EL (MICRO) MUNDO PERDIDO

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Félix Moronta

07/9/2017

Ilustración de Ada Peña.

Ilustración de Ada Peña.

Cuenta la leyenda…

Al principio toda la tierra estaba desolada. Para los primeros habitantes, el agua les era proporcionada por unas hormigas en sus mandíbulas y la comida era traída por un espíritu bondadoso llamado Demodene. Tanto el agua como la comida venían directo desde el mismísimo cielo. Y así transcurrían los días hasta que un espíritu maligno apareció y espantó a las las hormigas y a Demodene, e hizo la vida precaria.

Ante esta situación, uno de aquellos habitantes llamado Kush confesó conocer el camino al cielo por donde Demodene transitaba para conseguir alimentos. Comenzó a trepar un árbol cuya copa se perdía en las nubes hasta que llegó al cielo. Era el paraíso y había de todo, incluso el árbol madre proveedor de todos los frutos. Él se trepó a este y saboreaba sus manjares cuando molestó un nido de avispas. El zumbido de los insectos alertó a Lemankave, dueña y señora de aquellos predios celestiales, quién entró en cólera por la intromisión. El castigo para Kush fue despellejarlo y dejarlo colgando de aquel árbol.

Ese trágico panorama conmovió a la hija e Lemankave y rogó a su madre la liberación del pobre hombre, pues él había hecho eso precisamente por la situación penosa que pasaba él en su tierra. La señora aceptó y liberó a Kush, quién no tardó en regresar a su tierra con las manos vacías. O al menos aparentemente.

Resulta que debajo de una uña llevó consigo una astilla de aquel árbol madre. Kush clavó la astilla en la tierra y al día siguiente se transformó en un inmenso árbol que proporcionaba todos los frutos imaginables. Con el tiempo, ese árbol se fosilizó y se transformó en el Roraima. Pero el Roraima quedaba muy lejos de la comunidad, así que una mujer pidió a Kush una estaca de ésta y en su regreso, mientras descansaba, la clavó en la tierra y surgió otro gran árbol que también con el tiempo se fosilizó y formó el Auyantepuy (*).

 


Roraima

Roraima


Auyantepuy

Auyantepuy

Para el pueblo pemón o kamaracoto, indígenas ancestrales que habitan el sureste de Venezuela, fue más o menos así cómo se formaron los tepuyes. Los tepuyes son esas mesetas emblemáticas, en el territorio de los pemones, de paredes verticales y cimas muy planas que se alzan hasta casi 3000 metros sobre el nivel del mar. Según estos indígenas, las cimas de los tepuyes son la morada de los dioses.

Lo cierto es que estas fascinantes montañas forman parte de una de las formaciones geológicas más antiguas de la Tierra, el Macizo Guayanés, cuyo origen se estima en el Precámbrico (alrededor de 1700 millones de años atrás).

Macizo Guayanés

Macizo Guayanés

Casi todos los tepuyes se encuentran en territorio venezolano, en el Parque Nacional Canaima. Es el décimo tercer parque nacional más grande del mundo, con una superficie equivalente a Bélgica o Eslovenia. Curiosamente la palabra canaima viene de kanaimó, el término pemón para referir a un ser temido que representa los padeceres del pueblo, que trae discordia, engaño, enfermedades y muerte; algo completamente opuesto a la belleza y esplendor de esos parajes.

Pemones en Canaima, Foto de Antonio Hitcher en Instagram

Pemones en Canaima, Foto de Antonio Hitcher en Instagram

La erosión, gran escultora

Las cimas de los tepuyes fueron alguna vez la superficie de una gran planicie que, por la acción erosiva del clima y de la geología durante miles de millones de años, fue hundiéndose progresivamente. Sin embargo esas inmensas estructuras de arenisca y cuarcita, unas de las rocas más duras que existen, han quedado ahí erguidas casi intactas. Como cuando un paleontólogo excava poco a poco el terreno y pule con brochas las rocas hasta dejar al descubierto los fósiles, así ha actuado la naturaleza en el Macizo Guayanés, pero en una escala de tiempo bestial (en el orden de eras geológicas), hasta dejar a la intemperie a los tepuyes.

Como podrán imaginar, salir o alcanzar esas cimas no es nada fácil. Las altísimas paredes verticales han hecho de los tepuyes unas auténticas islas para los animales y plantas que han quedado ahí «atrapados». Han evolucionado por su cuenta y muchos cuentan con estilos de vidas muy curiosos. Por ejemplo, las plantas han debido desarrollar la carnivoría frente a la escasez de nutrientes del rocoso lecho de los tepuyes. O una pequeñísima rana, que perdió la capacidad de saltar, se vuelve bola y se hace rodar para escapar frente a las amenazas. Muy graciosa ella.


Rana Anomaloglossus roraima, endémica de los tepuyes.

Rana Anomaloglossus roraima, endémica de los tepuyes.


Planta carnívora Heliamphora, solo viven en las alturas de los tepuyes.

Planta carnívora Heliamphora, solo viven en las alturas de los tepuyes.

La rana Anomaloglossus roraima y la planta carnívora Heliamphora, ambas especies endémicas de los tepuyes. (Ver el blog amigo Ciencia de Sofá para más detalles sobre el aislamiento evolutivo de estas plantas y ranas )

Curiosamente estas ranas no están genéticamente emparentadas con ninguna otra especie suramericana, sus parientes más cercanos están en África. Este fenómeno es un bello ejemplo de evolución biológica y geológica, pues es una viva demostración de adaptaciones a ambientes nuevos y de la deriva continental, como un constante recordatorio de que América y África han estado más tiempo unidas que separadas.

Hablando de continentes: las cuevas, un continente oculto

Así como conocemos casi cada centímetro cuadrado de nuestra propia piel, también conocemos prácticamente el 100 % de la superficie de los 7 continentes. Casi cada kilómetro ha sido fotografiado por satélites y está al alcance de todos a través de Google Maps, por ejemplo. También conocemos la piel de nuestras parejas o de nuestros hijos, así como conocemos casi a la perfección las superficies de Marte o de la Luna. Sin embargo, la exploración de lo que está debajo de nuestras pieles es tarea complicada.

Tenemos orificios, poros, cicatrices, arrugas, pliegues, el tubo intestinal, pulmones, oídos, glándulas exocrinas y sistemas excretores y reproductores, que amplifican muchísimas veces la superficie de contacto de nuestro cuerpo con el ambiente. Los orificios de la Tierra son las cuevas.

Las cuevas se forman por la acción constante y obstinada del agua sobre el terreno. Las regiones kársticas del mundo, donde predomina la roca caliza, son las más susceptibles a formar cuevas. En esos terrenos el agua penetra fácilmente y disuelve las rocas de manera lenta pero constante. Son las cuevas más conocidas y exploradas; América Latina alberga muchas de ellas.

Los expertos estiman que 30.000 kilómetros de cuevas han sido exploradas en todo el mundo. Parece una cifra enorme, pero se hace mínima al ver que alrededor de 10.000.000 kilómetros de cuevas permanecen aún inexploradas. En las cuevas inexploradas yace un continente oculto.

La cueva de cuarzo más antigua del mundo

Francesco Sauro era un niño italiano curioso y aventurero. Su padre, un escalador alpino y explorador aficionado, le sembró la pasión por las montañas y las cuevas. De mayor, Francesco se hizo geólogo y se especializó en la exploración de cuevas, la espeleología. Sus sueños de dedicarse a lo que ama se hicieron realidad.

Esa misma ambición de conseguir aquello que le apasiona, de descubrir nuevas cuevas, de ser el primero en penetrar esos oscuros y húmedos recovecos, lo han motivado a poner parte de su atención en los tepuyes venezolanos.

Sus conocimientos científicos, sus mentores, su intuición y sus colegas en Venezuela (principalmente Freddy Vergara de Theraphosa Exploring Team, Puerto Ordaz) se conjugaron para que organizara una expedición a la cima del Auyantepuy en 2013. Mediante fotografías satelitales y aéreas, él y sus colegas previamente pudieron advertir ciertas características en el terreno, conocidos como accidentes, que podrían señalar entrada a nuevas cuevas en ese tepuy. Y allí fueron a dar en una aventura que resembla a la emprendida por Kush de la mitología pemona.

Para que tengan una idea, el Auyantepuy es tan grande que podría albergar la ciudad de Brasilia (o Cali o Caracas o Santiago de Chile o Quito) en su cima de 700 kilómetros cuadrados y es mundialmente famoso porque desde una de sus paredes el agua cae 979 metros al vacío: el Salto Ángel o Karepakupai Venà, la catarata más alta del mundo.

Salto Ángel

Salto Ángel

En uno de los accidentes en el terreno que exploraban, al este de la cima del tepuy, encontraron una oscura entrada. Una vez equipados con toda la parafernalia del caso (equipos de seguridad, instrumentos para recoger muestras, linternas, cámaras, etc.) se adentraron a las profundidades. Habian encontrado una cueva de cuarzo y arenisca nunca antes explorada. Ninguna persona jamás había visitado ese lugar.

Considerando que el cuarzo y la arenisca son durísimos, los estudios estiman que al agua le ha tomado alrededor de 30 millones de años crear esa cueva. En aquel tiempo, la fauna y la flora eran completamente distintas, América del Sur se «acababa» de separar de África y los homínidos no aparecerían sobre la Tierra sino 28 millones de años después. Entiendo que se pierde fácilmente la referencia y la noción del tiempo con estas escalas geológicas, parecen a veces ininteligibles. Pero quédense con que es una cueva muy muy MUY vieja.

Ubicación de la cueva Imawarì Yeuta (en pemón: La casa de los dioses) sobre el Tepuy Auyantepuy.

Ubicación de la cueva Imawarì Yeuta (en pemón: La casa de los dioses) sobre el Tepuy Auyantepuy.

Esta caverna es espectacular. Además de haberse originado en otra era geológica, jamás ninguna persona había entrado. Todo está impoluto, prístino, virgen. La configuración de las formas de las rocas, los minerales y los colores eran inéditos y fue un impacto para el grupo explorador. Ellos tomaron algunas fotos y las imágenes son realmente alucinantes.

Fotos tomadas por el grupo de exploración La Venta 


Exploración La Venta


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La cueva de cuarzo más antigua del mundo alberga seres diminutos

La cueva recién descubierta ha sido llamada Imawarì Yeuta, que significa literalmente «la casa de los dioses» en el dialecto pemón. Si bien no ha habido indicios de dioses habitando ahí, Francesco y su equipo notaron que el húmedo terreno tenía características típicas de actividad microbiana. Y aquí comienza, para mi, la parte más excitante de esta historia: Imawarì Yeuta es la morada de bacterias.

Como todos los seres vivos, la bacterias necesitan comida para poder vivir. Las que habitan nuestro intestino comen lo que comemos, las que habitan los suelos consumen la materia orgánica en descomposición, las marinas se aprovechan también de materia orgánica. Hay otras que aprovechan la luz del sol (como lo hacen las plantas). Pero hay otras que son capaces de alimentarse de materia inorgánica.

Es como si nosotros pudiéramos almorzar una deliciosa barra de hierro acompañada con una rica guarnición de ácido sulfhídrico aderezada con amoniaco, de postre una copa de vidrio y después un shot de hidrógeno como digestivo (por favor no lo intenten en casa). Las bacterias de la cueva Imawarì Yauta son probablemente de este tipo, que obtienen su energía de compuestos inorgánicos.

Entre las estructuras de la cueva que tendrían un origen bacteriano están unos espeleotemas tipo estromatolitos. ¿Espeleo estroma quééé? Un es-pe-le-o-te-ma es cualquier estructura que se forma adentro de una cueva (como las estalactitas y estalagmitas, por ejemplo) y un es-tro-ma-to-li-to es una estructura generalmente redondeada y rocosa producida por bacterias hace millones de años.

Otras formaciones bastante curiosas son charcos violeta. De los espeleotemas y de esos charcos colorados, así como de muchos otros lugares, los exploradores tomaron muestras de manera muy cautelosa. Esto es un paso clave, porque contaminar ese material con las bacterias de nuestra piel no es para nada deseado. El objetivo fue llevarlas al laboratorio, en Italia, para saber qué bacterias habitan esa cueva.

Fotos publicadas por Daniel Daniel Ghezzi y colabordores (2017).

Fotos publicadas por Daniel Daniel Ghezzi y colabordores (2017).

El interés por saber qué bichos viven y prosperan en esas condiciones radica, principalmente, en el potencial biotecnológico que pudieran poseer. Estas bacterias desconocidas pudieran ser capaces de producir nuevos antibióticos o nuevos compuestos con aplicaciones médicas, por ejemplo. Metabolismos insospechados que ampliarían nuestros conocimientos de la vida pudieran ser descubiertos; la curiosidad por desvelar la singularidad entre la interfaz geología-biología es inmensa.

Pero hay un gran obstáculo técnico en todo esto: las bacterias de las cuevas no se multiplican en los laboratorios. Los microbiólogos usamos medios de cultivos para crecer las bacterias y así poderlas estudiar. Esto lo hacemos con las bacterias que conocemos suficientemente bien y sabemos, más o menos, qué debe contener un medio de cultivo para mantenerlas contentas y que se reproduzcan. Este no es el caso de las bacterias de las cuevas. Casi todos los medios de cultivos de cultivo que han formulado para ellas han fallado; las bacterias de las cuevas no están a gusto en esas condiciones artificiales, ellas prefieren siempre su rocosa, húmeda y fría caverna.

Hay que recurrir entonces a la biología molecular para detectarlas, porque sí se puede revelar el ADN que está adentro de las bacterias de las muestras. Imagínense un sonido indetectable para nuestros oídos, pero que después podemos escuchar gracias a un amplificador. Y no solo eso, sino que una vez amplificado también podemos determinar el espectro audible (la audiofrecuencia) de dicho sonido. Algo así sucede con el ADN: se amplifica y luego se lee (se secuencia).

La secuenciación masiva de última generación, llevada a cabo por los colegas microbiólogos italianos de los exploradores Francesco y Freddy, en la Universidad de Bolonia, ha revelado una sorprendente diversidad bacteriana. Además de saber qué bichos habitan esas cuevas, están también investigando si hay genes con algún interés industrial, que produzcan una proteína con alguna aplicación para la salud.

De entre todas las bacterias que han identificado, por los momentos mencionan particularmente una con nombre bien raro: Janthinobacterium. La palabra janthinum significa violeta en latín y la susodicha recibe ese nombre porque es de ese color. ¿Se acuerdan de los charcos violetas que descubrieron y que fotografiaron? Ellos razonan que esa coloración la proporciona esta bacteria.

Un compuesto químico es el responsable de ese color, su nombre es 3-[1,2-dihydro-5-(5-hydroxy-1H-indol-3-yl)-2-oxo-3H-pyrrol-3-ylidene]-1,3-dihydro-2H-indol-2-one, pero mejor lo llamaremos por su nombre genérico: violaceína. Las bacterias como Janthinobacterium lo producen como mecanismo defensa, ya que ellas colonizan superficies donde son susceptibles a la depredación de otras bacterias y de hongos. Es por ello que este colorante bacteriano es un potente antibacteriano y antifúngico. Incluso hay más: en el año 2016 otros investigadores han demostrado que la violaceína inhibe el crecimiento de algunas células cancerígenas.

Los microorganismos que habitan esta red enorme de pasadizos, ríos y canales han evolucionado aislados del mundo durante millones de años. Nuevas drogas, nuevos materiales y nuevos minerales con propiedades desconocidas pudieran estar ahí esperando a ser descubiertos. Además, la conexión entre el mundo mineral y el biológico, esa frontera a primera vista difusa entre la vida y materiales inertes como en esta cueva, brinda pistas sobre el origen y evolución de la vida.

El aislamiento de estos parajes fue lo que inspiró a Sir Conan Doyle a escribir su afamada novela «El mundo perdido». Si bien en la cima de los tepuyes no existen tribus de hombres prehistóricos, ni violentos homínidos primitivos, ni mucho menos pterodáctilos o dinosaurios, sabemos que al menos en sus cuevas sí yace un micro mundo perdido. Más aun, la cueva Imawarì Yeuta es la morada de bacterias con el potencial de mejorar nuestras vidas. Y gracias al equipo italo-venezolano encabezados por Francesco Sauro y Freddy Vergara, en una exploración epopéyica como la emprendida por Kosh al principio de esta historia, hoy estamos más cerca de comprender mejor los secretos que esconden esos rincones de la Tierra.

Para saber más

Francesco Sauro et al. (2013) Imawarì Yeuta: a new giant cave system in the quartz-sandstones of the Auyan Tepui, Bolivar State, Venezuela. 16 International Congress of Speleology.

Daniele Ghezzi et al. (2017) Exploring the microbial diversity featuring the geochemical complexity of the quartz-sandstone cave Imawarì Yeuta, Auyan Tepui, Venezuela. 17 International Congress of Speleology.

Hazel Barton (2006) Introduction to cave microbiology: a review for the non-specialist. Journal of Cave and Karst Studies, volume 8(2), 43-54.

(*) La leyenda pemona de la creación de los tepuyes puede no estar ajustada a los relatos reales. El autor de esta entrada se ha basado en textos disponibles públicamente en internet para su elaboración (http://ift.tt/2wLuziP).

¿QUÉ ES LA VIDA?: DEL CARTESIANISMO A LA BIOLOGÍA DE SISTEMAS

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Diógenes Infante Herrera

31/9/2017

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¿Qué es la vida?

Hace años trabajaba yo en Nueva York y vivía en Nueva Jersey, por lo cual tenía que tomar el autobús para ir a Manhattan todos los días.  Un día me tocó un chofer latino, muy simpático, que después de una breve conversación me invitó para una reunión religiosa.  Yo lo rechacé muy amablemente, manifestándole que yo era científico y no tenía ningún interés en la religión.  El chofer inmediatamente me replicó: «Si Uds. los científicos se creen tan poderosos por qué no pueden crear vida en los laboratorios».  En ese momento me vino a la cabeza la reacción en cadena de la polimerasa, la PCR por sus siglas en inglés, y le respondí: «¡Claro que podemos hacerlo!», y le expliqué que el proceso de la PCR implicaba una amplificación enzimática del ADN en el laboratorio, utilizando una máquina que permite generar ciclos de temperatura diferentes, una enzima capaz de replicar el ADN (polimerasa) que es estable a altas temperaturas y unos cebadores de la reacción que eran específicos para amplificar una cierta secuencia de ADN.  ¡El chofer se quedó callado y siguió conduciendo!  

Yo simplifiqué la vida como una molécula que es capaz de hacer copias de sí misma y dejar descendencia. Sin embargo, podríamos conceptualizar la vida un poco mejor en base a los siguientes postulados que estableció Sir Paul Nurse, Premio Nobel: (i) el gen es la base para herencia, (ii) la célula es la unidad fundamental de los organismos, (iii) La biología se basa en la química, y (iv) las especies evolucionan por selección natural.  Estos preceptos representan una ventana mediante la cual podríamos entender la vida según un criterio reduccionista.  Sin embargo, las cosas pueden ser más complejas, ya que lo que realmente ocurre es la interacción compleja entre los distintos componentes, las células, los genes, las proteínas y todas las macromoléculas presentes, lo cual nos lleva una quinta ventana que es la biología de sistemas; sistemas complejos que interactúan a muchas escalas y que están interconectados.  Un ejemplo es el metabolismo secundario de las plantas, que está constituído por todas esas enorme cantidad de sustancias que estas producen: aromas, sabores, colores, compuesto con aplicaciones medicinales y de cosmética. El metabolismo secundario está necesariamente sincronizado con el metabolismo primario, que es el que produce la energía necesaria para poder realizar todas esas funciones; además con los genes, las proteínas y tiene una gran interacción con el ambiente.  Un caso muy emblemático es el de la viña, ya que la misma variedad de uva produce vinos distintos al ser cultivada en diferentes localidades.  Entender la vida finalmente implica entender esas complejas interacciones.

El fin del sistema cartesiano en biología

Nuestra capacidad de investigar ha estado durante muchos años basada en las ideas filosóficas de René Descartes, quien en su libro conocido popularmente como el Discurso del Método nos planteó la metodología a seguir para generar nuevos conocimientos.  Descartes enfrentaba los conceptos establecidos durante siglos, que basaban el conocimiento en la Lógica Aristotélica que, a su entender, sólo servía para explicar lo ya conocido. Uno de los postulados de Descartes es el de dividir cada una de las dificultades que se examina en tantas partes como sea posible y sea necesario para su solución adecuada, es decir ir de lo particular a lo general y resolviendo los casos particulares eventualmente resolver el caso general.

Esta aproximación cartesiana fue el pilar de la generación de nuevos conocimientos durante siglos.  Newton vio caer una manzana y postuló la gravedad y todas las matemáticas que nos permiten saber con precisión dónde estará Júpiter dentro de unos años.

Otra consecuencia de esta aproximación es el investigador-isla trabajando casi solo en su laboratorio, con poca interacción.

Sin embargo, este enfoque tiene muchas limitaciones cuando intentamos comprender un sistema muy complejo, como son los sistemas biológicos, es decir los seres vivos; ya que en general el todo es mayor que la suma de las partes, con lo cual estudiando los pequeños fenómenos no podemos llegar a comprender el gran fenómeno, que en última instancia es la vida misma.  Hace falta entonces un enfoque global, ir de lo mayor lo menor, apartarse del sendero cartesiano.

La Ingeniería de los Sistemas biológicos

Surge la interrogante de cómo tener una nueva aproximación a los sistemas biológicos. Yuri Lazebnik, un investigador ruso trabajando en USA, en un artículo publicado hace algunos años que se convirtió en un clásico, compara el enfoque tradicional de la biología para enfrentar un problema con el de la ingeniería y analiza su posible uso para resolver una dificultad relativamente simple y parcialmente desconocida para él: una radio que no funciona. El autor establece que una radio es esencialmente muy parecida a un sistema biológico de transducción de señales, ya que convierte una señal en otra: la onda electromagnética en sonido. El autor concluye que nunca se podrá entender cómo funciona la radio con el tradicional método de investigación biológica, basado en el reduccionismo, ya que este consiste en deducir cuál es el papel que juega cada uno de los componentes de manera individual sin tomar en cuenta como funciona el todo, que es lo que finalmente puede permitir su reparación. Finalmente compara este enfoque con el enfoque de un ingeniero para un sistema tecnológico. En el caso de la ingeniería destaca el uso de un lenguaje formal con dos atributos: uno, no es ambiguo; y dos, permite un análisis cuantitativo. Este lenguaje se compara con el muy confuso lenguaje utilizado por los científicos para describir sus sistemas, donde cada quien piensa que su pequeño descubrimiento es más importante que el de todos los demás.

Se desprende de lo anterior, que podemos considerar los sistemas biológicos como una serie de módulos que trabajan acoplados realizando las distintas funciones.  Como ejemplo el desarrollo del embrión, que lleva al diseño del cuerpo, se puede considerar como una gran red de genes reguladores que se van expresando a un tiempo determinado durante su desarrollo. Estos sistemas cuentan con una propiedad fundamental, su robustez, que implica la preservación de características fundamentales a pesar de algunos cambios en los componentes o en el medio ambiente. Aquí tenemos el ejemplo de la viña, a pesar de los cambios en la zona de siembra, siempre puede servir para producir vino, a pesar de las diferencias.

Hay que destacar la importancia de los protocolos de comunicación entre los distintos módulos, que son más importantes que los módulos, ya que permiten la comunicación entre ellos. Un ejemplo de protocolo de comunicación es el internet, concretamente el TCP/IP, que permite el intercambio de información a nivel mundial entre distintas computadora, con diferentes sistemas operativos y en distintos idiomas. Un buen protocolo biológico tiene que ser robusto y tener capacidad de evolución.

Para qué sirve la secuencia de un genoma

En una reciente conversación, un colega investigador me preguntó para qué servía obtener la secuencia completa de un genoma; interesante pregunta. Una respuesta inmediata es que abre las puertas a la biología de sistemas a nivel molecular, ya que con anterioridad ese enfoque sistémico se aplicaba especialmente en ecología o a nivel de organismos.

La secuenciación de genomas completos, formalmente la Genómica Estructural, data de mediados de los años 90 del siglo pasado, siendo el primer genoma no viral completado el de la bacteria Haemophilus influenzae, por un equipo de científicos bajo el mando de Craig Venter en 1995; si bien el proyecto de la secuenciación del genoma humano comenzó unos años antes, llevó unos 10 años en completarse. Al inicio de estos proyectos se pensaba que la genómica estructural iba a permitir establecer la tabla periódica de los genes, comparando esto con la tabla de los elementos químicos que en el siglo XIX permitió el avance de la química, solo que en este caso se esperaba que el genoma humano tuviera unos 100.000 genes.  Identificando todos los genes íbamos a tener de alguna manera el rollo resuelto. Este número surgió producto de la comparación con los genomas bacteriano que contaban con unos 5.000 genes. Sin embargo, la sorpresa fue que el número de genes humanos identificados estuvo en el orden de 21.000, casi la quinta parte de lo esperado, con lo cual se derrumbó el paradigma de la Tabla Periódica de los Genes, y de paso mostró que el problema era mucho más complejo, ya que el número de proteínas está en el orden de 80.000. Este resultado tumbó dos paradigmas: el de un gen una enzima, luego reformulado un gen una cadena polipeptídica, y el de la tabla periódica de los genes.

A pesar de esto, la obtención de la secuencia de genomas completos permitió la reconstrucción de las redes metabólicas, con lo cual se puede establecer cuáles son los productos naturales que un organismo o especie es capaz de sintetizar, en el caso de las plantas.  Con esto abrió las puertas a la biología de sistemas a nivel molecular.

La secuencia del genoma nos permite enumerar los diversos componentes celulares, describir sus interacciones químicamente, formular una descripción matemática de la totalidad de tales interacciones, identificar bajo qué limitaciones opera la red resultante, y evaluar si se realizan ciertas funciones fisiológicas en un entorno determinado, lo cual permite una variedad de usos básicos y aplicados.

 

Pasos para aproximarse a un problema biológico desde el enfoque de la biología de sistemas. Las bases de datos contienen mucha información, que puede ser vinculada y estudiada con métodos computacionales para múltiples fines.

Pasos para aproximarse a un problema biológico desde el enfoque de la biología de sistemas. Las bases de datos contienen mucha información, que puede ser vinculada y estudiada con métodos computacionales para múltiples fines.

Esta información permite establecer in silico (en computadora) la relación entre el fenotipo y el genotipo, y finalmente estudiar el metabolismo de un organismo con un enfoque global, vinculando genes, proteínas, metabolitos, así como las cinéticas de las distintas reacciones bioquímicas, tal como se muestra en la figura anterior.

Otra aplicación de la secuencia completa de un genoma son los estudios de asociación en todo el genoma, Genome Wide Association Studies, GWAS, que al comparar muchos genomas mediante cálculos computacionales permite detectar cambios en los mismos.  En especial, existe un polimorfismo de un solo nucleótido, denominado SNP, Single Nucleotide Polimorphism, un cambio de una base en un gen particular, que puede ser asociado a un fenotipo determinado como una enfermedad u otra característica resaltante.  Para la identificación de los SNPs es necesario secuenciar el genoma, o la región del genoma en estudio, de muchos individuos de manera de poder detectar los SNPs y eventualmente realizar la asociación.  

Dado que estos estudios se basan en analizar y comparar una gran cantidad de datos, surge la necesidad de secuenciar los genomas de muchos individuos; por ejemplo, hay proyectos que tienen por objetivo 1 millón de genomas humano; los chinos se plantean llegar a 100 millones de genomas secuenciados para el 2030.  Estos estudios permiten encontrar si existe una asociación entre una característica y uno o varios SNPs, con lo cual se pueden identificar las regiones del genoma que están potencialmente involucradas en alguna característica o enfermedad, que luego pueden ser estudiadas con mayor detalle.

Las secuencias de genomas completos generan una enorme cantidad de datos, 25Tb de información en promedio para un organismo eucariota, lo cual presenta el problema de cómo obtener información relevante de tanta información. De ahí la necesidad de utilizar modelos matemáticos que nos ayuden a extraer información de estos datos.

Las redes

A mediados del siglo XVIII el matemático suizo Leonard Euler vivía en la ciudad de Königsberg, hoy Kaliningrado. Esta localidad estaba dividida en cuatro secciones por un río y se conectaban mediante siete puentes.  Euler se planteó el problema si era posible recorrer todos los puentes, pasando una sola vez por cada uno y empezando y terminando en el mismo punto de la ciudad.  Aparentemente un problema bien banal. De la solución de este problema surgió toda una disciplina matemática, la teoría de redes, también conocida como Teoría de Grafos. Las redes, o más correctamente los modelos en redes, nos permiten entender el funcionamiento de sistemas extremadamente complejos, como la actividad del cerebro humano,  el tráfico en una ciudad o el metabolismo secundario de las plantas, que es fuente de innumerables compuestos de origen vegetal, muy especialmente compuestos con aplicaciones en salud y alimentación. Los grafos ponen orden cuando se tienen que manejar una gran cantidad de datos en sistemas o procesos biológicos y crean el puente entre la biología molecular y las matemáticas.

El estudio sistemático de la huella genética (genómica) y la bioquímica (metabolitos) que va con un proceso celular específico requiere la caracterización de todas las pequeñas moléculas que forman el perfil de metabolitos y los genes asociados. El metaboloma representa la colección de todos los metabolitos durante ciertos procesos en el organismo. El transcriptoma representa el perfil de expresión génica, todos los mensajeros de ARN en una condición definida. Por lo tanto, para entender el proceso en su conjunto, los estudios de metabolitos deben estar acompañada de estudios de la expresión de genes, por lo que el metaboloma debe estar acompañado por el transcriptoma, para que podamos identificar los genes y los metabolitos cuya síntesis es inducida por un determinado proceso, una infección o estrés. Los estudios de metabolómica generan una enorme cantidad de datos, que necesitan de herramientas matemáticas y computacionales para establecer las correlaciones entre los datos bioquímicos y los genéticos, y para construir las redes que representan las complejas interacciones metabólicas que se producen en cada caso. Este tipo de análisis nos permite observar el problema desde una perspectiva holística, en lugar de analizar cada parte separadamente, ya que en estos sistemas el todo es mucho mayor que la suma de las partes.  Nos encontramos entonces que abordamos el problema desde una perspectiva distinta a la establecida por Descartes, que consistía en ir de lo menor a lo mayor.  Este enfoque global podría eventualmente permitir reparar la radio que comentamos con anterioridad o por lo menos entender cómo funciona.

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El metabolismo opera como una serie de reacciones bioquímicas que actúan de manera interrelacionadas para mantener activas las funciones vitales, consumiendo energía para estar lejos del equilibrio termodinámico. Esencialmente existen dos tipos de metabolismo, el primario, que genera la energía y el secundario para todo lo demás, que necesariamente tiene que estar acoplado al primario.

Podemos entender el metabolismo como un proceso en un organismo donde un conjunto de compuestos se transforman en unos productos a través de una serie de reacciones bioquímicas ramificadas, que generan numerosos productos específicos. Estas reacciones representan la red metabólica.  Esta red tiene diferentes enzimas que pueden estar presentes o ausentes según el tipo de célula, las condiciones ambientales o estado fisiológico.

Por lo que para estudiar el metabolismo y sus aplicaciones en biotecnología e ingeniería metabólica es fundamental dilucidar la organización y el significado biológico de las vías metabólicas. Para ello es necesario establecer el orden de las reacciones, su sentido y si son uni o bidireccionales, lo cual nos da el patrón de conexiones, lo que se denomina topología del grafo o de la red, tal como se muestra en la figura siguiente.

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Si la trayectoria entre dos nodos es importante para su descripción, cada enlace entre dos nodos tendría entonces una orientación particular. Este tipo de gráfico se conoce como Gráfico Direccional o Dígrafo y caracteriza la estructura o topología de sistemas tales como las redes metabólicas.  Los nodos representan los compuesto (metabolitos) y los enlaces las reacciones bioquímicas, que pueden ser reversibles o no.

La red metabólica de la síntesis de flavonoides en cacao

El chocolate negro es un alimento funcional, ya que su consumo tiene un impacto benéfico en la salud humana.  Muchos de los compuestos que tienen este efecto lo constituyen los polifenoles, que son metabolitos secundarios de plantas omnipresentes y con una gran variedad de funciones que incluyen mecanismos de defensa, atracción de polinizadores para la reproducción y como antioxidantes.  Una parte de estos polifenoles lo constituyen los flavonoides, que cumplen un rol en las plantas de atraer a los polinizadores y como pigmentos.  Adicionalmente tiene el efecto en la salud humana ya comentado. Los polifenoles se encuentra en mayores cantidades en cultivos como el cacao, el té, la uva y la aceituna.

En el caso del cacao, este contiene una gran cantidad de flavonoides, particularmente la epicatequina que ayuda a eliminar los radicales libres, que actúan previniendo las enfermedades cardiovasculares y aminorando los efectos de enfermedades como la diabetes.  Además, el cacao contiene teobromina, con una estructura muy similar a la cafeína, que también tiene efectos positivos para la salud, actuando como dilatador de los vasos sanguíneos, ayudando a disminuir la presión arterial, también aumenta el colesterol bueno (HDL) y detiene la acumulación de placas en las paredes arteriales.

Es por esto que estudiar la síntesis de flavonoides en cacao nos puede permitir desarrollar variedades de cacao con un alto contenido de estos compuestos, lo cual le daría al chocolate un mayor valor nutricional de salud.

Con ese objetivo Arsenio Rodríguez y yo realizamos la construcción de un modelo de red metabólica de la síntesis de flavonoides en cacao, Theobroma cacao, que nos permitió investigar las propiedades estructurales esta red. Realizamos dos modelos in silico, (en computadora), uno genérico inicial primario de plantas, consistente en 1024 nodos (especies químicas) y 1099 bordes (reacciones químicas), luego un segundo modelo de red curada para cacao con 653 nodos (metabolitos de flavonoides) y 706 reacciones bioquímicas. El grafo que representa esta red se muestra en la figura siguiente.  El análisis de la red mostró que la molécula con más conexiones es la Coumaroyl-Coenzima A, un compuesto químico que se encuentra en las chalconas. Esto sugiere un papel regulador central para este nodo. Esto nos indica que cualquier modificación a este sistema tiene que tomar en cuenta su efecto en la actividad  de esta enzima, ya que ella está involucrada en múltiples reacciones enzimáticas.

Este modelo nos permite ver como un todo la síntesis de flavonoides en cacao y eventualmente desarrollar chocolates con un mayor contenido de estos compuestos benéficos.

Entre las múltiples aplicaciones que permite el análisis de las propiedades de la red, está la ingeniería metabólica del proceso, el descubrimiento biológico, la evaluación fenotípica y el análisis evolutivo. La ingeniería metabólica es de particular importancia en las plantas y ofrece perspectivas prometedoras para mejorar los rendimientos de la producción y el valor nutricional de los cultivos, generar moléculas de interés farmacológico y la producción de energía a partir de plantas.

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Podemos observar que la red es extremadamente compleja, sin embargo las herramientas de cálculo computacional, acoplado con el análisis bioquímico nos permite determinar cómo se comportan estos compuestos, permitiendo, por ejemplo, determinar su relación en un ambiente determinado.  Se sabe que el cacao, al igual que la uva, produce chocolates de calidades distintas al ser cultivado en ambientes distintos.

Para finalizar con las redes, Euler encontró que no era posible realizar el recorrido en los términos en que él se planteó el problema.

A manera de conclusión

La posibilidad de poder comprender de manera global el fenómeno de la vida, nos abre la posibilidad manipularla a voluntad.  Pero eso no es nada nuevo, si tomamos en cuenta que hace años inventamos especies que no existía de manera natural, como el maíz, los perros y el tomate, solo que ahora lo hacemos basado en fundamentos científicos. Ciertamente que esta posibilidad abre las puertas a situaciones aterradoras, pero sobre todo puede hacer que seamos capaces de vivir de una manera más armoniosa en el planeta que hemos colonizado, desarrollando nuevos enfoques para la medicina y la agricultura.  Enfrentamos el reto de alimentar una población creciente con una superficie dedicada a la agricultura decreciente. Saber cómo funcionan las plantas y cómo es su interacción con el medio ambiente, permite diseñar una agricultura de precisión muchísimo más productiva, con un menor impacto en el ambiente, en la salud de los agricultores y en los consumidores.  

Cogito ergo sum, René y mira hasta dónde hemos llegado.
 

Fuentes y para profundizar más sobre el tema

Csete, M. E., & Doyle, J. C. (2002). Reverse Engineering of Biological Complexity. Science, 295(5560), 1664.

Davidson, E. H., Rast, J. P., Oliveri, P., Ransick, A., Calestani, C., Yuh, C.-H., . . . Bolouri, H. (2002). A Genomic Regulatory Network for Development. Science, 295(5560), 1669.

Fleischmann, R. D., Adams, M. D., White, O., Clayton, R. A., Kirkness, E. F., Kerlavage, A. R., . . . al., e. (1995). Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae Rd. Science, 269(5223), 496-512.

Lazebnik, Y. (2002). Can a biologist fix a radio? Or, what I learned while studying apoptosis. Cancer Cell, 2(3), 179-182.

Palsson, B. (2009). Metabolic systems biology. FEBS Letters, 583(24), 3900-3904. doi:http://ift.tt/2iJ99Qc

Rodriguez, A., & Infante, D. (2009). Network  models in the study of metabolism. Electronic Journal Biotechnolgy, 12(3).

Rodriguez, A., & Infante, D. (2011). Characterization in silico of flavonoids biosynthesis in Theobroma cacao L. Network Biology, 1(1), 34-45.

Vidal, M. (2009). A unifying view of 21st century systems biology. FEBS Letters, 583(24), 3891-3894. doi:http://ift.tt/2gpcQK7

 

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Diógenes Infante Herrera es Licenciado en Biología, (1980), Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela. Diplôme d’Études Approfondies en Microbiologie, (1983), Université Paris-Sud, Orsay, France y Doctorat en Microbiologie, (1987), Université Paris-Sud, Orsay, France. Postdoctorados: (1987-89), Roche Institute of Molecular Biology, Nutley, NJ, EE. UU. y (1989-1990) Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York, NY, EE. UU. Ha sido investigador en: Núcleo Experimental de Biotecnología Agrícola, Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas-Caracas, Venezuela. Centro de Investigación Científica de Yucatán, Mérida, México. Centro Nacional de Biotecnología Agrícola, IDEA, Caracas, Venezuela. Investigador visitante, Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Colonia, Alemania (2001). Actualmente es investigador de Alto Nivel 1, Programa Prometeo, Senescyt, Ecuador.

SANGRE ANDINA DE ALTURA

Publicado en Revista Persea.
Léelo completo en su sitio: https://www.revistapersea.com/ciencias-de-la-vida//sangre-andina-de-altura

Sobre cómo los americanos están adaptándose a vivir en grandes altitudes.

Víctor R. Hernández Marroquín

El 1 de abril de 2009, la selección argentina de fútbol vivió una de sus peores derrotas. En el estadio Hernando Siles, en La Paz, Bolivia, la selección local le propinó una goliza a la albiceleste, que aún ahora es recordada con gozo por algunos y con dolor por otros. Mientras que el equipo de Bolivia se enorgulleció por ese inolvidable 6-1, los jugadores de la selección argentina le achacaron el resultado a un factor extra-deportivo: la altitud. Jugar en La Paz «es imposible», declaró Leo Messi después del juego, quejándose de los constantes dolores de cabeza. Los otros jugadores hicieron eco de esa impresión, repitiendo lo que múltiples atletas de diversas disciplinas han asegurado a lo largo de los años: las grandes altitudes no son lugar para la actividad física intensa.

La ciudad de La Paz es una de las capitales de mayor altitud en el mundo. Con sus 3.600 metros sobre el nivel del mar, sobrepasa la barrera de los 2.000-2.500 metros, tras la cual se considera que los cuerpos humanos acostumbrados a bajas altitudes comienzan a sufrir consecuencias médicas negativas. El nivel de oxígeno en la sangre se desploma, y los sistemas circulatorio y respiratorio comienzan a compensar. Los vasos sanguíneos se constriñen y los niveles de hemoglobina en la sangre suben. Si el ascenso es súbito y sin aclimatación, puede ocurrir el llamado mal de montaña. Fatiga extrema, dolores de cabeza, e incluso mareos: aquello de lo que se quejaban los jugadores argentinos en ese abril de hace 8 años. Y sí, el cuerpo humano puede terminar por aclimatarse; pero eso puede llevar días o a veces semanas.

Uno podría pensar que las zonas de alta montaña son irremediablemente hostiles para los humanos, pero lo cierto es que hay millones de personas en el mundo que viven en altitudes mayores a 2.000 metros. Tan solo en América Latina, entre Bolivia, Perú, Colombia, México y Ecuador suman más de 50 ciudades de más de 100 mil habitantes que superan esa altitud. Es posible que esos residentes de ciudades altas se aclimaten a las condiciones de alta montaña progresivamente desde el nacimiento. Pero hoy sabemos que algunos grupos humanos tienen la constitución genética adecuada para vivir en dichas zonas. En otras palabras, están biológicamente adaptados a las grandes altitudes. ¿Es el caso de los americanos?

Latinoamericanos que viven en las nubes

El Altiplano andino es una de las mesetas más altas del planeta, con una altitud que va entre los 3.000 y los 4.500 metros sobre el nivel del mar. Los asentamientos humanos en ella pueden superar los 3.000 metros. Es una región de una gran tradición cultural indígena que se remonta a miles de años en el pasado. Dos culturas originarias son las predominantes en esta zona: los quechua y los aimara. Ambos han sido identificados como pueblos cuya biología se está adaptando a las alturas.

El pueblo quechua, distinguido sobre todo por su lengua y rasgos culturales, habita una amplia zona del altiplano en Perú y Bolivia. El rango de sus asentamientos va de los 1.800 a los 3.000 metros de altitud. Por su lado, los aimara, concentrados sobre todo en el Altiplano boliviano, suelen vivir más allá de los 3.000 metros. Ambos pueblos están habituados a las altitudes andinas. Esto, se piensa, probablemente sea producto de los miles de años que tienen de habitarlas.

Los primeros americanos fueron poblando el continente poco a poco desde el norte. Comenzaron a arribar a la parte sur del continente al final de la más reciente glaciación, que comenzó a ceder hace unos 14.000 años. Conforme los hielos se retiraban de las montañas de los Andes y el clima causaba que el acceso a los recursos fuera inconsistente, los americanos fueron asentándose en alturas cada vez mayores, en busca de nuevas fuentes de alimento y cobijo. Hacia 12.000 u 11.000 años en el pasado, las grandes altitudes andinas ya estaban pobladas.

Esa mezcla de tecnología, tradiciones y relaciones sociales que llamamos cultura humana es lo que nos ha permitido llegar a lugares extremos del planeta. Los primeros pobladores andinos dependieron primero de elementos culturales para sobrellevar los efectos de la alturas en el cuerpo. La domesticación de las llamas, y de alimentos como la papa, fueron fundamentales, pues proveían medios de calentamiento y subsistencia energética. Pero también fue crucial el consumo de una planta usada para contrarrestar los efectos del mal de montaña, y que que se convertiría en el elemento facilitador de la colonización humana de los Andes: la planta de coca.

Ilustración de Erythroxylum coca, la especie cultivada de coca más común entre los andinos. Esta lámina pertenece a un herbario editado en Alemania hace más de 100 años, acreditado a Hermann Adolph Köhler. Imagen tomada de Wikimedia Commons.

Ilustración de Erythroxylum coca, la especie cultivada de coca más común entre los andinos. Esta lámina pertenece a un herbario editado en Alemania hace más de 100 años, acreditado a Hermann Adolph Köhler. Imagen tomada de Wikimedia Commons.

Existe aún un poco de controversia sobre los efectos favorables que el consumo de coca causa en los habitantes de las alturas sudamericanas. Lo cierto es que es una tradición realmente milenaria: existe evidencia que inequívocamente ubica la ingesta de la planta desde hace 3.000 años al menos. Actualmente, su uso está muy difundido entre los quechua y los aimara. La medicina moderna incorpora estudios fisiológicos que sugieren que los compuestos químicos de la planta de coca impiden que el cuerpo produzca células rojas en demasía como respuesta a la falta de oxígeno en las alturas. La sangre no se hace demasiado espesa y la mayoría de los síntomas del mal de montaña desaparecen.

La planta de coca es una costumbre local, pero parece que las alturas del Altiplano incitan a los recién llegados a usar sustancias para contrarrestar los efectos de la altura. En marzo de este año, la selección argentina volvió a enfrentar a su contraparte boliviana en La Paz. Días antes del encuentro, se corrió la noticia de que los jugadores de la albiceleste tomarían un poco de viagra para evitar que el mal de montaña afectara su rendimiento. El sildenafil, compuesto activo del viagra, provoca que los vasos sanguíneos se dilaten, lo que compensa un poco los mareos y dolores de cabeza. Como su efecto sólo es favorable en estas circunstancias particulares, no es una sustancia sancionada por las autoridades mundiales del deporte. Sin embargo, en este caso, no parece haber funcionado. Los argentinos cayeron 1-2 ante los bolivianos.

Ya sea para jugar fútbol, cultivar papa o trabajar en las minas en las montañas, es posible sobreponerse al mal de las alturas ingiriendo sustancias. Pero también es posible hacerlo con un continuo habitar en grandes altitudes. Después de todo, la selección boliviana no necesita tomar nada para rendir en su estadio local. “A ellos les salía todo”, se lamentaba incrédulamente Messi tras la goliza del 2009.

Hay dos formas de que la fisiología de tu cuerpo se adapte a la vida en las altitudes andinas. Puedes nacer en alguna de las ciudades que sobrepasan los 2.500 metros, y conforme tu cuerpo se desarrolle, obtendrás la capacidad de ser impermeable a los efectos de la poca disponibilidad de oxígeno. Esta sería una aclimatación individual. Pero también puedes nacer con un linaje genético que naturalmente evite que tu cuerpo sufra constantemente por el mal de las alturas. Esto sería una aclimatación colectiva histórica. Aclimatación que bien puede ser llamada adaptación biológica. ¿Los pueblos andinos están ya adaptados a las alturas?

Cerquita del cielo

Desde el siglo XIX, los científicos que han subido a investigar la biología humana en las alturas sudamericanas han hallado una serie de rasgos que ayudan a los andinos a no sufrir por el enrarecimiento del aire. Los pobladores de la cadena montañosa tienen una capacidad pectoral y pulmonar aumentada, comparada con la de los humanos de las tierras bajas. También tienen niveles más altos de hemoglobina en la sangre, la molécula con la que las células rojas mueven el oxígeno en todo el cuerpo. Este rasgo parece aparecer desde la niñez. En 2001, un equipo de investigadores peruanos, liderado por María Rivera Chira, de la Universidad Peruana Cayetano Heredia, compararon los niveles de hemoglobina en niños peruanos que vivieran a más de 4 mil metros, pero de diferente linaje étnico. Encontraron que los niños con un cierto linaje quechua tenían mayores niveles de hemoglobina saturada con oxígeno en la sangre comparados contra dos grupos de niños sin linaje quechua. Todos los niños, por otra parte sanos, mostraban niveles de hemoglobina característicos de habitantes de tierras bajas que visitan grandes altitudes, pero los niños quechua tenían niveles menos pronunciados. Para los investigadores, esto sugería un “mayor grado de aclimatación a la altitud”. Esto es evidencia de que esta aclimatación tiene ya bases genéticas, pues se manifiesta desde la niñez.

Sin embargo, son los aimara los que parecen tener un mayor grado de adaptación a las alturas, por lo que revelan algunos rasgos sanguíneos. En los 80s, investigadores franceses liderados por Jacques Arnaud hicieron varios estudios sobre la respuesta de quechuas y aimaras a las grandes altitudes. Estudiaron varios rasgos tanto a 450 metros como a 3.600 metros. Encontraron que ambos pobladores mostraban efectos de aclimatación en las alturas. Sin embargo, los efectos eran reversibles en los quechuas, pero no en los aimara. Estos últimos seguían mostrando efectos de aclimatación (como los niveles altos de hemoglobina) incluso cuando volvían a tierras bajas. Esto suena al sacrificio que hacen todos los seres vivos que se adaptan genéticamente a alguna circunstancia: te vuelves un mejor habitante de tu hogar, pero pierdes la capacidad de habituarte a otros hogares.

El trasfondo genético de estas adaptaciones fisiológicas apenas está comenzando a desentrañarse. Recientemente, algunos estudios internacionales coordinados por Abigail Bigham, de la Universidad Estatal de Pennsylvania, en los Estados Unidos, han hallado puntos concretos de los genomas andinos que podrían explicar los cambios fisiológicos.

Dentro de todas las poblaciones humanas existe diversidad genética, pero hay ciertos sitios en los genomas que varían menos que otros. Esa falta de diversidad puede explicarse en ocasiones porque las circunstancias ambientales son hostiles para los (mal)afortunados poseedores de mutaciones en puntos particulares. En otras palabras, si un cierto conjunto de genes en el genoma tiene pocas diferencias entre los individuos de un lugar, probablemente esos genes sean provechosos para vivir ahí. Esta es la noción que guió ambos estudios del equipo de Bigham, quienes parecen haber encontrado el paquete genético que ayuda a los andinos a sobrellevar las alturas. No sólo encontraron que algunos genes andinos parecen tener candado contra cambios, sino que hallaron variantes genéticas particulares para estos pobladores. Como era de esperarse, la mayoría de los genes localizados tienen que ver con el metabolismo de la hipoxia, es decir, de la baja disponibilidad de oxígeno para el cuerpo. Aún no es claro, sin embargo, exactamente cómo esos cambios encontrados ayudan a los americanos. Probablemente el panorama completo se desvele con los años.

Vista panorámica de La Paz desde el Puente de las Américas. Autoría de Roger Robinson; tomada de Wikimedia Commons

Vista panorámica de La Paz desde el Puente de las Américas. Autoría de Roger Robinson; tomada de Wikimedia Commons

Con todo, es posible que la adaptación de los pobladores andinos a las alturas todavía no esté terminada. Muchos de ellos, tanto quechuas como aimaras, sufren de mal de montaña crónico. Por supuesto, el problema de salud no ha sido tan grande como para abandonar los picos de la cordillera. Este cambio evolutivo incompleto no es de sorprenderse, si consideramos que la adaptación a los ambientes de alta montaña es un caso de evolución humana que está ocurriendo frente a nuestros ojos. Para algunos investigadores, la adaptación a la altitud es inusitadamente rápida, considerando que los procesos evolutivos de los organismos complejos puede llevarse millones de años. Desde que los sudamericanos comenzaron a poblar las zonas altas de los Andes hasta ahora, han pasado cerca de 600 generaciones. Es a duras penas el tiempo necesario para que las poblaciones humanas hayan ganado los cambios genéticos adecuados para una completa adaptación.

Ahora, si bien los andinos parecen apenas estar en camino, los pueblos de otras partes del mundo van algo más adelantados.

Los pobladores de la meseta del Tibet y los de las altas mesetas en Etiopía también tienen rasgos que les permiten habitar grandes altitudes. Hasta ahora, no se sabe exactamente cómo es que los etíopes logran esa aclimatación. Pero sobre los tibetanos, ya incluso se tienen identificadas las variantes genéticas que les permiten habitar en las alturas de los Himalayas. Este pueblo, a diferencia de los andinos, no tiene niveles más altos de hemoglobina en la sangre, pero eso no les afecta en su residencia a grandes altitudes. Estudios recientes muestran que algunos cambios en sus genes los protegen contra las respuestas negativas al enrarecimiento del aire. Comparados con poblaciones asiáticas relacionadas con ellos, pero de tierras bajas, los tibetanos tienen una variante genética que impide que su cuerpo reaccione exageradamente a la falta de oxígeno; su sangre no se espesa. Esta mutación parece haber ocurrido hace varios miles de años. Los tibetanos llegaron a las mesetas del Himalaya hace unos 25.000 años.

Si bien aún no se conocen por completo las bases genéticas de la adaptación de los andinos a las alturas, es innegable que han comenzado un proceso evolutivo. No sabemos cuánto tiempo más podría tomar hasta completarse, ni si quiera si acaso realmente podrá terminar, considerando que las mezclas étnicas son comunes y probablemente lo seguirán siendo y, sobre todo, que ninguna evolución biológica tiene un punto final; es un constante cambiar. Pero el caso de la sangre humana de las alturas andinas es un fantástico ejemplo de que los humanos seguimos y seguiremos evolucionando hacia diversas direcciones. Tal vez las quejas de Messi y sus compañeros de equipo sobre la desigualdad de jugar en La Paz contra jugadores bolivianos tenga algo de sustento, pero lo cierto es que la biología no basta: todavía hace falta saber patear la pelota. La selección boliviana tiene la extraña suerte de poseer dos tipos de linajes: el cultural, con el que han aprendido a jugar futbol, y el biológico, con el que pueden jugarlo a más de 3.000 metros de altitud. Y esa combinación tan humana de linajes es la que los ayuda a ganar en su casa, el estadio que roza las nubes de los Andes.

Referencias

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  2. Arnaud J, Gutierrez N, Tellez W, Vergnes H; Gutierrez; Tellez; Vergnes (1985). “Haematology and erythrocyte metabolism in man at high altitude: an Aymara-Quechua comparison”. Am J Phys Anthropol. 67 (3): 279–284. PMID 4061583. doi:10.1002/ajpa.1330670313.
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  6. Huicho L, Pawson IG, León-Velarde F, Rivera-Chira M, Pacheco A, Muro M, Silva J; Pawson; León-Velarde; Rivera-Chira; Pacheco; Muro; Silva (2001). “Oxygen saturation and heart rate in healthy school children and adolescents living at high altitude”. Am J Hum Biol. 13 (6): 761–770. PMID 11748815. doi:10.1002/ajhb.1122.
  7. Lorenzo, F. R., Huff, C., Myllymäki, M., Olenchock, B., Swierczek, S., Tashi, T., … & Khan, T. M. (2014). A genetic mechanism for Tibetan high-altitude adaptation. Nature genetics, 46(9), 951-956.
  8. Rupert, J. L., & Hochachka, P. W. (2001). Genetic approaches to understanding human adaptation to altitude in the Andes. Journal of Experimental Biology, 204(18), 3151-3160.
  9. Yi, X., Liang, Y., Huerta-Sanchez, E., Jin, X., Cuo, Z. X. P., Pool, J. E., … & Zheng, H. (2010). Sequencing of 50 human exomes reveals adaptation to high altitude. Science, 329(5987), 75-78.
  10. Moore, L. G. (2001). Human genetic adaptation to high altitude. High altitude medicine & biology, 2(2), 257-279.
  11. Zhou D, Udpa N, Ronen R, Stobdan T, Liang J, Appenzeller O, Zhao HW, Yin Y, Du Y, Guo L, Cao R, Wang Y, Jin X, Huang C, Jia W, Cao D, Guo G, Gamboa JL, Villafuerte F, Callacondo D, Xue J, Liu S, Frazer KA, Li Y, Bafna V, Haddad GG; Udpa; Ronen; Stobdan; Liang; Appenzeller; Zhao; Yin; Du; Guo; Cao; Wang; Jin; Huang; Jia; Cao; Guo; Gamboa; Villafuerte; Callacondo; Xue; Liu; Frazer; Li; Bafna; Haddad (2013). “Whole-genome sequencing uncovers the genetic basis of chronic mountain sickness in Andean highlanders”. Am J Hum Genet. 93 (S0002–9297(13)00331–5): 452–62. PMC 3769925 . PMID 23954164. doi:10.1016/j.ajhg.2013.07.011.

EL VINO ES MEJOR EN COMPAÑÍA

Publicado en Revista Persea.
Léelo completo en su sitio: https://www.revistapersea.com/ciencias-de-la-vida/el-vino-es-mejor-en-compania

Félix Moronta

15/6/2017

Ilustración: Ada Peña

Ilustración: Ada Peña

Después de una dura semana de trabajo me gusta disfrutar una copa de vino en compañía de mi pareja. El sabor y el aroma nos deleitan. Su efecto nos relaja, nos desinhibe, nos llena de gozo y suele estimular conversaciones exquisitas que muchas veces terminan ya saben cómo.

En una de esas conversaciones hablábamos de cuánta ciencia había en nuestras copas. De cuánta historia, cuánta humanidad, cuántas civilizaciones, culturas y pueblos que nos han precedido han disfrutado también de esa bebida. Imaginarse no sólo la procedencia directa del líquido en nuestra mano, sino ir aún más allá e imaginar las miles o millones de generaciones de agricultores, vides y microorganismos que han pasado hasta llegar al primer vino jamás creado, es un ejercicio que emociona y estimula nuestro intelecto. Preguntas complejas tipo ¿Cómo empezó todo? ¿Cómo fue la invención del vino? ¿Conocemos hoy absolutamente todo acerca de la producción de vino, sus fundamentos científicos? Son las que he intentado responder y cuyas respuestas, o al menos partes de ellas, compartiré con los lectores en el resto del texto.

El origen

FIGURA 1. Un joven griego sacando vino de un contenedor. Cerámica griega de los años 490 - 480 antes de Cristo.

FIGURA 1. Un joven griego sacando vino de un contenedor. Cerámica griega de los años 490 – 480 antes de Cristo.

Situémonos en el Neolítico. Es un día cualquiera hace más de 7000 años, plena Edad de Piedra, en los albores de la agricultura. Estamos en Asia central y una curiosa muchacha recolectora advierte que en el cuenco que usó para recolectar uvas silvestres días atrás, los restos de esas frutas nadan en un líquido extraño. Al beberlo, el sabor amargo probablemente se opacó con la sensación que tuvo después. Ha experimentado una ligera embriaguez que la cautivó a ella y luego a todo aquel que también lo probó. La suerte del vino estaba echada, su popularidad no haría sino expandirse.

Esta escena prehistórica tiene sus bases científicas. Han sido hallados restos de cuencos muy antiguos en excavaciones arqueológicas, cuyos análisis han sugerido que contuvieron vino. Se piensa que su descubrimiento fue por pura casualidad. Sin embargo, el momento y el sitio exacto de origen de la bebida permanecen difusos para la ciencia.

En el curso de la historia, y usando el sistema de prueba-error, diferentes culturas produjeron bebidas alcohólicas. Los pueblos de Asia, los griegos, celtas, vikingos, también los egipcios, babilonios y romanos producían vinos y cervezas a partir de uvas o cebada, respectivamente. Los pobladores americanos producían chicha a partir de frutas o maíz, y también el pulque de agave.

Durante la Edad Antigua, estos pueblos sabían que dejar frutas o granos en contenedores cubiertos durante días producirá vino o cerveza, pero sin saber el por qué. Durante el Imperio Romano ese proceso fue llamado fermentación, por la palabra latina fervere que significa «hervir». Ese nombre vino de la observación de que en las mezclas de uvas pisoteadas y cubiertas se producían burbujas, y pensaron que hervía.

Los productores de vino usualmente pisoteaban las uvas para ablandarlas y molerlas antes de dejarlas reposar en contenedores especiales. Sin saberlo, ellos transferían los microorganismos de sus pies a la mezcla. Tampoco sabían que la fermentación que venía después era causada por uno de esos microorganismos. Tomó cientos de años descubrir que unos microscópicos hongos unicelulares eran los responsables.

Levaduras

Fue en el siglo XVII cuando las levaduras fueron observadas por primera vez. Lo hizo Antoni van Leeuwenhoek, un comerciante holandés que perfeccionó los microscopios e inició una revolución científica con el descubrimiento de la vida microbiana y unicelular. Miró también por primera vez los espermatozoides, los glóbulos rojos, células vegetales y varios materiales inorgánicos. Por cierto, cuando vio las levaduras en la elaboración de cerveza y pan pensó que se trataba de unos diminutos granos inorgánicos, inertes, responsables de la fermentación de las bebidas y del levantamiento del pan. La palabra latina levare significa levantar, de ahí su nombre.

En el siglo siguiente, el XVIII, con los trabajos del químico francés Antoine Lavoisier y de su esposa Marie-Anne Pierrette, quedó más o menos claro que durante la fermentación los azúcares son convertidos en alcohol y dióxido de carbono (¿recuerdan lo de las burbujas?). Ellos sabían que las levaduras, esa extraña sustancia microscópica e «inerte», era necesaria para iniciar la fermentación, pero no supieron por qué. Luego vino otro químico francés, Joseph Gay-Lussac, y advirtió que el jugo de uvas no fermentan cuando se le lleva a ebullición, a menos que se introduzcan levaduras. La importancia de las levaduras estaba claro, pero ¿Cuál era su papel?

Ahora es 1835 y seguimos en Francia. El físico e ingeniero Charles Cagniard de la Tour observó que durante la fermentación las levaduras se multiplican por gemación. En la gemación, la levadura madre emite una protuberancia que se convertirá luego en otra levadura, es como si le brotaran los hijos (¿Recuerdan los Gremlins? Pues algo así). Este descubrimiento permitió reconocerlas como entidades vivas y allanó el camino para dilucidar finalmente el papel de las levaduras en la fermentación alcohólica.

Y vino el gran Louis Pasteur a mediados de 1800 y demostró experimentalmente, por primera vez, que las levaduras son las que transforman el jugo de uvas en vino, en ausencia de oxígeno (por eso los contenedores sellados), transformando los azúcares de las frutas en alcohol. Por otra parte, analizando barriles contaminados en una destilería francesa que en lugar de alcohol formaba una especie de leche agria, Luis Pasteur descubrió que existe otro tipo de fermentación, la fermentación láctica, la cual es llevada a cabo por bacterias. Esa fermentación es usada para la fabricación de quesos y yogures, pero eso es otra historia.

Ya iniciado el siglo XX, la fermentación pudo ser recreada in vitro usando el contenido celular de las levaduras. Eduard Buchner fue el químico alemán que secó, trituró y maceró levaduras para liberar su contenido; una especie de jugo de levaduras. A ese preparado añadió glucosa y observó que producía burbujas y alcohol. Postuló la existencia de una «zimasa», una sustancia en el interior de las levaduras responsable de llevar a cabo la transformación del azúcar. En 1907 recibió el premio Nobel de Química por su descubrimiento.

FIGURA 2. Personajes claves en la historia de la fermentación.

FIGURA 2. Personajes claves en la historia de la fermentación.

La naturaleza de la «zimasa» se dilucidó poco a poco hasta que, en 1940, el proceso bioquímico completo fue descrito. La zimasa era en realidad un grupo de varias enzimas distintas cuyas actividades proporcionan energía para la levadura en 10 reacciones químicas secuenciales: la glucólisis. Este proceso bioquímico es común en casi todos los seres vivos, solo que en nuestras células animales no finaliza con la liberación de alcohol (menos mal), sino de una molécula llamada piruvato.

FIGURA 3. Esquema simplificado del proceso de fermentación en levaduras. En la representación molecular, las esferas rojas son oxígeno, las blancas hidrógeno y las grises carbono. 

FIGURA 3. Esquema simplificado del proceso de fermentación en levaduras. En la representación molecular, las esferas rojas son oxígeno, las blancas hidrógeno y las grises carbono.

Con el pasar del siglo XX y el inicio del XXI, el interés ha sido puesto en obtener mejores cepas de levaduras que aporten distinción a los vinos mediante fermentaciones controladas, pero también en el mejoramiento de las vides convencional mediante cruzamientos (el fitomejoramiento). Además, comprender mejor la histórica compañía entre uvas y levaduras ha sido clave para consolidar y mejorar la industria del vino. Y los descubrimientos no cesan.

Hablando de compañía…

En el año 2014 científicos italianos (Campisano et al.) publicaron un hallazgo sorprendente. Ellos estudiaban a las bacterias que viven en las vides, que en conjunto son llamadas microbioma vegetal. Un dato no cuadraba con la composición microbiana que esperaban: detectaban consistentemente el ADN de una bacteria que no debería estar ahí. Era como si al analizar fotos tomadas en un bosque tropical, se advirtiera la presencia de osos polares. La bacteria «intrusa» era Propionobacterium acnes, la bacteria responsable del acné. Lo más lógico fue pensar que se trataba de una contaminación al manipular las muestras; por ejemplo, el técnico pudo haber pasado las bacterias desde sus manos hacia las muestras. Sin embargo, luego de muchos análisis descartaron esa posibilidad.

Descubrieron también que justo esa Propionobacterium acnes es incapaz de reproducirse o de vivir sin la planta: es una bacteria endófita obligada, vive exclusivamente en los tejidos internos de la vid. Ella acumula una cantidad de mutaciones que entorpecen su capacidad de sobrevivir como un microorganismo autónomo y vive exclusivamente en los tejidos internos de las vides. Siguiendo las trazas de esas mutaciones y considerando la velocidad de los cambios evolutivos y los tiempos generacionales de las vides y de bacterias similares, llegaron a la conclusión de que esa bacteria fue adquirida por la planta entre 6300 y 7500 años atrás, en el Neolítico. Posteriormente, los procesos de domesticación y fitomejoramiento han seleccionado a las plantas que portaban a esta bacteria. (Los autores del trabajo la han llamado Propionobacterium acnes Zappae, como tributo al excéntrico compositor Frank Zappa, para resaltar el hábitat inesperado y nada convencional de esta bacteria).

FIGURA 4. Colonias de Propionobacterium acnes, la bacteria responsable del acné.

FIGURA 4. Colonias de Propionobacterium acnes, la bacteria responsable del acné.

¿Se acuerdan de la muchacha recolectora que descubrió el vino por casualidad? Pues ella bien pudo haber sufrido de acné y haber transferido sus bacterias a las plantas que manipulaba. Luego, sin conocer aún por qué, aquellos pobladores seleccionaron las plantas que portaban a Propionobacterium consigo. Probablemente la bacteria hacía que algún rasgo deseado de la planta mejorase (¿Robustez? ¿Frutos más grandes? ¿Resistencia a enfermedades?…) y fue fijada en el largo proceso de domesticación de la planta; por eso probablemente todas las vides modernas cargan consigo esa perenne compañía.

La observación y la experimentación han sumado piezas para la reconstrucción de la historia, composicion y fabricacion del vino. Hoy en día, las modernas técnicas de análisis, ingeniería genética y de fitomejoramiento expanden el repertorio de variedades de vides y levaduras, que amplifican la oferta y variedades de vino. Más allá del valor histórico y científico de esta bebida, su importancia socioeconómica es innegable. Países de nuestra región como Chile y Argentina están entre los mayores productores de vino del mundo. Sus industrias viníferas proporcionan considerables aportes a sus producto interno bruto y emplean a millares de personas. Y lejos de haberse detenido, los descubrimientos que rodean al vino nos seguirán sorprendiendo.

Brindemos (con moderación) por el vino, por la ciencia y por las buenas compañías. ¡Salud!

Para saber más:

  1. Alba-Lois y Segal-Kischinevzky. (2010). Yeast fermentation and the making of beer and wine. Nature Education, 3(9), p. 17.
  2. Chambers y Pretorius. (2010). Fermenting knowledge: the history of winemaking, science and yeast research. EMBO reports, 11(12), pp. 914.
  3. Campisano et al. (2014). Interkingdom transfer of the acne causing agent, Propionibacterium acnes, from human to grapevine. Molecular Biology and Evolution, 31(5), pp. 1059-1065.