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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.

Tolerancia y resistencia. Termosensor, de la víbora al robot. Regeneración de la hidra. La capa que enfría.

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La evolución de la resistencia a los antibióticos es precedida por la tolerancia.

En cada vez más numerosas ocasiones, el tratamiento con antibióticos resulta inefectivo, lo que se atribuye a la aparición de bacterias resistentes. La resistencia puede deberse a numerosos mecanismos moleculares, entre los que se encuentran la aparición de mutaciones en genes diana de los antibióticos, que las convierten en inmunes a su actividad, o la inducción de genes que generan proteínas que actúan como bombas de expulsión, las cuales expulsan rápidamente las moléculas de antibiótico que hayan podido penetrar en las bacterias.
Todas estas mutaciones resultan en un decremento de la concentración efectiva del antibiótico, lo que implica que, para obtener la misma eficacia, la dosis administrada debe ser aumentada. En otras palabras, la llamada mínima concentración inhibitoria, que es la dosis mínima necesaria para evitar el crecimiento bacteriano, aumenta de manera importante en las bacterias que desarrollan resistencia.
No obstante, además de los mecanismos mencionados antes, se ha descubierto que las bacterias pueden desarrollar mecanismos alternativos para soslayar la presencia de los antibióticos. El más importante de ellos es entrar en un periodo de latencia en su crecimiento, ya que los antibióticos suelen ser letales para las bacterias que se dividen, pero no para las bacterias latentes que no lo hacen.
La razón de este curioso fenómeno es que muchos antibióticos actúan sobre procesos que están en marcha justo cuando las bacterias se están reproduciendo, por ejemplo, la generación de la pared bacteriana, pero no están en marcha cuando las bacterias no se reproducen. La adquisición de un estado de latencia puede permitir a las bacterias sobrevivir incluso en presencia de altas concentraciones de antibiótico, pero como este es metabolizado y expulsado por el cuerpo, su concentración baja paulatinamente, lo que permite a las bacterias salir del estado de latencia y reproducirse antes de que el paciente reciba otra dosis.
Los mecanismos de tolerancia y latencia dependen también de la aparición de mecanismos moleculares y de mutaciones que disminuyen la velocidad de reproducción bacteriana, lo que en principio es negativo para las bacterias. Sin embargo, estas mutaciones resultan beneficiosas en el caso de que las bacterias se encuentren en un entorno en el que hay antibióticos.
La aparición de bacterias tolerantes a los antibióticos ha podido ser reproducida en el laboratorio sometiendo a las bacterias a antibióticos de una forma intermitente, imitando la manera en que las bacterias se encuentran con ellos cuando están siendo combatidas en el caso de una infección. Sin embargo, las bacterias tolerantes no son resistentes, porque mueren en presencia de antibiótico si se las induce a reproducirse.
En la actualidad, existe un debate sobre si la aparición de tolerancia es un fenómeno que favorece la aparición de la resistencia, o si, por el contrario, ambos fenómenos son independientes y la aparición de uno no incide sobre la aparición del otro. Para intentar avanzar en este asunto, investigadores de la Universidad de Jerusalén y Harvard someten a las bacterias a un procedimiento evolutivo para generar bacterias tolerantes y estudian si estas son más proclives a desarrollar o no resistencia. Se lo contamos todo en el audio. (1).
Referencia (1). I. Levin-Reisman et al., Antibiotic tolerance facilitates the evolution of resistance. Science 10.1126/science.aaj2191 (2017).

De la víbora al robot. Nuevo sensor de temperatura.

Cuando tocamos una superficie caliente, las terminaciones nerviosas de nuestros dedos reaccionan ante la diferencia de temperatura y envían una señal de aviso al cerebro. Esta capacidad termo-receptora intenta ser imitada por la tecnología con el desarrollo de membranas artificiales termosensibles que puedan ser utilizadas tanto en robots como en bioingeniería para la mejora de las prótesis.

Hasta ahora, los sensores flexibles que se han desarrollado pueden responder a cambios de temperatura de 0,1 ºC, pero solamente funcionan en rangos que no superan los 5ºC y, además, son poco prácticos. Estas prestaciones son muy pobres comparadas con las membranas naturales más sensibles que se conocen, presentes en animales como las víboras de foseta. Estas serpientes venenosas de la subfamilia de los crótalos, tienen en su cabeza dos orificios, llamados fosetas, en cuyo interior existe una membrana capaz de captar diferencias de temperatura de 0,2ºC en un amplio margen (45ºC). Con este sensor, las víboras pueden localizar sus presas de sangre caliente a distancia y cazar en ausencia total de luz.

Ahora, un equipo de investigadores italianos del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich ha desarrollado un nuevo sensor flexible que compite en prestaciones con el de las víboras de foseta. El sensor ha sido creado con moléculas de pectina, un polímero existente en las paredes de las células vegetales. Estas moléculas se asocian entre sí formando una red que puede ser modelada en finas láminas transparentes y flexibles. Las moléculas de pectina se unen unas a otras formando una caja con huecos en los que se alojan iones de calcio. Cuando la temperatura cambia, las retículas se deshacen y liberan los iones de calcio creando una corriente eléctrica que permite captar diferencias de temperatura de 0,1ºC. Las prestaciones son del mismo orden que las de las membranas de las víboras de foseta.

Las películas de pectina obtenidas son de bajo coste, transparentes, se pueden doblar y acoplar a cualquier superficie proporcionando una alta sensibilidad a la temperatura. Las pieles de pectina pueden ser incorporadas en prótesis robóticas, en dispositivos electrónicos flexibles y son compatibles con la mayoría de las tecnologías flexibles existentes.

Referencia:
Biomimetic temperature-sensing layer for artificial skins. Di Giacomo et al., Sci. Robot. 2, eaai9251 (2017) 1 February 2017

Información para la regeneración.

La hidra es un pequeño animal de agua dulce que pertenece a la categoría de los cnidarios, animales a los que también pertenecen las medusas. Es de muy pequeño tamaño, alrededor de 1 cm de largo en los adultos. El atractivo de este animal para la ciencia es que puede regenerarse a partir de pequeños fragmentos de su cuerpo y además parece no envejecer nunca.
La hidra posee una simetría radial. Su cuerpo es cilíndrico. Comienza en un soporte adherido a una superficie, llamado pedúnculo, y acaba en una abertura a modo de boca, llamada hipostoma, rodeada por desde uno a doce tentáculos muy finos y extensibles, que pueden llegar a ser más largos que el propio cuerpo del animal. Los tentáculos son usados para capturar presas. Cada tentáculo está recubierto por una capa de células especializadas llamadas cnidocitos. Esas células poseen una especie de aguijón venenoso retraído en su interior, llamado nematocisto. La parte orientada hacia el exterior del nematocisto posee un fino pelillo, un cilio. Al contacto de este cilio con un objeto externo, que en principio es una presa potencial, el nematocisto es expulsado del cnidocito a gran velocidad y perfora el cuerpo de la presa inyectando sustancias neurotóxicas que la paralizan. Cientos de cnidocitos pueden dispararse al mismo tiempo.
Una vez desencadenada la respuesta de los cnidocitos, los tentáculos se adhieren y rodean a la presa paralizada. Solo treinta segundos después del contacto de un tentáculo con una presa, el resto de los tentáculos la han rodeado y han disparado sus nematocistos para paralizarla por completo.
El cuerpo de la hidra está formado solo por dos capas de células separadas por una sustancia gelatinosa, denominada mesoglea. La capa externa se denomina epidermis y la interna, la gastrodermis, porque recubre el estómago del animal. Aunque la hidra se encuentra adherida a una superficie, no por ello es incapaz de desplazarse. Existen dos modos principales por los que la hidra se desplaza. En el primero, la hidra se pliega y se adhiere con la boca y tentáculos al suelo, separa su parte adherida inferior, y la adhiere en otro lugar, tras lo que suelta la boca del sitio donde estaba adherida. El segundo modo de locomoción de la hidra es na especie de voltereta, en el que tras adherirse con la boca y soltar el pie, el cuerpo se pliega y el pie se adhiere al otro lado de donde está adherida la cabeza.
No obstante, sin duda, el aspecto más impresionante de este animal es la capacidad de regenerar su cuerpo a partir de fragmentos del mismo, ¿Qué mecanismos celulares y moleculares participan en esta hazaña? ¿Dónde se almacena la información del plan corporal de la hidra en cada uno de los fragmentos potenciales de su organismo? Investigadores de la Universidad de Haifa, en Israel, estudian este problema que puede tener importantes repercusiones para conseguir el objetivo de la regeneración de órganos y tejidos también en el caso humano. (2).
Referencia (2): Livshits et al., 2017, Structural Inheritance of the Actin Cytoskeletal Organization Determines the Body Axis in Regenerating Hydra. Cell Reports 18, 1–12. http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2017.01.036

La capa que enfría.

Cuando el Sol ilumina una superficie, ésta se calienta. Lo notamos cuando los rayos solares nos hacen sudar la gota gorda en verano y no sabemos qué hacer para refrescarnos. Esto, que todos asumimos como inevitable, podría comenzar a cambiar gracias a un material plástico flexible desarrollado por investigadores de la Universidad de Colorado. El invento consigue lo impensable, colocado sobre una superficie al Sol, la enfría.
La radiación solar llega a la Tierra contiene todo tipo de ondas electromagnéticas, ondas infrarrojas, radiación visible, ultravioleta, rayos x y gamma. De toda esa variedad de radiaciones, solo una parte llega a la superficie terrestre, gracias al escudo protector de la atmósfera. Las radiaciones más penetrantes, como son los rayos gamma, X y la mayor parte de los rayos ultravioletas son absorbidos, antes de llegar a nosotros. En cambio, la atmósfera es transparente para la luz visible, razón por la que podemos disfrutar de los días soleados, una radiación que nuestros ojos y nuestro cerebro pinta de colores. En cuanto a la radiación infrarroja, que abarca un amplio margen de frecuencias electromagnéticas, el comportamiento de la atmósfera es muy desigual. Mientras absorbe unas frecuencias y conserva el calor provocando el famoso aumento de la temperatura por efecto invernadero, para otras es transparente.
El material diseñado por los investigadores de la Universidad de Colorado aprovecha la ventana transparente de la atmósfera al infrarrojo para enfriar. Consiste en un polímero transparente en el que se han introducido nanoesferas de óxido de silicio repartidas al azar. Las partículas de silicio tienen la particularidad de que “resuenan” a frecuencias del infrarrojo entre los 8 y los 13 μm de longitud de onda, justo la ventana del infrarrojo para la cual la atmósfera es transparente. Cuando se cubre una superficie caliente con esta película plástica, la radiación emitida por el cuerpo es absorbida por el material y reemitida en frecuencias del infrarrojo que pueden atravesar el aire sin calentarlo, provocando una pérdida de calor del cuerpo.
Los investigadores han dado un paso más. Han recubierto la base del polímero con una película reflectora de plata. De esta manera, colocada al Sol, la radiación visible es reflejada y el cuerpo, cubierto por la película, pierde calor, enfriándose hasta 10ºC durante el día. Todo un invento que, además de enfriar si un gasto de energía, desprende una radiación infrarroja que escapa libremente al espacio exterior y, por lo tanto, no contribuye al aumento de temperaturas por efecto invernadero. Para colmo de ventajas, es un material barato.

Referencia:
Zhai et al. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling Science 09 Feb 2017: DOI: 10.1126/science.aai7899

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