Super Bacterias: lo que no mata hace más fuerte

Para la mayoría la palabra antibiótico es bastante conocida. Más de alguna vez nos han recetado dicho medicamento, ya sea para tratar un tipo de infección bacterial o bien como prevención al ser sometidos a alguna operación. Los doctores, al recetarlo, suelen dar una serie de indicaciones: no mezclarlo con ciertas sustancias, no tomarlo con el estómago vacío, NO finalizar el tratamiento anticipadamente, etc.

Hoy en día, enfermedades como sinusitis, infecciones respiratorias, de garganta y/o urinarias son fácilmente tratables a través del uso de estos medicamentos. Unos pocos días de tratamiento son suficiente para que éstas desaparezcan. Hace 80 años una simple operación, una extracción dental, o un pequeño corte podrían habernos llevado fácilmente a la muerte, para qué hablar de neumonía o tuberculosis!. Hoy, sin embargo, contamos con antibióticos! El problema es que estas drogas, que parecieron en un comienzo ser milagrosas, no duran para siempre.

El comienzo: En la búsqueda de la droga milagrosa.

Un antibiótico es una sustancia que mata microorganismos. Hay muchas sustancias que pueden matar microorganismo: ácidos fuertes, agua oxigenada, etc., sin embargo, el termino antibiótico fue originalmente acuñado para referirse a sustancias producidas por un microorganismo para matar o inhibir el crecimiento de otro microorganismo [1].

Si bien el uso de antibióticos puede trazarse a culturas milenarias, las cuales utilizaban plantas (que contenían antibióticos) en el tratamiento de varios males, el conocimiento de éstos y su mecanismo de acción sólo comenzó a conocerse el siglo pasado, con los trabajos de Pasteaur, Koch y Fleming. El trabajo de estas personas es un ejemplo maravilloso de lo que es un descubrimiento científico: una mezcla de trabajo constante, observaciones cuidadosas, entusiasmo y por supuesto un poco de suerte. Ellos vieron algo inusual y se interesaron por entenderlo y el resultado de ello fue extraordinario.

En Septiembre de1928 Alexander Fleming, mientras ordenaba su siempre caótico laboratorio, encontró algo particular en una de sus placas de cultivo. Una de ellas (que contenía la bacteria Staphylococcus aureus) estaba contaminada con moho(Figura 1), la zona alrededor de dicho hongo (luego identificado como Penicillium notatum) era limpia y transparente, parecía ser que dicho hongo había liberado una sustancia que bloqueaba el crecimiento de las bacterias originalmente puestas allí. Fleming logró identificar la sustancia producida por dicho moho, la cual denominó penicilina, sin embargo sus esfuerzos resultaron infructuosos al tratar de aislar y purificar dicha sustancia.

Figura 1: (A) Esta imagen es una demostración de lo que Fleming probablemente vio en su descubrimiento. Al centro, una colonia del hongo Penicillium notatum, la cual está rodeada por una zona transparente (zona de inhibición) originada por la muerte de las bacterias antagonista al contacto con penicilina, en amarillo se muestra la colonia de bacterias antagonista. (B) Estructura molecular del núcleo de las penicilinas. El anillo β-lactámico (en rojo) y otro tiazolidínico (a la derecha, con un S) son el esqueleto de esta serie de compuestos, cuya variación se presenta en el grupo "R".

Dicho paso requirió el trabajo de otros dos científicos, Howard Florey (director de la escuela de patología en la Universidad de Oxford) y el bioquímico Ernst Chain, quien trabajaba en su laboratorio. Si bien fue el entusiasmo inicial de Florey por el trabajo de Fleming el que dio inicio a este desafío, fue finalmente el trabajo de Ernst Chain el que permitió la purificación del antibiótico y con ello los primeros ensayos clínicos de la nueva droga. Al menos en este caso la ciencia fue justa con Chain y éste junto con Fleming y Florey obtuvieron el Nobel de medicina en 1945.

En 1940, 12 años después del descubrimiento de Fleming, la primera persona fue tratado con este compuesto, los resultados fueron nuevamente positivos, sin embargo los científicos no lograron aislar una cantidad suficiente de penicilina a tiempo y el paciente finalmente murió. Era claro que un mecanismo de extracción más eficiente era necesario si se quería usar dicha sustancia con fines clínicos. Finalmente, fue el viaje de Florey y Heatly, otro bioquímico que trabajaba en el laboratorio de Florey, a Estados Unidos el que permitió la producción masiva de penicilina. Harley, junto a otros estadounidenses fueron los que lograron la producción a escala de penicilina. Pero como siempre, no todo es ciencia, algo de política y negocios fue requerido, ese fue el trabajo del jefe, Dr. Florey, quien logró persuadir e involucrar a empresas farmacéuticas en la producción de penicilina. Este trabajo conjunto, finalmente permitió producir la "droga milagrosa" en cantidades adecuadas por la su uso militar (durante la segunda guerra) y posteriormente civil.

Generalmente consideramos la penicilina como el logro de Alexander Fleming, sin embargo vemos que su contribución, si bien esencial,  fue sólo una parte inicial de un largo camino hacia la utilización de esta droga y hacia el desarrollo de lo que hoy conocemos como antibióticos.

El presente: Hombres ignorantes vs Bacterias resistentes.

“existe el peligro de que el hombre ignorante puede fácilmente utilizas dosis más bajas (de esta droga) en si mismo y mediante la exposición de los microbios a cantidades no letales de la droga hacerlos resistentes a la misma[2].

La Aparición de los antibióticos marcó un antes y un después en la historia de la medicina. Enfermedades anteriormente consideradas incurables eran ahora fácilmente tratables. Esto también marcó un hito en la industria farmacéutica, la cual comenzó la carrera por la obtención de nuevos antibióticos. Parecía ser que la lucha contra estas enfermedades había sido ganada, sólo bastaba encontrar el antibiótico adecuada para cada enfermedad. Sin embargo, como Fleming ya lo había predicho en su discurso del Nobel en 1945, dicho éxito era inestable. Fleming estaba en lo cierto, la resistencia de las bacterias frente a las nuevas drogas apareció rápidamente y la "época de oro de los antibióticos" comenzó a tener sus días contados.

En las ultimas décadas se ha demostrado que varios antibióticos que en algún momentos fueron efectivos para el tratamiento de cierta infección, ahora ya no lo son [3]. Ello no es sorprendente, las bacterias, así como todo ser vivo, son el resultado de un proceso evolutivo en el cual la adaptación frente a condiciones adversas han permitido su sobrevivencia. Lo sorprendente ha sido la velocidad con la que la resistencia ha aparecido, debido en gran parte al uso indiscriminado de estos medicamentos por parte de doctores, pacientes y por cierto también la agro industria. Como es que dicha resistencia se ha diseminado tan rápidamente?

Bueno, existen múltiples mecanismos a través de los cuales una bacteria puede mostrar resistencia frente a antibióticos. Estos puede involucrar la degradación del antibiótico por enzimas especializadas o bien la modificación del sitio donde el antibiótico es reconocido. Dicho cambio puede ocurrir a través de mutaciones espontáneas (lo que conocemos como selección natural),  las cuales son transferidas durante la replicación de ADN. En este caso, la presión selectiva hará que las bacteria sin la mutación mueran, dejando vivas aquellas que tienen la mutación que les confiere resistencia (si bien mutaciones espontáneas son raras ,el crecimiento bacteriano exponencial puede conducir a que en cierto tiempo una población desarrolle la resistencia). Otro mecanismo, considerado el más peligroso en la generación de resistencia a antibióticos es el denominado transferencia genética horizontal, donde pequeños segmentos de ADN son transferido entre bacterias, incluso siendo estas de distintas especies, ello puede a ocurrir a través la introducción y expresión del material genético del exterior (transformación), a través de un virus (transducción), o por contacto de 2 células vivas que intercambian piezas de ADN circular, denominado plásmido (conjugación), ver Figura 2.

Figura 2: Mecanismo de transferencia genética horizontal. Esta imagen fue originalmente presentada en ingles en Ref. [4].

Los costos humanos y económicos asociados a este problema son enormes. En Estados Unidos hoy en día una sola variante de la bacteria Staphylococcus aureus resistente a meticilina (MRSA) produce al año más muertes (aprox. 19.000) que la producida en suma por enfisemas, SIDA, Parkinson y homicidios [5]. Otro nuevo foco de peligro son las infecciones hospitalarias, sólo en Estados Unidos se estima que anualmente 2 millones de personas adquieren algún tipo de infección hospitalaria, debidas en su mayoría a la aparición de bacterias resistentes, cuyos costos económicos totales supera los 21 mil millones de dolares! (más de 12 billones de pesos chilenos, $12.000.000.000.000 ). Las estadísticas no mejoran si consideramos países en vías de desarrollo, donde la prevalencia de enfermedades bacteriales es aún mayor.

El escenario actual hace evidente la necesidad de generar nuevos antibióticos. Paradójicamente, ello no parece ser la opinión de las empresas farmacéuticas. La carrera que estas empresas iniciaron en los años 40' se ha visito fuertemente desacelerada en los últimos 20 años (Figura 3). Muchas de las grandes compañías han incluso cerrado su área de investigación relacionadas a estas enfermedades [6,7]. Es que encontrar nuevas drogas no es fácil, tampoco rentable.

Al comienzo hubo en importante factor que ayudo al rápido desarrollo de estas drogas: suerte. Una vez definido el protocolo de extracción y purificación de penicilina, fue relativamente fácil para las empresas farmacéuticas obtener otros antibióticos naturales similares a penicilina. Luego, encontrar nuevas drogas se hizo cada vez más difícil, casi imposible y finalmente el factor dinero se hizo presente. La investigación en nuevos antibióticos requiere una alta inversión y produce un bajo retorno. Esto ha hecho que la gran mayoría de las empresas se enfoque en otro tipo de drogas más rentables, por ejemplo aquellas asociadas a enfermedades crónicas, donde la aparición de resistencia no es un problema y donde el paciente seguramente consumirá las drogas de por vida.

 Figura 3: Antibióticos aprobados en Estados Unidos por la FDA (Food and Drug Administration) en los últimos 30 años. Figura adaptada de Ref. [6]

El futuro: Si no actuamos hoy, no habrá cura para mañana.

La organización mundial de la salud ha declarado la resistencia a antibióticos como un problema de alta prioridad y ha llamado a organismos públicos y privados a hacerse parte para atacarlo. La tarea no es fácil, pero ya varias iniciativas para fomentar la investigación en esta área han comenzado a ser tramitadas en diversos países, así como también diversas campañas para el uso adecuado de estos medicamentos (Figura 4). La tarea no es sólo de los científicos y de las empresas farmacéuticas, a quienes se les exige desarrollar nuevos antibióticos. Nosotros, como consumidores, y los médicos, como responsables de la prescripción de estas drogas, jugamos un rol central. La obtención de nuevas drogas y la investigación científica en este campo no ayudará en nada si nosotros hacemos mal uso de ellas, si los agricultores e industrias alimenticias los utilizan en forma preventiva y/o desproporcionada (ellos son los mayores consumidores en la actualidad) o bien si los médicos las recetan cuando no es debido. Todas esas prácticas, a veces llevadas a cabo de forma inconsciente, contribuyen a que en un futuro no tengamos más opciones de tratamiento. Para cerrar esta columna los dejo con algunas prácticas que pueden ayudar a retrasar el problema de resistencia en los antibióticos actuales:

·       No utilizar antibióticos para tratar enfermedades virales: Antibióticos matan bacterias, no virus!. Si sufrimos una infección viral y tomamos antibióticos lo que haremos es introducir presión en las bacterias de nuestro cuerpo para generar resistencia frente a esos medicamentos, y por lo tanto cuando finalmente lleguemos a necesitarlos ellos no funcionaran.

·       Evitar utilizar antibióticos por más tiempo de lo indicado. Generalmente los antibióticos son prescritos en dosis especificas y por un tiempo muy corto. Esto tiene una razón, uno quiere matar de forma total las bacterias causantes de la enfermedad. Reducir las dosis, consumirlos por tiempos más prolongado, y/o la finalizar de forma repentina el tratamiento hará más probable la sobrevivencia de las bacterias. 

·        Reducir o eliminar el uso preventivo de antibióticos en plantaciones y animales. Ello sólo aumenta las chances de generar variantes más resistentes a dichos antibióticos.

Figura 4: Campañas de educación para el uso responsable de antibióticos en diversos países.

Referencias

[1] Waksman S.A. "What Is an Antibiotic or an Antibiotic Substance?". Mycologia 1947, 39: 565–569

[2] Alexander Fleming (1945) Nobel Lecture.

[3] Polasky S, et al. Environment. Looming global-scale failures and missing institutions. Science 2009; 325:1345-6.

[4] E.Y. Furuya, F.D. Lowy. Antimicrobial-resistant bacteria in the community settin .Nat. Rev. Microbiol. 2006, 4, 36.
[5] Invasive methicillin-resistant Staphylococcus aureus infections in the United States. JAMA 2007; 298: 1763-71.

[6] Edwards Jr. J.E et al. Trends in antimicrobial drug development: implications for the future. Clin. Infect. Dis. 2004; 38: 1279-86.

[7]Infectious Diseases Society of America. Clin Infect Dis. 2011; 52:S397-S428

El objeto mas redondo del mundo

Hace dos domingos se disputó la final de la copa del mundo de fútbol. Podemos decir con cierta confianza que durante este mes el mundo ha girado en torno al esférico. 

Yo no he estado ajeno a dicho ambiente, y en mi cabeza también el esférico ha sido un tema central. Tanto así, de tanto pensar en el tema: las estadísticas, el palo de Pinilla, la derrota de Brasil,  que decidí plantear la siguiente pregunta para iniciar la columna de esta semana:

¿Cuál es el objeto más redondo del mundo? 

 Cuando pensamos en algo redondo nos imaginamos un balón de fútbol, el planeta tierra, al señor Barriga o una naranja, sin embargo todos estos ejemplos son sólo aproximadamente esféricos.   Recordemos que una esfera es un objeto geométrico donde todos los puntos de su superficie están a la misma distancia (llamada radio) de un punto llamado centro. Su volumen es V=4/3πr^3, donde r es el radio de la esfera. Una esfera es la forma geométrica que minimizará el área dado un volumen constante.

Esfera. Imagen desde commons.wikimedia.org

 El planeta Tierra es un ejemplo notable, de que lo que conocemos como esférico es sólo una aproximación, aunque una bastante buena. Si consideramos el punto más bajo en la tierra (el fondo del valle de las marianas tiene 12 km bajo el nivel del mar) y el punto más alto (el monte Everest, con cerca de 8 km sobre el nivel del mar) vemos que dicha diferencia es de sólo 1:300 (0,00333) el radio del planeta, por lo que si pensáramos en una pelota de fútbol de 10 cm de radio, estamos hablando de que la diferencia de altitud se traduciría en una diferencia de 0.3 mm, lo cual es más pequeño que la diferencia de altitud producida por los cascos que se unen sobre el balón!!.

OK, entonces la tierra es bastante esférica (lo que conspira en contra de una tierra perfectamente esférica es en gran medida la rotación de esta en torno a su eje, que hace que se achate hacia los polos), pero, ¿Existe algo aún más redondo?. Nos podríamos poner exquisitos y decir que el concepto de esfera es lo más redondo que existe, pero queremos enfocarnos en objetos reales (en el sentido de que pueden ser medidos con una regla). Con el objetivo de responder esta pregunta, tomemos el camino largo y empecemos hablando de como medimos cosas.

Cada mañana al subirte a la balanza del baño o al comprar un kilo de pan estás haciendo (incluso si no lo notas) una comparación entre cierta cantidad de materia y un concepto. Ese concepto es el concepto de kilogramo. Pero, ¿qué es un kilogramo? El kilogramo se definió en 1799 como la cantidad de masa contenida en un litro de agua a cuatro grados Celsius, que es la temperatura a la cual el agua alcanza su mayor densidad.

 Basados en esta definición, se creó un cilindro de metal que sirve como patrón de referencia. Este cilindro se ubica en la oficina de pesos y medidas en las afueras de París, Francia. Este cilindro es el único objeto en el universo que tiene una masa de exactamente un kilogramo, ya que lo define (ver imagen mas abajo). Junto a este patrón, se crearon 6 copias "idénticas" que se guardan con él también, y otra docena de patrones que fueron enviados a distintos países para establecer sus  propias referencias. Pero como dice el dicho, el diablo se esconde en los detalles. Crear copias idénticas de algo es imposible, por lo que la masa de los cilindros patrón fue medida cuidadosamente y sus pequeñas diferencias con el patrón original fueron anotadas. Para sorpresa de muchos, cuando los cilindros de alrededor del mundo fueron reunidos nuevamente en 1948, su masa relativa era diferente. Reunidos nuevamente en 1989, la diferencia entre las masas medidas originalmente y las masas de los objetos en ese momento había aumentado y alcanzaba los 50 microgramos (esa es la masa de un grano de arena).  

Ok, pero y eso que tiene que ver con el objeto más redondo del mundo? Aguantate cabrit@. para allá vamos.

Kilogramo prototipo Internacional (IPK por sus siglas en inglés) Imagen desde www.theguardian.com

Las razones por las que la masa de los kilogramos de referencia cambian respecto al original son desconocidas!, pero han motivado la búsqueda de un patrón que no dependa de un objeto físico. Cabe señalar que todas las otras unidades fundamentales del sistema métrico internacional, están basadas en en constantes del universo y no en objetos. Por ejemplo, el segundo se define como 9.192.631.770periodos de oscilación de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado basal del átomo Cesio133. Lo genial de estas definiciones es que son exactas, y pueden ser reproducidas por cualquier laboratorio en el universo, sin depender de un ridículo patrón en las afueras de París.

Bueno, nuestro querido kilogramo es la excepción, y es por eso que los científicos están tratando de encontrar una mejor definición. Es aquí donde entra el objeto más redondo del mundo.
 
Una forma de redefinir el kilogramo para que no dependa de un objeto físico, como hasta ahora ha sido, es definiendolo en base al número de Avogadro. Recordemos que el número de Avogadro es la cantidad de átomos presentes en 12 gramos de Carbono 12. Si logramos determinar el numero de Avogadro, entonces un kilogramo queda definido como 1000/12*Número de Avogadro átomos de Carbono 12. El número de Avogadro se puede determinar dividiendo la masa molar por la masa atómica de cualquier elemento. De manera que para determinar el kilo más exactamente solamente resta conocer con mayor precisión el numero de Avogadro.

Usando esta idea en mente, la colaboración internacional "proyecto Avogadro" (link en inglés) intenta determinar el numero de Avogadro con una precisión mayor a la actual que es de una parte por millón. Con este objetivo se han creado unas esferas de Silicio monocristal (sin impurezas en su estructura cristalina), de masa un kilogramo. Se ha utilizado silicio ya que la tecnología actual permite hacer crecer este material sin defectos y además sus propiedades son bien conocidas. El material usado para crear estas esferas tiene un valor de mas de un millón de euros!
 Dada la geometría de las esferas y su masa, se puede determinar su densidad dividiendo la masa por el volumen, y conocida la estructura cristalina del material, se puede determinar la masa atómica.

Estructura cristalina del Silicio. Conocida como estructura cristalina con forma de diamante.
Numero de omos en la celda unitaria: 4 átomos completamente adentro, 8 átomos en las esquinas son compartidos con otras celdas, cuenta como uno. Cada uno de los seis átomos en las caras son compartidos por dos celdas, entonces cuentan como tres. En total
Numero de atomos en la celda unitaria =4+1+3=8.
  Fuente imagen http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon

Pero para obtener la precisión deseada en la definición, se necesita que la esfera sea lo más redonda posible, por lo que han sido pulidas hasta una precisión de 0.6 nanómetros!. Si la esfera fuera del tamaño de la tierra, la diferencia entre el valle mas alto y el foso mas bajo sería de solo 14 metros!!. Para lograr tal precisión se utilizó un proceso de pulido que fue verificado con interferometría* óptica. 

Aún la colaboración no ha logrado obtener la precisión deseada, y algunos otras formas de definir el kilogramo están también siendo estudiadas (ver link). Todos los esfuerzos apuntan a tener una definición mas estable del kilogramo, que permita hacer mediciones precisas y comparar mediciones de distintos periodos, para tener conclusiones mas contundentes. Cualquier civilización decente que se precia de tal en el universo debiese tener un sistema de medidas basado en las leyes de la Física.

He aquí el objeto (posiblemente) más redondo del mundo. Todo para poder definir unidades fundamentales que sean confiables. No se ustedes pero a mi son este tipo de colaboraciones entre seres humanos las que me dan esperanzas en un mundo tan turbulento.

El objeto mas redondo del mundo. (Imagen desde sciences.thepowerofbrain.com) 

Quizás si Pinilla hubiese tenido un balón totalmente esférico la historia seria distinta.... 


 *Interferometría es un grupo de técnicas en las cuales ondas (normalmente ondas electromagnéticas) son combinadas para extraer informacion sobre los objetos en las cuales estan ondas actúan.

Una reunión familiar

Hace algunas semanas estuve en una conferencia en Alemania (una de las maravillas de la vida académica es que nos toca viajar. Mucho). Las conferencias, queridos niños, son una situación fantástica, donde por algunos días, sólo te dedicas a escuchar charlas, comer bien, coffee breaks y conversar con la gente, sobre ciencia y sobre la vida también. Somos humanos, tenemos más dimensiones. Y como somos humanos, en la mitad de la conferencia, después de un almuerzo particularmente opulento, estaba yo, en la sala media oscura, hacia calor, tenía un poco de sueño debido al cambio de horario....y de a poco....mis ojos...se fueron cerrando.....
Sí, me dio sueño, lo reconozco! como dije, somos humanos... Bueno, ahí estaba yo, digamos, adormilada... Cuando un señor empezó su charla. Era muy animoso, dijo algunos chistes, y empezó a hablar de un tema que capturó mi atención. Y, para que vean que los quiero, me acordé de mis tocinos, muriendo de frío en Chile. Justamente de ese tema quiero hablar esta semana.

Se busca

Las estrellas no se forman individualmente. Nacen en grupo a partir de nubes gigantes de material previamente reciclado en el interior de otras estrellas, que terminaron su vida con grandes explosiones. Estas nubes y las estrellas en formación se conocen con el nombre coloquial de “salas cuna estelares”, los grupos de estrellas se conocen como cúmulos abiertos (que son, por definición, muy jóvenes, a diferencia de los cúmulos globulares, que son muy viejos, pero la diferencia de nombre se debe a las distintas etapas de evolución, no una diferencia en su naturaleza). Ejemplos de estas salas cuna hay por montones en nuestra Galaxia y en otras, y son de las imágenes astronómicas más impresionantes que hay, siempre favoritas de público.

La gran nebulosa de Orion, en todo su esplendor. Se puede reconocer fácilmente el cinturón de la constelación de Orión, o como se conoce en Chile, las Tres Marías. En esta nebulosa hay varias salas cuna de estrellas.
Fuente: APOD

El cúmulo abierto Trapezium, dentro de la nebulosa de Orión
Fuente: Hubblesite

Todas las estrellas hermanas se formaron a partir del mismo material, por lo tanto tienen la misma composición química. Con el pasar del tiempo (las escalas de tiempo astronómicas son muy grandes, por lo que estamos hablando desde algunos pocos cientos de miles de años hasta algunos pocos de millones de años), estos cúmulos evolucionarán, debido a la evolución específica de cada estrella (que depende de su masa) y también de los eventos dinámicos que experimenta el cúmulo debido a la gravedad. Ejemplos de estos eventos son interacciones gravitacionales con otros cúmulos y segregación de masa propia en el cúmulo (las estrellas más masivas se ubicarán en las partes centrales del cúmulo, mientras que las estrellas mas livianas tendrán mayor velocidad y escaparán). El resultado de esto es esencialmente que las estrellas hermanas serán separadas y repartidas por la Galaxia.

Doppelgängers(*)

La pregunta natural entonces es tratar de encontrar estrellas que comparten las mismas propiedades de nacimiento del Sol, composición química y, por supuesto, la misma edad – pensemos que comparten el mismo ADN[1]. 

Uno de los primeros candidatos a familiares del Sol fue el cúmulo abierto M 67. Este cúmulo está a unos 2800 años luz de la Tierra, y por encima del disco Galáctico, y se estima que tiene una edad similar al Sol, unos 5 billones de años[2]. Además, sus estrellas presentan una composición muy similar al Sol. Sin embargo, a través de simulaciones dinámicas que nos muestran las órbitas del Sol y M67 hace billones de años, se estableció que ña única forma de que las órbitas del Sol y M67 se intersectaran en el pasado sería debido a que el Sol fue expulsado a una gran velocidad del cúmulo. Esto se descarta ya que a tal velocidad el Sol no habría podido retener su sistema de planetas (o protoplanetas en ese entonces)... y ya sabemos que lo retuvo y que existimos. Así es como la similitud entre M67 y el Sol pareciera ser una gran coincidencia.  

M67, nuestra casi familia
Fuente: Google Images

Hermanos del Sol

Y así, la búsqueda continúa, aunque sin un rumbo definido. Los hermanos del Sol están dispersados por diversos rincones del disco Galáctico, y tratar de estudiar una por una las estrellas que vemos es poco práctico. La mejor forma que tenemos los astrónomos para discernir ahora es con la información dinámica de las órbitas. Usando la información de velocidad de cada estrella y simulaciones dinámicas, podemos seleccionar los candidatos para hermanos del Sol.

Sol quiere encontrar a sus hermanos....Sol está triste

Y así fue como este año se encontró un potencial hermano. La estrella HD 162826 (no tiene el mejor nombre, es verdad) cumple con los requisitos necesarios para ser parte de la familia Solar. Esta es una estrella un poco más masiva y más un poco más caliente que el Sol, ubicada a unos 110 años luz. Ha sido monitoreada con la técnica de velocidades radiales mucho tiempo para encontrar la presencia de algún planeta alrededor, pero no se ha encontrado nada aún, al menos de la masa de Júpiter, no se descarta la presencia de algún planeta tipo Tierra, que sería potencialmente nuestro primo!

El satélite GAIA, mirando la cantidad de trabajo que tiene....
Fuente: ESA

La búsqueda de hermanos solares está recién empezando. El recién lanzado satélite GAIA, que estudia los espectros de miles de millones de estrellas en nuestra Galaxia, nos traerá noticias de la familia solar. Incluso, tendremos información suficiente para reunir otras familias de estrellas y determinar así como se han dispersado en la Galaxia, lo que nos da más información acerca de su evolución.

[1] Esto no significa que tengan que ser iguales en otras propiedades, como la masa, temperatura o estado evolutivo. En un cúmulo se forman estrellas de distintas masas, que evolucionarán de forma distinta, pero como todas se forman de la misma nube, en su interior está la misma composición. Es la misma diferencia entre gemelos y hermanos.

[2] Para estimar la edad del Sol se usan métodos indirectos, como por ejemplo, medir la edad de los meteoritos del sistema solar, que se formaron en conjunto con el Sol, a través de los isótopos radiactivos que contienen, en un método similar al famoso Carbono 14. Otro método es estimar la edad de las piedras más antiguas en la Tierra. Ambos métodos dan resultados similares: 4.5 billones de años aproximadamente.

  

Ciencia y ética, evitando el "gato por liebre"

  ¿Qué puede decir la ciencia sobre temas como Dios, lo bueno, lo malo, la vida o la muerte? La actividad científica tiene mucho que aportar tanto al capital cultural como tecnológico de nuestro País. Sin embargo, en el debate público sobre temas complejos, como la legislación sobre el aborto o eutanasia, es posible encontrar argumentos que disfrazan creencias personales de verdades científicas y viceversa. Lamentablemente, este tipo de confusiones entrampa la solución del problema y dificulta los acuerdos. La columna de esta semana intenta comprender las limitaciones que tiene la ciencia frente a los dilemas éticos de nuestra vida en sociedad.

Ciencia v/s Creencias personales

El conocimiento de tipo formal ha sido históricamente manejado por pocos y generalmente vinculado a grupos que detentan el poder político-económico y/o religioso. Es el caso, por ejemplo, de los sacerdotes del antiguo Egipto, quienes “adivinaban” la escasez o abundancia de las cosechas gracias a que conocían (sólo ellos) el comportamiento regular del caudal  en el río Nilo.  Fue dentro de esa tendencia donde Francis Bacon **, como muchos otros personajes del llamado “siglo de las luces”, rechazó casi agresivamente todo pensamiento que se alejara de lo científico. La mirada radical de Bacon era quizás la respuesta natural frente a una tradición en donde el pensamiento supersticioso y de tipo mágico había dominado los distintos ámbitos de la vida, en muchos casos, excesiva y erróneamente. Ello explicaría la fuerza que luego adquirió el movimiento denominado Ilustración (a fines del siglo XVII), el cual buscaba la liberación de las supersticiones nocivas y cuyas ideas antecedieron a la Revolución Francesa de 1789 con sus ideales de Libertad, Igualdad y Fraternidad.

Quizás al mismo tiempo en que se sostuvo este maravilloso ideal de democratizar el conocimiento para toda la humanidad, se tendió a sacralizar la ciencia y a pensar que ésta era LA mirada más exacta del mundo o la única que ofrecía “La verdad”. Sin embargo, para muchos investigadores, tal como el filósofo Emmanuel Kant, la ciencia es tan sólo  “el camino seguro de la razón”, en el sentido de que ésta no puede negar ni confirmar otros aspectos del ser humano que estén más allá de lo físicamente comprobable (metafísica). Visto desde este punto de vista, las creencias personales (cosas no demostrables como la Fé o la Religión) no son menos importantes que las verdades científicas y no pueden ser rechazadas por éstas a menos que intentáramos hacer ciencia con creencias personales. Pero ¿Qué puede decirnos la ciencia sobre nuestra conducta ética y moral?

 Como vimos en una columna anterior, mientras la ciencia busca la coherencia de los resultados empíricos con una hipótesis, la ética busca la coherencia de nuestra conducta con valores y principios que no están sujetos a comprobación sino que simplemente se aceptan. Entonces, ciencia y ética se manifiestan en ámbitos independientes. A pesar de aquello, es tremendamente necesario que exista una conversación entre ambos aspectos. Un ejemplo claro fue la investigación sobre la naturaleza del átomo que se mal utilizó para el desarrollo de la bomba atómica finalmente arrojada sobre Hiroshima y Nagasaki. En ese caso, algunos científicos no detuvieron su actividad profesional en pos de conservar y respetar valores fundamentales de la Humanidad. Según esto, nuestra ética puede usar a la ciencia sólo como un instrumento, apoyarse en ella, pero jamás ver a la moral aparecer exclusivamente desde los resultados experimentales. 

Discusión sobre el origen de  la vida y el aborto

          La vida es algo simple en el sentido de que no necesitamos ninguna teoría previa para experimentarla, es un proceso al que nos incorporamos de forma innata, aunque no entendamos cómo sucede. En otras palabras, es fácil tener la certeza de estar vivos, pero no es fácil explicar qué es exactamente vivir y cuando comienza este proceso.  Este tipo de problemática es la que enfrentamos actualmente frente a la legislación sobre el aborto. 

       Es importante recordar en este debate que la verdad no viene revelada en la naturaleza como si fuera un libro sagrado, al menos nadie ha podido demostrar eso. Si así fuera, no habría discusión, pues bastaría llamar a un par de expertos y ponerlos a explicar en un par de horas cuando es que comienza la vida. Si tenemos suerte, podrán explicar la vida desde una perspectiva biológica, pudiendo establecer si ciertos organismos viven o no, pero cuando se trata de definir qué es lo que exactamente constituye a un ser humano, incluso desde una perspectiva puramente científica, la tarea se vuelve titánica y aún no se ha resuelto. 

        Pero asumamos que se puede encontrar un criterio científico para decidir el momento exacto en que comienza la vida humana. El siguiente problema es determinar qué vale más, si esa vida en gestación por sí misma, o la autonomía de una madre que no lo quiere tener porque, por ejemplo, va a nacer en condiciones muy desfavorables o fue producto de una violación. Ningún aparato médico, ni parámetro clínico puede tomar la decisión por nosotros. Un dilema similar sucede con la eutanasia en donde se debe escoger entre la autonomía de la persona que no quiere conservar su vida y la obligación legal de mantenerla. En esos ámbitos la actividad científica no tiene competencias directas. Sin embargo, la ciencia puede y debe contribuir a este debate. Por ejemplo, en el caso del aborto, proporcionando información sobre aspectos biológicos del desarrollo fetal; efectos psicológicos y físicos de mujeres que han sido violadas, de quienes tienen un embarazo inviable o de quienes simplemente deciden abortar. Los científicos,  como todo  estamento de la sociedad, no pueden ser relegados en este debate.

Es difícil ver una solución a este debate que no sea un consenso, en donde todas las partes en conflicto estén conscientes de que el acuerdo será una determinación arbitraria que nacerá desde la ideología particular de cada uno.  El tema es urgente por que la defensa de la vida es algo a lo que el Estado dice aspirar en su constitución y un deseo que creo la mayoría de las personas tenemos . Sea cual sea la decisión sobre el aborto, debe ser coherente y basada en un debate abierto, pluralista, libre y honesto.

**Muchas personas sitúan el origen de la ciencia natural en el texto “Novum Organum” de Francis Bacon (1620). Uno de ellos es Emmanuel Kant, quien en la introducción de “Crítica de la razón pura” (1710), agrega que la ciencia surgió antecedida por una revolución del pensamiento en donde a partir de principios empíricos (demostrables mediante experimentos) se inducen nuevas leyes que permiten predecir fenómenos del mundo sensible. Esta es una revolución porque el hombre comienza a explicar fenómenos mediante experimentos basados en el método científico y no solamente mediante conjeturas, historias o mitos. Si bien éste es un cambio fundamental en la historia del pensamiento humano, no quiere decir que sea la única forma de pensamiento posible, simplemente es una manera distinta de comprender parte de lo que nos rodea. 

Fantasías Macromoleculares (post invitado)

Hola amantes del tocino. Esta semana tenemos un post invitado en el blog. El autor es Tomás Corrales, doctor en Física de la Universidad de Mainz, Alemania. Él nos cuenta sobre los temas que lo matuvieron ocupado en los últimos años, durante su doctorado y de su actual investigación sobre ADN, que lleva a cabo como investigador postdoctoral en la Universidad de Cornell, en EEUU.

¿Se han preguntado alguna vez de que están hechos todos estos materiales relativamente blandos que se encuentran a nuestro alrededor y que usamos día a día? Sólo por nombrar algunos ejemplos: las bolsas del supermercado, los envases de yogurt, los recubrimientos de las píldoras, las llantas de un auto y los pañales para bebés. El denominador común entre todos materiales es que están hechos de moléculas muy especiales llamadas macromoléculas. Las macromoléculas se encuentran en casi todos los materiales que usamos a diario, (ver más ejemplos), pero aún más importante, son fundamentales en la organización de la vida como la conocemos. Dos grandes ejemplos biológicos de macromoléculas son las proteínas y nuestro propio ADN, en cuya estructura se codifica la información genética de los seres vivos. ¿Pero, qué es una macromolécula? La palabra en sí lo dice todo, es una molécula…“gigante”, tan grande, que agregarle o quitarle unos cuantos átomos no afectan sus propiedades, es casi como si le sobrasen átomos. Típicamente una macromolécula puede tener dimensiones desde 1 nanómetro (la millonésima parte de un milímetro) hasta llegar a los micrones (la milésima parte de un milímetro). 

 

Si bien hoy en día el uso de macromoléculas es trivial, y cada día aparecen productos con propiedades mejoradas (más ligero, más resistente, etc), su descubrimiento y la manipulación de sus propiedades no lo fueron tanto. Materiales hechos de macromoléculas, como el caucho, las fibras de algodón e incluso los primeros plásticos, ya eran utilizados mucho antes de que se supiese realmente de que estaban hechos. No fue sino hasta 1920 que el concepto de macromolécula fue propuesto por el químico alemán Hermann Staudinger. En un comienzo, la idea de Staudinger fue controversial. Los científicos de la época creían que materiales como el caucho consistían en grandes agrupaciones de moléculas pequeñas que eran atraídas por fuerzas eléctricas, formando partículas o coloides. Staudinger en cambio, fue el primero que propuso que materiales como el caucho estaban hechos de macromoléculas compuestas por cientos o miles de átomos unidos por enlaces covalentes. Al cabo del tiempo, los desarrollos experimentales y teóricos de la década de los 20 le dieron la razón a Staudinger, y de paso, el premio Nobel de química en 1953. En la naturaleza se pueden encontrar muchos tipos de macromoléculas distintas, pero en el tocino de hoy sólo hablaré de dos, polímeros sintéticos y el ADN.

Figura 1: a) Representación de un polímero lineal, con su característica forma de culebra, o fideo. b) Composición química del polímero lineal más simple, el polietileno, en donde las barras negras indican enlaces covalentes. Los puntos suspensivos al final de cada lado indican que la estructura formada por el carbono y los dos hidrógenos se puede repetir y repetir.

Los plásticos son un ejemplo de materiales que están hechos de polímeros sintéticos. Un polímero se caracteriza por ser una especie de culebra (figura 1a), con una unidad química que se repite a lo largo del espacio, formando una cadena. Uno de los polímeros más simples es el polietileno (figura 1b), el cual consiste en átomos de carbón unidos por enlace covalentes formando una cadena lineal. A los costados de esta cadena se conectan además átomos de hidrógeno. En forma condensada, los polímeros pueden formar materiales con distintas propiedades. El largo de la cadena, sus ramificaciones y la flexibilidad intrínseca de la molécula controlan la dureza del plástico y también a qué temperatura se ablanda. Si hiciéramos un zoom a una bolsa de plástico de polietileno y tomásemos un área de 10x10 nanómetros, veríamos una especie de tallarinata de moléculas (figura 2).

Figura 2: Si pudiésemos hacer una imagen nanoscópica de una bolsa de plástico de polietileno (izquierda) veríamos que está compuesta por muchas moléculas largas parecidas a un tallarín (centro) condensadas de manera desordenada. Si magnificáramos nuevamente un solo tallarín veríamos una estructura de átomos de carbono (círculos negros) que forman una cadena en zigzag, con átomos de hidrogeno a sus costados (círculos blancos).

Para no aburrirlos con definiciones tediosas, pasemos a algo un poco más entretenido, ¿Cómo estudiar y visualizar estas macromoléculas? ¿O más interesante aún, como estirar o apretar macromoléculas individuales? Sin duda, uno de los instrumentos más versátiles y revolucionarios en nanotecnología ha sido el microscopio de fuerza atómica (o AFM por sus siglas en inglés). Este instrumento permite visualizar, así como también manipular macromoléculas individuales. El AFM fue desarrollado en 1989 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer, sólo unos cuantos años después de la invención del microscopio de efecto túnel (STM), por el cual Binning y Rohrer recibieron el premio Nobel de física de 1986. El AFM funciona palpando el objeto o superficie, utilizando una aguja de silicio del tamaño de algunos átomos; digamos que éste es como un microscopio ciego (figura 3a). Esta técnica ha permitido a científicos ver objetos más chicos que cualquier método óptico haya podido resolver, llegando a ver átomos individuales. La aguja atómica de un AFM se sitúa al final de una barrita de silicio (figura 3b y c), la cual se deforma cada vez que la punta de la aguja toca la superficie. Al barrer esta aguja de silicio sobre la superficie un objeto se genera un mapa de la deformación de la barra de silicio, la cual nos da información sobre la topografía de nuestra superficie. El AFM puede hacer imágenes de casi cualquier material, sea aislante o conductor, lo cual le da una ventaja por sobre el STM que requiere de superficies conductoras.

Figura 3: a) Caricatura del AFM, un microscopio ciego que “siente” los átomos de una superficie (círculos rojo y blancos). Ojo, la punta del AFM no tiene manos, lo que siente la aguja del AFM son fuerzas de repulsión y atracción eléctricas entre los átomos de la punta y los átomos de la superficie. Las imagen b) muestran una punta de AFM real con su respectiva barrita de silicio (cantiléver en inglés). En c) se muestra una imagen magnificada de la punta. La punta de una aguja comercial puede llegar a tener entre 1 y 5 nanometros. Las imágenes b) y c) fueron obtenidas usando un microscopio de barrido electrónico (SEM por sus siglas en inglés) y se pueden encontrar en mi tesis :) (Link).

Otra ventaja del AFM es que se puede utilizar en distintos medios, por ejemplo, en medios acuosos, los cuales son relevantes para estudiar macromoléculas biológicas. Un ejemplo de la capacidad de esta técnica que me parece interesante, fue publicado hace alrededor de 2 años, en donde se visualiza por primera vez en espacio real la doble hélice de una molécula de ADN. La estructura de doble hélice del ADN fue descubierta hace más de 50 años usando difracción de rayos X (esto da para otro tocinazo), pero hasta ahora nadie había generado una visualización es espacio real de esta hélice. En la imagen generada por AFM aparece una molécula individual de ADN, si, es ese tallarín largo que aparece acostado sobre la superficie plana (figura 4a)!. La doble hélice aparecen como líneas diagonales al eje largo de la molécula, indicadas con flechas verdes (figura 4b). 

Figura 4: a) Una molécula individual de ADN acostada sobre una superficie plana. La imagen fue tomada en un medio líquido. La región encerrada en el cuadrado punteado indica donde se hará una magnificación. b) Imagen magnificada tomada de la imagen anterior. En esta imagen se puede ver la doble hélice del ADN indicado por pares de flechas verdes. Estas imágenes fueron obtenidas por el grupo del Dr. Bart Hoogenboom, investigador del University Collegue London, y aparecieron publicadas hace dos años en Nano Letters, 2012, 12 (7), pp 3846–3850. Este año este grupo ha obtenido imágenes aún más espectaculares de la doble hélice (link).

Aparte de poder visualizar macromoléculas ocupando AFM, se ha demostrado que se pueden medir las propiedades mecánicas de macromoléculas individuales usando la punta del AFM para estirarlas. La fuerza con la que se pueden estirar una macromolécula ocupando AFM va desde los cientos de nanonewton (1 nN = 0.000000001 N) hasta la aproximadamente la centésima parte de un nanonewton (0.01 nN). Para poner esto en contexto, si tomase una manzana de alrededor de 100 gramos, esta ejercería una fuerza de 1 Newton sobre mí mano. Usando estas pequeñísimas fuerzas se pueden estirar varios tipos de macromolécula, incluyendo proteínas, polímeros y ADN. Una aplicación de esto es estudiar cómo se doblan las proteínas. Desafortunadamente las fuerzas involucradas en procesos biológicos relevantes para el ADN son mucho menores a las fuerzas que se pueden lograr utilizando un AFM. Típicamente para leer y copiar un segmento de ADN, proceso que ocurre constantemente dentro de nuestro cuerpo, se requieren del orden de milésimas de nanonewton (0.001 nN = 1 piconewton - pN). Tales fuerzas están fuera del alcance de un AFM, por lo cual nuevas técnicas han sido desarrolladas. Una de estas técnicas, que ha tomado relevancia en las últimas décadas para aplicar fuerzas del orden de piconewtons a macromoléculas, son las llamadas pinzas ópticas. Utilizando pinzas ópticas, se pueden estirar moléculas como el ADN con fuerzas iguales o menores a 1 pN (= 0.000000000001 Newtons, y si, hay 12 posiciones decimales en ese número). Las pinzas ópticas funcionan bajo el siguiente concepto básico: atrapar y manipular micropartículas que se encuentran flotando en una solución liquida. Tales micropartículas pueden ser, por ejemplo, esferas de vidrio del tamaño de 1 micrómetro (milésima de un milímetro). En el caso de las pinzas ópticas, la microparticula se atrapa usando la radiación óptica de un láser. La microparticula es atraída y queda atrapada cerca del punto donde el láser se enfoca. Al mover la posición del foco del láser lateralmente dentro de la solución, uno puede mover la micropartícula (figura 5a). Ahora imaginen que esta microparticula está anclada a una superficie por medio de una molécula de ADN, tal como un niño que sujeta un globo de helio con un cordel (figura 5b). Al mover la microparticula, el ADN se estira y se genera una fuerza. Esta trampa óptica puede estirar un pedazo de ADN con fuerzas que van desde los 0.1 pN hasta ~50 pN. Si uno grafica la fuerza con que se estira el ADN versus su extensión (figura 5c) uno se da cuenta que no se comporta como un elástico. Según la ley de Hooke un elástico se comportaría de manera lineal en un gráfico de fuerza versus extensión. El ADN en este caso tiene dos contribuciones, a bajas fuerzas (menos a 20 pN), el ADN se tiene que desenredar de su estado relajado (y desordenado). Cuando ya totalmente estirado (sobre 20 pN) el ADN empieza a comportarse como un elástico. 

Figura 5: a) Usando un láser se pueden atrapar microparticulas, generalmente de vidrio. Usando reacciones bioquímicas una molécula de ADN se puede adherir a la microparticula de un extremo y a una superficie plana desde el otro extremo. b) Muestra una analogía a este concepto de anclaje, donde en vez de usar un láser, el cordel se tensiona cuando sopla una ráfaga de viento, moviendo el globo. La imagen c) muestra datos experimentales de una molécula de ADN la estirarse. Este gráfico fue obtenido por el grupo del Dr. Steven Block en 1997 y fue publicado en la revista Biophysical Journal 72(3): 1335–1346.

Las pinzas ópticas permiten estudiar procesos biológicos, como la transcripción de segmentos de ADN, replicando las condiciones en las que suceden dentro del cuerpo humano, lo cual era impensado hace tan sólo 20 años. Como si fuese poco, en los últimos años, científicos han desarrollado formas de rotar micropartículas para así aplicar torque sobre moléculas individuales de ADN.

¿Cuál es el futuro de todo esto? Esta es una pregunta personal, que no tiene una respuesta única, sino más bien una humilde opinión. Para mí, uno de los mayores retos en esta área es entender que rol juegan las propiedades mecánicas del ADN al momento de enrollarse para formar el cromosoma. El cromosoma humano suele tener un tamaño del orden de micrómetros, si desenrollásemos esta estructura obtendríamos una fibra de ADN que llegaría a tener centímetros de largo. El proceso de densificación del ADN para llegar formar el cromosoma es bastante complejo (figura 6), entender como el ADN se dobla y tuerce nos dará un entendimiento más profundo de este proceso. Por otro lado, sería interesante estudiar como un pedazo individual de ADN interactúa con la masa densificada de ADN que es el cromosoma. ¿Existirán secuencias de ADN que son más flexibles que otras? ¿Sufrirá algún cambio estructural el ADN al enrollarse en el cromosoma? Estas son solo algunas de las preguntas que me motivan a estudiar estos bichos, además de la posibilidad de desarrollar nuevas técnicas con las cuales estirar y jugar con estas macromoléculas, molécula a la vez. 

Figura 6: Los distintos niveles de compactación del ADN para formar el cromosoma humano.

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