Evolución dirigida en el interior celular.

La evolución molecular dirigida se utiliza de manera rutinaria para diseñar moléculas de interés médico o industrial. La idea detrás de la evolución dirigida es utilizar el mismo procedimiento que utiliza la naturaleza en la evolución, es decir, la mutación al azar seguida de una selección que, en este caso, persigue un objetivo concreto. Para ello, se utilizan procedimientos que generan mutantes de forma aleatoria y se utilizan también procedimientos que seleccionan esos mutantes de acuerdo con la presión de selección empleada. Por ejemplo, los mutantes pueden realizarse en moléculas de anticuerpos que se unen a un antígeno, a una diana molecular determinada. Podemos así mutar estos anticuerpos y seleccionar aquellos mutantes que se unan con más fuerza a esa diana molecular. Esta ronda de mutación y selección puede realizarse múltiples veces. De esta manera, conseguimos anticuerpos nuevos que van a unirse mejor a una molécula concreta, por ejemplo, a una molécula de un tumor, lo que nos permitirá tal vez luchar más eficazmente contra él.

La evolución dirigida se ha empleado para generar nuevas moléculas. Además de anticuerpos podemos modificar enzimas para conseguir una mejor capacidad catalítica, o moléculas capaces de emitir luz de fluorescencia que, por ejemplo, pueden indicar cuándo los genes se encienden y se apagan. Todas estas moléculas evolucionadas tienen una amplia utilidad en la investigación científica y desarrollo industrial.

La mayoría de los sistemas de evolución molecular dirigida utilizan bacterias o virus como organismos de elección en los que realizar mutaciones en los genes que se les introducen, y que son aquellos que deseamos mejorar y seleccionar. Una vez se ha seleccionado una variante mejorada normalmente se utilizan rondas de mutación y selección adicionales. De este modo, utilizando un proceso reiterativo, conseguimos moléculas a veces muy diferentes de la original y que muestran una función mejorada.

Un problema con los métodos de evolución dirigida es que estos se realizan normalmente el exterior de las células, es decir, las moléculas se seleccionan en frascos y material de laboratorio, fuera del entorno celular. Esto, en muchas ocasiones, supone un problema, porque la molécula evolucionada fuera de la célula no puede funcionar bien dentro de ella, o incluso en el organismo, en la sangre o el plasma, lo que se requiere en ocasiones para conseguir la finalidad perseguida. Por consiguiente, sería ideal un sistema de evolución en el interior de las células que permitiera seleccionar las moléculas que mejor funcionan en ellas, en las condiciones del citoplasma. El problema es que estos sistemas son lentos y tediosos.

Un nuevo sistema, diseñado por investigadores de la Universidad de Carolina del Norte, puede acelerar de manera muy importante el proceso de evolución dirigida en el interior de las células. Este sistema, verdaderamente ingenioso, utiliza la manipulación de un virus que se reproduce en el interior de la célula, la cual también ha sido manipulada para permitir la reproducción del virus modificado. En el audio explicamos cómo funciona este ingenioso sistema y sus posibilidades para el desarrollo de nuevas moléculas con propiedades tal vez insospechadas hasta ahora (1).

Referencia (1): English et al., VEGAS as a Platform for Facile Directed Evolution in Mammalian Cells, Cell (2019), https:// doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.051

Metano en Marte y Curiosity.

El metano es un gas abundante en muchos lugares del Sistema Solar. Aquí, en la Tierra, se crea de forma continua como subproducto de la acción vital de numerosas criaturas, ya se encuentren en terrenos ricos en materia orgánica en descomposición o en el interior del estómago de los rumiantes. Por supuesto, hay otras fuentes, además de las biológicas, así el metano es un componente fundamental del gas natural y se sabe que existen enormes reservas bajo el océano en forma de lo que se conoce como clatratos.

Más allá de la Tierra, su abundancia varía dependiendo del lugar. En los gigantes gaseosos como Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, ha surgido mucho metano a través de reacciones químicas. Plutón tiene hielo de metano. En Titán, la luna más grande de Saturno, abunda hasta el punto de formar ríos y lagos de hidrocarburos que modelan el paisaje. En todos estos lugares, la presencia de metano tiene orígenes químicos y geológicos que no están conectados con la vida.

En otros lugares, como en Marte, su presencia es muy escasa, casi testimonial, pero su importancia es muy grande porque, a decir de los científicos, podría tener origen biológico, como sucede en muchos lugares de la Tierra. Esta es la razón por la que se piensa que el metano podría aportar información sobre la existencia de algún tipo de vida microbiana pasada o presente en Marte y los científicos responsables del diseño de las distintas naves enviadas a Marte han puesto en el metano una buena parte de los esfuerzos de investigación.

Una de las misiones que más están dando que hablar sobre el metano en Marte es el róver Curiosity, una estación móvil que la NASA hizo descender en el interior del cráter Gale en 2012 y que, desde entonces, deambula lentamente por él estudiando el entorno geológico y atmosférico. Más allá, girando alrededor del planeta, otras naves vigilan la composición del aire marciano y estudian la abundancia de metano.

Es cierto que la cantidad de metano en la atmósfera marciana es muy pequeña, apenas alcanza una parte por billón (en este caso un billón= 10^9) en volumen (1 ppbv), es decir tomado cualquier volumen tan solo una mil millonésima parte sería metano. Hace apenas un año, científicos responsables del Curiosity revelaron que habían encontrado una correlación entre las variaciones en la abundancia de metano en la atmósfera de Marte y el paso de las estaciones en el Planeta Rojo. Para llegar a esa conclusión, los científicos habían cruzado los datos de las mediciones sobre la abundancia de metano en la atmósfera marciana, obtenidos con el espectrómetro láser sintonizable de Sample Analysis at Mars (SAM) y las variaciones de parámetros ambientales de presión, temperatura, humedad, etc obtenidos con la estación meteorológica REMS, ambos instrumentos instalados en el róver.

Ahora, los mismos responsables han suministrado un dato más, el pasado mes de junio se detectó una subida brusca en el nivel de metano en la atmósfera detectado por el epectrómetro SAM del Curiosity. Si las medidas habituales apenas alcanzan una concentración de 1ppbv de metano, los días anteriores al 24 de junio se detectó un aumento notable, los instrumentos detectaron una concentración de 21 ppbv.

A lo largo de los 7 años de estancia del Curiosity en suelo marciano, se han detectado subidas esporádicas en la concentración de metano que alcanzaron valores entre 7 y 9 ppbv por cortos espacios de tiempo. La medida más reciente es la más alta registrada hasta ahora. Un día después, una nueva medida reveló que la concentración había vuelto a sus parámetros normales. ¿A qué se debe esta variación?

No se sabe. Una forma de averiguar si la emisión está conectada con algún tipo remanente de vida microscópica consistiría en analizar el contenido isotópico del carbono ( la molécula de metano tiene un átomo de carbono y 4 de hidrógeno). Se sabe que aquí en la Tierra, los seres vivos que generan metano tienen preferencia por uno de los isótopos del carbono ( prefieren el carbono 12, más ligero y abundante que el carbono 13). Aunque sería difícil, cabe la posibilidad de utilizar el espectrómetro del Curiosity para detectar las concentraciones de ambos isótopos la próxima vez que se detecte una elevación de metano, aunque, el resultado tampoco resolvería el problema sobre la existencia de vida en Marte porque, al fin y al cabo, esa vida puede ser muy distinta a la de nuestro planeta.

Sin embargo, frente a los datos dados a conocer por la NASA, el equipo del orbitador TGO de la misión ExoMars, que lleva un año tomando datos sobre la abundancia de metano en la atmósfera marciana, informa que sus medidas no detectan apenas metano, de hecho, sus datos indican que las concentraciones no superan las 0,05 ppbv. La nave ExoMars se encuentra en órbita y toma las medidas desde una distancia de 400 km sobre la superficie. Así pues, a la ya escasa presencia de metano, se añade la falta de concordancia en las medidas. Las incógnitas sobre el metano en Marte continúan.

Referencia:
“Curiosity’s Mars Methane Mystery Continues”:https://www.nasa.gov/feature/jpl/curiosity-detects-unusually-high-methane-levels

Linfocitos y obesidad.

Como sabemos, en los países más ricos la obesidad ha alcanzado proporciones epidémicas y debido al número y a la importancia de las patologías que lleva asociada, como la diabetes de tipo 2 o incluso la depresión, la obesidad se ha convertido en un grave problema de salud pública que no se sabe cómo atajar de manera eficaz.

Todos tenemos, además, a ese amigo o conocida que afirma engordar con solo beber agua y también a esa otra amiga o conocido que puede comer como un ballenato sin engordar jamás. La investigación reciente ha revelado que numerosos genes pueden predisponer hacia la obesidad, pero también que existen otros que protegen de esta, incluso si se come demasiado.

Sin embargo, los genes no son capaces por sí solos de explicarlo todo. Por ejemplo, no está del todo claro por qué la obesidad genera un estado de inflamación en el tejido adiposo. La inflamación es una respuesta del sistema inmunitario frente a una amenaza de infección. Esta respuesta conlleva la acumulación y la infiltración de leucocitos, linfocitos y de líquidos corporales al sitio de infección, por lo que ese sitio aumenta de volumen con respecto a su volumen normal y, además, se enrojece, debido a que también se acumulan algunos glóbulos rojos que salen de la sangre acompañando a los líquidos y a los linfocitos y leucocitos. Este aumento de volumen y enrojecimiento es lo que ha dado el nombre a la inflamación.

Las células inmunitarias que infiltran y se acumulan en el tejido adiposo de los animales y personas obesas son de varios tipos, entre los que se encuentran los linfocitos T (que se desarrollan en el órgano llamado timo, y de ahí la T que califica su nombre) y los macrófagos. Recientemente se ha descubierto que los linfocitos se clasifican en dos amplias categorías según sean o no capaces de detectar una sustancia extraña concreta (un antígeno concreto) propia de un microrganismo. Los primeros son linfocitos que pertenecen al sistema inmunitario llamado adaptativo, porque se adapta para responder frente a antígenos concretos presentes en microrganismos concretos. Los segundos son linfocitos innatos, puesto que nacemos ya con ellos preparados para luchar frente a una amplia gama de microrganismos, aunque su eficacia para este fin es menor que la de los linfocitos del sistema adaptativo.

Estudios recientes han indicado la posibilidad de que los linfocitos innatos desarrollen una función adicional a su papel en la defensa del organismo y que participen en la regulación del metabolismo y la obesidad. Para intentar confirmar o refutar estos datos, investigadores del centro RIKEN de medicina integrada, en Kanagawa, Japón, realizan una serie de estudios con ratones de laboratorio genéticamente modificados de forma que no puedan generar linfocitos innatos. Estos ratones son sometidos a distintos regímenes nutricionales para comprobar si desarrollan o no obesidad de la misma forma que los ratones no modificados. En el audio damos cuenta de todos los detalles de este estudio y de sus sorprendentes conclusiones sobre la obesidad (2).
Referencia (2): Sasaki et al., Innate Lymphoid Cells in the Induction of Obesity, Cell Reports (2019), https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.06.016

Un impulso en la eficacia de las células solares.

El Sol lleva calentando la Tierra desde su formación y los seres humanos hemos aprendido a utilizar su enorme poder como fuente de energía para nuestro beneficio durante milenios. Según los cálculos hechos por los científicos, la cantidad total de energía solar recibida en la Tierra en cualquier momento es de aproximadamente 1017 vatios, mientras que la demanda de electricidad global es de aproximadamente 1012 W, así pues, con una cien milésima parte de la energía que nos llega del Sol sería suficiente para satisfacer las necesidades del planeta.
Aunque la energía del sol se aprovecha de muchas maneras, el uso más directo consiste en convertir la radiación solar en electricidad mediante la utilización de células solares fotovoltaicas. Cuando los fotones del Sol llegan a una célula solar, si el fotón tiene energía suficiente, crea pares electrón – hueco en el semiconductor y genera con ello una corriente eléctrica que puede ser almacenada o utilizada como forma de energía limpia y no contaminante.
El problema es que los fotones solares tienen distintas energías. La energía de un fotón está ligada estrechamente con la frecuencia de la luz incidente, de tal manera que un fotón de luz roja, por ejemplo, lleva menos energía que otro de color amarillo, verde o azul. Las células solares convencionales están fabricadas con silicio dopado con impurezas para facilitar la movilidad de los electrones liberados por la luz incidente. Esta conversión tiene una eficiencia que, en teoría, puede alcanzar el 30%, aunque la realidad es mucho menos optimista, de hecho, las células solares actuales más eficientes del mercado apenas alcanzan el 22% y la mayoría se sitúan por debajo del 20%.

Las mayores pérdidas de energía en los paneles actuales se deben a que los paneles solamente aprovechan una parte de la energía que llevan los fotones de las frecuencias más altas (verde o azul) y desperdicia parte de su energía en forma de calor.

Ahora, un trabajo publicado en Nature propone una solución innovadora que permitirá aprovechar una parte de esa energía perdida y mejorar la eficiencia de las células solares en el futuro. La propuesta de Einzinger y sus colegas del Center for Excitonics, Massachusetts Institute of Technology (MIT) consiste en añadir una capa especial ultrafina a la célula solar convencional de silicio diseñada con un material que divide una excitación generada por la absorción de un fotón de alta energía y la convierte en dos excitaciones de menor energía. Posteriormente, las nuevas excitaciones, de menor energía pero en mayor número que los fotones incidentes pasan al silicio de la célula solar y generan pares electrón – hueco que pasan a formar parte de la energía eléctrica producida en la célula solar.

De esta manera, dicen los investigadores, se podría aumentar la eficacia de una célula solar entre un 30 y un 40%.

Referencia:
Markus Einzinger et al., “Sensitization of silicon by singlet exciton fission in tetracene”:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1339-4 Nature 571, 90–94 (2019).
Luther & Johnson. An exciting boost for solar cells