho más a la izquierda como el sodio o el potasio.

Existen varias hipótesis que intentan explicar la pequeña energía que une al último electrón al átomo de Laurencio. La explicación más interesante señala como causante a los efectos relativistas en los electrones más internos del átomo. Según esta hipótesis, los electrones interiores del Laurencio, al ser atraídos con mucha fuerza por les protones del núcleo, orbitan a una velocidad impresionante que adquiere valores cercanos a la velocidad de la luz. Según nos enseñó Einstein con sus teorías de la relatividad, a esas velocidades los electrones convierten parte de la energía en masa lo que acaba teniendo efectos en el movimiento de los electrones e influye en el resto de los electrones del átomo, especialmente los más alejados. (2)

Nuevos datos sobre el origen de la Luna

Como seguramente los oyentes saben, la Luna nació de la coalescencia de los restos lanzados al espacio tras una gigantesca colisión entre la joven Tierra y lo que se supuso inicialmente era otro planetoide del tamaño de Marte, llamado Theia en honor a la diosa griega de la Luna. La manera en que se llega a esta conclusión incluye varias líneas de estudio, una de las cuales es, sin duda, la composición isotópica de los mantos terrestre y lunar, gracias a las rocas lunares traídas a la Tierra por la misiones Apollo. Las simulaciones de choques planetarios con superordenadores también desempeñan un papel importante.
Los estudios permiten también datar cuándo se produce esta gran colisión y concluir que sucedió unos 150 millones de años después de que se formara el sistema solar, hace 4.567 millones de años. Algunos estudios indican, además, que esta gran colisión no fue la única que sufrió la joven Tierra y que más tarde pudieron suceder otras colisiones con planetoides hasta del tamaño de Plutón, que aumentaron la talla del planeta, y también la de la Luna.
En cualquier caso, la colisión entre la Terra y Theia es la hipótesis que mejor explica las observaciones actuales, en contraposición a otras hipótesis sobre el origen de la Luna, que incluyen, por ejemplo, la hipótesis de la captura gravitatoria, o de la expulsión centifuga de la Luna por rápido giro de la Tierra.
Sin embargo, algunas discrepancias continuaban molestando a los astrofísicos y científicos planetarios. Una de estas discrepancias es la composición isotópica de la Tierra y la Luna. Como sabemos, los isótopos (iso, mismo; topos, sitio, en la tabla de los elementos) son átomos del mismo elemento químico que se diferencian por el número de neutrones en un núcleo atómico. La personalidad de un elemento químico reside en el numero de protones, y este no puede variar si el elemento debe seguir siendo el mismo. Sin embargo, sí es posible variar el numero de neutrones. La mayoría de los elementos poseen dos o más isotopos. Estos se distribuyen en proporciones fijas dependiendo del proceso de formación de los cuerpos planetarios, del lugar donde se encuentran en la nebulosa original, etc. Así, por ejemplo, un isótopo más pesado podrá estar enriquecido en las partes más cercanas al centro de la nebulosa y empobrecido en las más alejadas.
Y bien, lo que molestaba a los científicos era que la composición isotópica del manto terrestre y de la Luna eran demasiado similares. Esto resultaba extraño porque era de esperar que la Luna retuviese la materia del planeta que chocó con la Tierra y, por tanto, que su composición isotópica fuera la de este.
En principio resultaba improbable que esta composición fuera similar a la de la Tierra, porque el planeta se debía de haber formado en otro punto del sistema solar con diferente composición isotópica. Se han aventurado varias hipótesis para explicar esto. Una de ellas es que a pesar de lo esperado, Theia poseyera una composición isotópica muy similar a la de la Tierra después de todo.
Otra hipótesis mantiene que tras la colisión, los restos de Theia se mezclaron muy bien primero en la corteza terrestre y luego también se mezclaron muy bien los restos que formaron la Luna por acreción. Otra tercera posibilidad es que la Luna se formara a partir de materiales terrestres y no de los restos de Theia. Esta hipótesis es improbable.
Investigadores de la Universidad de Maryland, en EEUU dirigidos por el Dr. Richard Walker, realizan ahora un análisis de la composición isotópica del tungsteno, o wolframio, en el manto terrestre y en las rocas lunares. ¿Por qué el tungsteno, en particular el tungsteno 182? Y bien, este isotopo proviene en parte de la desintegración del elemento Hafnio 182. Este elemento ya se había desintegrado por completo cuando sucedió la colisión que origino la Luna. Por consiguiente, la Tierra y Theia contaban con una cantidad de tungsteno 182 determinada y ya fija en el momento de la colisión. Cada cuerpo con la suya.
Tras la colisión que formó la Luna, sin embargo, sucedieron más colisiones que cambiaron la composición isotópica de Tierra y Luina. Este cambio debe añadirse a las diferencias de composición isotópica iniciales entre ambos cuerpos. Pues bien, los datos recogidos ahora por los investigadores, y publicados en la revista Nature, indican que las diferencias de composición isotópica que se observan hoy entre la Tierra y la Luna son perfectamente explicables solo por la diferencia de acreción de materia que sucedió tras la colisión entre la Tierra y Theia.
Esto implica que la composición isotópica entre el manto terrestre y la Luna era prácticamente la misma, lo que sugiere que la colisión realizó un mezclado profundo de los materiales del manto terrestre y de la Luna. Por tanto, parece que la colisión entre ambos cuerpos fue extremadamente violenta, fundió el manto terrestre con Theia y los restos lanzados al espacio provienen también de una mezcla de ambos cuerpos que luego originaria la Luna. Por consiguiente, la hipótesis de la mezcla de ambos cuerpos es la más probable y nos revela ahora que la violencia de la colisión fue mayor de la creída hasta el momento.
Estos nuevos datos, de hecho apoyan la hipótesis de una colisión no de un planeta del tamaño de Marte y otro del tamaño de Venus, como era la Tierra primitiva, sino de dos planetas de masa similar a la de cinco veces Marte que colisionaron y re colisionaron para formar la Tierra y la Luna. Habrá que esperar a nuevas investigaciones para saber con mayor certeza las características de esta gigantesca colisión, que de todas formas no se pone en duda (3).

(1). Soo-Yon Rhee et al (2015). Geographic and Temporal Trends in the Molecular Epidemiology and Genetic Mechanisms of Transmitted HIV-1 Drug Resistance: An Individual-Patient- and Sequence-Level Meta-Analysis. PLOS Medicine April 7, 2015. http://journals.plos.org/plosmedicine/article?id=10.1371/journal.pmed.1001810

(2) “Measurement of the first ionization potential of lawrencium, element 103 “, T. K. Sato et al., Nature, 520, 209–211, (09 April 2015). http://www.nature.com/nature/journal/v520/n7546/full/nature14342.html

(3). Mathieu Touboul, et al. (2015). Tungsten isotopic evidence for disproportional late accretion to the Earth and Moon. http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14355.html


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