domingo, 12 de noviembre de 2017

¿Qué protege a los elefantes del cáncer?

Los elefantes y otros animales de gran tamaño tienen una menor incidencia de cáncer de lo que se esperaría estadísticamente, lo que sugiere que han desarrollado formas de protegerse contra la enfermedad. Un nuevo estudio revela cómo lo hacen los elefantes: un viejo gen que ya no era funcional se recicló del vasto "depósito de basura del genoma" para aumentar la sensibilidad de las células de elefante al daño del ADN, lo que les permite sacrificar células potencialmente cancerosas antes de que se desarrolle la enfermedad.

En animales pluricelulares, las células atraviesan ciclos de crecimiento y división. En cada división, las células copian todo su genoma, e inevitablemente aparecen algunos errores. Algunas de esas mutaciones pueden conducir al cáncer. Uno podría pensar que los animales con cuerpos más grandes y vidas más largas, por lo tanto, tendrían un mayor riesgo de desarrollar cáncer. Pero eso no es lo que los investigadores ven cuando comparan especies en una amplia gama de tamaños corporales: la incidencia de cáncer no parece correlacionarse con la cantidad de células en un organismo o su esperanza de vida. De hecho, los investigadores encuentran que los mamíferos más grandes y de mayor vida tienen menos casos de cáncer. En la década de 1970, el epidemiólogo del cáncer Richard Peto, ahora profesor de estadística médica y epidemiología en la Universidad de Oxford, articuló este fenómeno sorprendente, que se conoce como la paradoja de Peto.
Créditos:  Leon F. Cabeiro/Flickr.

El hecho de que los animales más grandes como los elefantes no tengan altas tasas de cáncer sugiere que han desarrollado mecanismos especiales de supresión del cáncer. En 2015, Joshua Schiffman de la Facultad de Medicina de la Universidad de Utah y Carlo Maley de la Universidad Estatal de Arizona encabezaron un equipo de investigadores que demostró que el genoma del elefante tiene alrededor de 20 duplicados extra de p53, un gen supresor tumoral canónico. Siguieron sugiriendo que estas copias adicionales de p53 podrían explicar, al menos en parte, las capacidades mejoradas de supresión del cáncer de los elefantes. Actualmente, Lisa M. Abegglen, una bióloga celular de la Facultad de Medicina de Utah que contribuyó al estudio, lidera un proyecto para averiguar si las copias de p53 tienen diferentes funciones.

Sin embargo, las copias adicionales de p53 no son la única fuente de protección de los elefantes. Un nuevo trabajo dirigido por Vincent Lynch, genetista de la Universidad de Chicago, muestra que los elefantes y sus parientes de cuerpo más pequeño (como los damanes, armadillos y cerdos hormigueros) también tienen copias duplicadas del gen LIF, que codifica el factor inhibidor de la leucemia. Esta proteína de señalización normalmente participa en la fertilidad y la reproducción y también estimula el crecimiento de las células madre embrionarias. Lynch presentó su trabajo en la reunión de la Sociedad Panamericana de Biología Evolutiva del Desarrollo en Calgary en agosto de 2017, y actualmente está publicado en biorxiv.org.

Lynch encontró que los 11 duplicados de LIF difieren entre sí, pero están incompletos: como mínimo, a todos les falta el bloque inicial de información que codifica proteínas, así como una secuencia promotora para regular la actividad del gen. Estas deficiencias sugieren a Lynch que ninguno de los duplicados debería ser capaz de realizar las funciones normales de un gen LIF o incluso ser expresado por las células.

Pero cuando Lynch buscó en las células, encontró transcripciones de ARN de al menos uno de los duplicados, LIF6, que indicaba que debía tener una secuencia promotora en algún lugar para activarlo. Lynch y sus colaboradores descubrieron una secuencia de ADN que parecía un sitio de unión para la proteína p53. Les sugirió que p53 (pero no cualquiera de los duplicados de p53) podría estar regulando la expresión de LIF6. Experimentos posteriores en células de elefante confirmaron esta corazonada.

Para descubrir qué estaba haciendo LIF6, los investigadores bloquearon la actividad del gen y sometieron a las células a condiciones que dañan el ADN. El resultado fue que las células tenían menos probabilidades de autodestruirse a través de un proceso llamado apoptosis (muerte celular programada), que los organismos a menudo usan como un tipo de sistema de control de calidad para eliminar el tejido defectuoso. LIF6 por lo tanto, parece ayudar a erradicar las células potencialmente malignas. Experimentos adicionales indicaron que LIF6 desencadena la muerte celular al crear fugas en las membranas que rodean las mitocondrias, los orgánulos productores de energía vital de las células.

Para conocer más sobre la historia evolutiva de LIF y sus duplicados, Lynch encontró sus contrapartes en los genomas de especies estrechamente relacionadas: manatíes, mamuts y mastodontes extintos. Su análisis sugirió que el gen LIF se duplicó 17 veces y se perdió 14 veces durante la evolución del linaje del elefante. Hyraxes y manatíes tienen duplicados LIF, pero los duplicados p53 aparecen solo en elefantes vivos y extintos, lo que sugiere que las duplicaciones LIF ocurrieron antes en la evolución.

Referencia:

jueves, 2 de noviembre de 2017

Los nueve niveles del Mictlán, el inframundo azteca

De acuerdo a la mitología azteca Mictlantecuhtli, señor de los muertos reinaba en Mictlán, el lugar donde llegaban al pasar por los diferentes niveles del inframundo y que habían fallecido de muerte natural.

Mictlantecuhtli y su esposa Mictecacíhuatl, esperaban a los difuntos, quienes después de un viaje que había durado cuatro años y luego de haber superado diferentes pruebas ingresaban. El viaje duraba cuatro años, ante el cual los difuntos podían detenerse, volver a casa, buscar comida para recuperar la energía y que se cree puede ser el origen de la celebración del día de muertos.
Los nueve niveles del Mictlán, Creditos: códice Vaticano.

Los nueve niveles del Mictlán

Mictlán es parte del universo vertical, creado por la pareja de dioses soberanos de los muertos. Sus nueve regiones  representan el viaje del Dios Tonatiuh todas las noches en las fauces de los señores de la Tierra.

Itzcuitlán, lugar donde habitan los perros

En esta región habitaban Xoloitzcuintle, perros sagrados de Xolotl, quien alguna vez fue custodio del Sol, peor por haberlo tratado de atacar fue enviado a este lugar para reconciliar a los perros con los muertos.

Para poder superar este nivel se debía atravesar el río Apanohuacalhuia, morada de Xochitónal, una iguana gigante, y donde era primordial la ayuda de los perros, por lo que en vida debían de tener un trato adecuado hacia estos animales.

Tepeme Monamictlán, lugar en el que se juntan las montañas

En esta zona había dos cerros se abrían y cerraban estrellándose entre sí. Para poder atravesar este espacio los viajeros debían buscar el momento prudente para poder cruzarlo sin salir lastimados.

Itztépetl, montaña de obsidiana

Región donde había un cerro completo con caminos cubiertos de pedernales de obsidiana que iba a desgarrando a los viajeros. Aquí vivía con  Itztlacoliuhqui, quien había sido encomendado a cuidar al Sol hasta que lo ataco y en castigo custodiaba esta zona. Completaba este espacio dos regiones con fuertes vientos que hacía que los viajeros abandonaran toda pertenencia que los acompañaba.

Cehuelóyan, lugar donde hay mucha nieve

Mictlecayotl vivía en esta región, el dios del viento frío del norte que hacía de esta región una extensa área congelada y con vientos fuertes.

Pancuetlacalóyan, lugar donde la persona se voltea como bandera


Después de cruzar la nieve, los muertos pasaban por un gran desierto dividido en ocho paramos donde no existía la gravedad y quedaban a merced del viento que podía llevarlos hacia la orilla o regresarlos al inicio.

Temiminalóyan, lugar donde te flechan saetas

Amplio sendero donde manos invisibles lanzan flechas a los muertos con la intención de desangrarlos para que no pudieran continuar su camino.

Teyollocualóyan, lugar donde te comen el corazón

Al llegar a esta región animales salvajes como jaguares atacaban a los muertos, les abrían el pecho y extraían su corazón para comerlo.

Apanohuayán, lugar donde se tiene que cruzar agua

Desembocadura del río Apanohuacalhuia, al llegar a esta región los viajeros ya no tenían corazón y acababan en aguas negras, al poder atravesarlo debían pasar un valle donde la desembocadura se convertía en nueve hondos ríos, que representaban los nueve estados de la conciencia.

Chiconahualoyán o lugar donde se tienen nueve aguas

Al alcanzar el final del trayecto se llegaba a una zona de niebla donde los muertos ya no podían ver a su alrededor. Su estado de cansancio provocaba la reflexión de sus decisiones y vida, donde todo se conectaba hasta que lograba la unidad, se volvía uno con todo. Solamente así, dejaba de padecer y entraba a Mictlán.

domingo, 22 de octubre de 2017

Cuando las estrellas de neutrones colisionan se producen ondas de luz y gravitacionales
Hemos sido extremadamente afortunados, los detectores LIGO y VIRGO que funcionaron simultáneamente durante algunas semanas, otorgaron datos muy significativos. Hoy, el equipo que esta detrás de la colaboración conjunta anunciaron que la observación de una fusión de dos estrellas de neutrones. Y, debido a que las estrellas de neutrones no engullen todo lo que encuentran, las ondas gravitatorias fueron acompañadas por fotones, incluido un resplandor prolongado. Entonces, docenas de telescopios, y muchos en el espacio, obtuvieron datos muy valiosos.

Recreación artística de una colisión de estrellas de neutrones. Créditos: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Ahora hay una cantidad de importantes problemas astrofísicos aclarados por esta colisión. La colisión se detectó simultáneamente con el telescopio espacial Fermi, lo que confirma que las fusiones de estrellas de neutrones producen un fenómeno conocido como ráfaga corta de rayos gamma. Las ondas gravitacionales se detectaron casi simultáneamente con el estallido de rayos gamma, lo que confirma que se mueven a la velocidad de la luz. Y se detectaron elementos pesados ​​como el oro en los restos de explosión, lo que indica que estas fusiones son una fuente de elementos que de otro modo serían difíciles de producir en una supernova.

Finalmente, las ondas gravitacionales de este evento se detectaron durante un período de aproximadamente 100 segundos, lo que debería permitir un análisis detallado de su producción.

Conociendo los neutrones


Las estrellas de neutrones son producto de supernovas donde la estrella que produce la explosión no tiene suficiente masa para formar un agujero negro. El objeto que se forma con una masa de uno o dos masas solares forma un cuerpo con un diámetro de aproximadamente 20 km. En estas densidades, los átomos individuales desaparecen de la existencia, y la estrella completa se convierte en un solo trozo de neutrones, y posiblemente en otras partículas exóticas (se han propuesto estrellas de materia de quark pero aún no se ha confirmado su existencia). En los casos en que dos estrellas masivas son supernovas, es posible formar sistemas binarios donde dos estrellas de neutrones se orbitan entre sí.

Sabemos desde hace años sobre los sistemas binarios de estrellas de neutrones, sobre ellos se ha discutido incluso colisión. Los teóricos han estado ocupados proponiendo cómo se verían y cómo se comportarían una vez que se produjera la fusión, pero la detección simultánea del evento en ondas gravitatorias y electromagnéticas ha sido esencial para confirmar varias ideas de los teóricos.

Para que eso sucediera, se necesito de varias coincidencias. Dado que las estrellas de neutrones son sustancialmente menos masivas que los agujeros negros, los eventos son más débiles, y solo los detectaríamos si estuvieran más cerca. En este caso, la fusión tuvo lugar a 130 millones de años luz de la Tierra, algo que los astrónomos llaman una "distancia relativamente cercana". (Para el contexto, esa "distancia relativamente cercana" significa que el evento tuvo lugar poco después de que los antepasados ​​de los marsupiales y mamíferos placentarios se separaran).

También necesitábamos LIGO y VIRGO en operación simultáneamente. El tener un tercer detector habría reducido radicalmente el área del cielo que contiene una fuente de ondas gravitacionales. Por lo tanto, tenemos un alto grado de certeza de que el estallido de rayos gamma fue producido por la misma fuente que las ondas gravitacionales.

Las dos estrellas de neutrones que se fusionaron tienen una masa relativamente baja: se estimaron entre 1,1 y 1,6 veces la masa del Sol, en comparación con los agujeros negros que han tenido más de 20 masas solares. Esto significa que las estrellas de neutrones pasaron más tiempo orbitando a una distancia cercana antes de la fusión. Esto permitió la detección de ondas gravitacionales durante casi 100 segundos; Las fusiones de agujeros negros han producido ondas detectables por solo una fracción de segundo. Esto debería proporcionar una buena prueba de nuestra comprensión de la producción de ondas gravitacionales.

Se hizó la luz


El software de análisis de LIGO-VIRGO está programado para hacer un análisis rápido y sucio de los datos de posibles fuentes y enviar una alerta a los telescopios para que puedan realizar observaciones del área del cielo donde se puede producir un evento. En este caso, los telescopios también recibieron una alerta del Telescopio Espacial Fermi de la NASA, que se especializa en atrapar eventos de alta energía. Fermi tiene un monitor de ráfagas de rayos gamma y detectó un evento unos dos segundos después de que llegó la señal de la onda gravitacional. Esto aumentó la precisión con la que pudimos mapear la fuente del evento, y los telescopios de todo tipo saltaron a la acción. Más de 70 instrumentos proporcionaron información.

La rápida redirección de tanto hardware llamó la atención de la gente, y las personas rápidamente descubrieron que esto probablemente significaría la detección de una fusión de estrellas de neutrones.

Incluso antes de que estos telescopios se involucraran, la detección de Fermi nos informó dos cosas. Una es que, como los teóricos habían predicho, las ondas gravitacionales parecen viajar a la velocidad de la luz. Todavía hay algo de imprecisión en las mediciones que podría permitirles viajar cerca, pero no del todo, a la velocidad de la luz, pero las nuevas mediciones significan que tendría que estar muy, muy cerca.

Lo segundo es que bloquea las colisiones de estrellas de neutrones como la fuente de algunas explosiones de rayos gamma. Los rayos gamma son los fotones de mayor energía que podemos detectar. Los teóricos habían apuntado con el dedo a las fusiones de estrellas de neutrones, pero eso había sido algo difícil de confirmar, ya que a menudo era imposible identificar una contraparte de las ráfagas detectables en longitudes de onda de menor energía, además de que solo estaríamos mirando los restos producido por el evento, no su fuente. Las ondas gravitatorias, por el contrario, no dejan duda de que la fuente fue una fusión de estrellas de neutrones.

Luego estaban las observaciones de los restos. Donde se observa presencia de oro y otros elementos pesados , lo que de nuevo aclara un misterio excepcional. Algunos elementos pesados ​​se forman fácilmente en el entorno creado por una supernova, lo que significa que es fácil explicar su abundancia en el cosmos. Pero otros solo pueden formarse a través de vías que implican la rápida ingestión de neutrones múltiples, tan rápido que el átomo no tiene tiempo para reorganizarse para acomodar los neutrones previos que había absorbido.

Las estrellas de neutrones lo harían, pero mantienen su materia gravitatoriamente aplastada en su estado exótico. Lo que sería necesario es que algún evento libere algo de la materia que de otra manera quedaría atrapada en estas estrellas. De nuevo, los teóricos señalaron que las colisiones de estrellas de neutrones proporcionan esa oportunidad, ya que las colisiones arrojarían algunos desechos al espacio en un fenómeno que ha adoptado el término "kilonova". Pero no había sido confirmado hasta este punto.

Otras lecturas

Es una increíble riqueza de información. Como dijo el portavoz de LIGO, David Shoemaker, en una declaración: "Proporciona modelos detallados del funcionamiento interno de las estrellas de neutrones y las emisiones que producen, hasta la física más fundamental, como la relatividad general, este evento es tan rico". Además, insinúa que otros eventos de este tipo se sumarán a nuestro entendimiento. Aunque podrían no ser tan detallados, Laura Cadonati, otra científica de LIGO, dice que los eventos de esta proximidad solo deberían ocurrir por casualidad una vez cada 80,000 años. Si vemos más como este, entonces los teóricos tendrán otro misterio por explicar.

"Es tremendamente emocionante experimentar un evento raro que transforma nuestra comprensión del funcionamiento del Universo", explicó France A. Córdova, directora de la National Science Foundation. La organización que ahora administra tomó un riesgo multimillonario de que el detector LIGO nos llevara a este punto. Si los recientes premios Nobel para el equipo de LIGO no validaron ese riesgo, seguramente este conjunto de descubrimientos sí lo hará.

Actualización

Los científicos dicen que el objeto resultante es una de las estrellas de neutrones más pesadas observadas hasta ahora o el agujero negro más liviano. Los datos son ambiguos en este punto, pero esperan que otras observaciones lo solucionen.

Las estrellas de neutrones han estado orbitando entre sí durante 11 mil millones de años, ya que sus estrellas se convirtieron en supernova al principio de la historia del Universo. La segunda explosión envió a las estrellas de neutrones en una órbita errática a través de su galaxia durante todo este tiempo.

Un telescopio de 16 pulgadas podría haber recogido la fuente, lo que significa que estos eventos estarán en el rango de los astrónomos aficionados. Los planes son abrir las notificaciones del sistema disparador de LIGO al público, permitiendo que los aficionados puedan participar en las primeras observaciones.

Referencia:

viernes, 6 de octubre de 2017

Mediante criomicroscopía electrónica, los investigadores ahora pueden congelar biomoléculas en movimiento y retratarlos con una resolución atómica. Esta tecnología ha llevado la bioquímica a una nueva era.

Durante los últimos años, numerosas estructuras asombrosas de la maquinaria molecular de la vida han llenado la literatura científica: la aguja de inyección de Salmonella para las células atacantes; proteínas que confieren resistencia a la quimioterapia y antibióticos; complejos moleculares que controlan el ritmo; la reacción de captura de luz durante la fotosíntesis y un sensor del tipo que nos permite escuchar. Estos son sólo algunos ejemplos de los cientos de biomoléculas se han capturado ahora con microscopía criomicroscopía electrónica (crio-EM).
En los últimos años, investigadores han publicado estructuras atómicas de numerosas proteínas. A. Un complejo de proteínas que rigen el ritmo circadiano. B. Un sensor del tipo que lee cambios de presión en el oído y nos permite escuchar. C. El virus Zika. Créditos: Nobel Foundation.

Cuando los investigadores empezaron a sospechar que el virus Zika estaba causando la epidemia de daño cerebral en recién nacidos en Brasil, emplearon crio-EM para visualizar el virus. Durante algunos meses se generaron imágenes tridimensionales del virus con resolución atómica y los investigadores pudieron comenzar la búsqueda de objetivos potenciales para los productos farmacéuticos.

Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson han realizado descubrimientos innovadores que han permitido el desarrollo de crio-EM. El método ha llevado a la bioquímica a una nueva era, lo que hace más fácil que nunca capturar imágenes de biomoléculas.

Fotografía - una clave importante para el conocimiento

En la primera mitad del siglo XX, las biomoléculas -proteínas, ADN y ARN- fueron tierra incognita en el mapa de la bioquímica. Los científicos sabían que desempeñaban papeles fundamentales en la célula, pero no tenían ni idea de su apariencia. Fue sólo en la década de 1950, cuando los investigadores en Cambridge comenzaron a exponer los cristales de proteínas a rayos X, que era posible primero visualizar sus ondas onduladas y estructuras en espiral.

A principios de los años ochenta, el uso de la cristalografía de rayos X se complementó con el uso de espectroscopia de resonancia magnética (RMN) para el estudio de proteínas en estado sólido y en solución. Esta técnica no sólo revela su estructura, sino también cómo se mueven e interactúan con otras moléculas. Gracias a estos dos métodos, ahora hay bases de datos que contienen miles de modelos de biomoléculas que se utilizan en todo, desde la investigación básica hasta el desarrollo farmacéutico.

Sin embargo, ambos métodos sufren de limitaciones fundamentales. La RMN en solución sólo funciona para proteínas relativamente pequeñas. La cristalografía de rayos X requiere que las moléculas formen cristales bien organizados, tales como cuando el agua se congela en hielo. Las imágenes son como retratos en blanco y negro como si provinieran de las primeras cámaras, además su rigidez planteaba muy poco sobre la dinámica de la proteína.

Además, muchas moléculas no se forman en cristales, lo que hizo que Richard Henderson abandonara la cristalografía de rayos X en la década de los 70's y aquí es donde comienza la historia del Premio Nobel de Química 2017.

Problemas con cristales hicieron que Henderson cambiará el camino

Richard Henderson recibió su doctorado del bastión de cristalografía de rayos X en Cambridge, Reino Unido. Él utilizó un método para la obtención de imágenes de las proteínas, pero se produjeron reveses cuando intentó cristalizar una proteína que estaba naturalmente incrustada en la membrana que rodea a la célula.

Las proteínas de la membrana son difíciles de manejar. Cuando son removidas de su entorno natural - la membrana - a menudo se agrupan en una masa inútil. La primera proteína de membrana que Richard Henderson trabajó era difícil de producir en cantidades adecuadas; la segundo fracaso al cristalizar.

Después de años de decepción, se volvió hacia la única alternativa disponible: el microscopio electrónico. En ese tiempo estaba a discusión si la microscopía electrónica era realmente una opción. Transmisión microscópica electrónica, como se llama la técnica, funciona más o menos como la microscopía ordinaria, pero un haz de electrones se envía a través de la muestra en lugar de luz. La longitud de onda de los electrones es mucho más corta que la luz, por lo que el microscopio electrónico puede hacer visibles estructuras muy pequeñas -incluso la ubicación de átomos individuales-.

En teoría, la resolución del microscopio electrónico fue más que suficiente para que Henderson obtuviera la estructura atómica de la proteína de una membrana, pero en la práctica el proyecto era casi imposible. Cuando el microscopio electrónico fue inventado en la década de 1930, los científicos pensaron que sólo era adecuado para estudiar materia muerta puesto que el intenso haz de electrones necesario para obtener imágenes de alta resolución incinera muestras biológicas y, si el haz se debilita, la imagen pierde su contraste y se vuelve borrosa.

Además, la microscopía electrónica estaba ante un problema, una condición en la cual las biomoléculas se deterioran porque el agua circundante se evapora. Cuando las biomoléculas se secan, se dañan y afectan la estructura natural, haciendo a las imágenes inútiles. Casi todo indicaba que Richard Henderson fracasaría, pero el proyecto fue salvado por la proteína especial que había elegido para estudiar: bacteriorhodopsin.

Lo mejor hasta ese momento no era lo suficientemente bueno para Henderson

Bacteriorhodopsin es una proteína de color púrpura que está incrustado en la membrana de un organismo que realiza fotosíntesis, donde captura la energía de los rayos del sol. En lugar de eliminar la proteína sensible de la membrana, como Richard Henderson había tratado anteriormente de hacer, él y su colega completaron la membrana púrpura y la pusieron bajo el microscopio electrónico. Cuando la proteína permaneció rodeada por la membrana conservó su estructura; fue así como cubrieron la superficie de la muestra con una solución que la protegía de secarse en el vacío.

El duro haz de electrones fue un problema importante, pero los investigadores emplearon la membrana para proteger las moléculas de bacteriorrodopsina. En lugar de proyectar con una dosis completa de electrones, usaron un flujo de haz más débil con de la muestra. El contraste de la imagen
eran pobres y no se podían ver las moléculas individuales, pero aprovecharon el hecho de que las proteínas se empaquetaban y se orientaban en la misma dirección. Cuando todas las proteínas ejercen difracción a los haces de electrones de manera casi idéntica, pudieron obtener una imagen detallada basada en el patrón de difracción, usando un modelo matemático similar al utilizado en la cristalografía de rayos X.

En la siguiente etapa, los investigadores removieron la membrana bajo la microscopio electrónico, tomando imágenes de muchos ángulos diferentes. De esta manera, en 1975 fue posible producir un modelo 3D de la estructura de bacteriorhodopsina, que mostró cómo la cadena de proteínas se
movian a través de la membrana.

Era la mejor imagen de una proteína generada usando un microscopio electrónico. Muchas personas
estaban impresionados por la resolución, que era de 7 Ångström (0.0000007 milímetros), pero no era suficiente para Richard Henderson. Su objetivo era lograr la misma resolución que la proporcionada por Cristalografía de rayos X, alrededor de 3 Ångström, y estaba convencido de que la microscopía
podía hacerlo.

Henderson produce la primera imagen a resolución atómica

Durante los siguientes años, la microscopía electrónica mejoró. Los lentes mejoraron y la criotecnología se desarrolló, en el que las muestras se enfriaron con nitrógeno líquido durante las mediciones, protegiéndolas de ser dañado por el haz de electrones.

Richard Henderson poco a poco agregó más detalles al modelo de la bacteriorrodopsina. Para obtener imágenes más nítidas empleo los mejores microscopios electrónicos del mundo. Todos tenían sus debilidades, pero se complementaban entre sí. Finalmente, en 1990, 15 años después de haber publicado el primer modelo, Henderson logró su meta y fue capaz de presentar una estructura de bacteriorrodopsina con la resolución atómica.

Demostró que el crio-EM podría proporcionar imágenes tan detalladas como las generadas mediante cristalografía de rayos X que era un hito crucial. Sin embargo, este progreso se basó en una excepción: la proteína se envasaba naturalmente en la membrana. Pocas otras proteínas espontáneamente se ordenaban de esta manera. La cuestión era si el método podía generalizarse: utilizar un microscopio electrónico para generar imágenes 3D de alta resolución de proteínas que estaban dispersados ​​aleatoriamente en la muestra y orientados en diferentes direcciones. Richard Henderson creía que sería posible, mientras que otros pensaban que esto era una utopía.

En el otro lado del Atlántico, en el Departamento de Salud del Estado de New York, Joachim Frank
trabajó mucho para encontrar una solución a ese problema. En 1975, presentó una estrategia teórica donde la información aparentemente mínima encontrada en las imágenes bidimensionales del microscopio electrónico podrían fusionarse para generar un modelo tridimensional de alta resolución. Le llevó más de un década para realizar esta idea.

Frank refina análisis de imágenes

La estrategia de Joachim Frank fue emplear una computadora para discriminar entre trazas de proteínas posicionadas aleatoriamente y el fondo en una imagen difusa obtenida por un microscopio electrónico. Desarrolló un método matemático en el cual la computadora identificaba diferentes patrones en la imagen. La computadora entonces ordenaba patrones similares en el mismo grupo y fusionando la información de estas imágenes generaba una imagen más nítida. De esta manera obtenía un modelo de alta resolución y bidimensional donde las imágenes mostraban la misma proteína pero desde diferentes ángulos. Los algoritmos para el software fueron completados en 1981.

El siguiente paso fue determinar matemáticamente cómo diferentes imágenes bidimensionales se relacionaban entre sí y, sobre esta base, crear una imagen en 3D. Frank publicó su método de análisis de imágenes para generar el modelo de la superficie de un ribosoma, a mediados de los 80´s, la gigantesca maquinaria molecular que genera proteínas dentro de la célula.

El método de procesamiento de imágenes de Joachim Frank fue fundamental para el desarrollo de crio-EM. En 1978, al mismo tiempo que Frank estaba perfeccionando su algoritmo, Jacques Dubochet fue reclutado por el Laboratorio Europeo de Biología Molecular en Heidelberg para resolver otro problema del microscopio: cómo evitar que se secarán muestras biológicas y se dañarán cuando se exponen al vacío.

Dubochet obtiene vidrio del agua

En 1975, Henderson usó una solución de glucosa para proteger su membrana de la deshidratación, pero este método no funcionó para biomoléculas solubles en agua. Otros investigadores habían tratado de congelar las muestras porque el hielo se evapora más lentamente que el agua, pero los cristales de hielo interrumpieron los haces haciendo que las imágenes fueran inservibles.

El agua producto de la vaporización era un dilema importante. Ahí Jacques Dubochet vio una solución potencial: enfriar el agua tan rápidamente que solidificará en su forma líquida para formar un vidrio en lugar de cristales. Aunque vidrio parece ser un material sólido, es un fluido porque tiene moléculas desordenadas. Dubochet se dio cuenta de que si podía obtener agua enforma de vidrio -también conocido como agua vitrificada- el haz de electrones se difractaría uniformemente y
produciría fondo uniforme.

Inicialmente, el grupo de investigación intentó vitrificar pequeñas gotas de agua en nitrógeno líquido a -196 ° C, pero tuvieron éxito sólo cuando reemplazaron el nitrógeno con etano que, a su vez,
se enfriaba con nitrógeno líquido. Bajo el microscopio vieron una gota que era como nada de lo que habían visto antes. Primero asumieron que era etano, pero cuando la gota se calentó ligeramente las moléculas se reorganizaron y formaron una estructura de un cristal de hielo. Fue un triunfo en particular, puesto que algunos investigadores no podían vitrificar gotas de agua. Ahora
sabemos que el agua vitrificada es la más común forma de agua en el universo.

Una técnica simple para el contraste

Tras el gran avance en 1982 de Dubochet, grupos de investigadores desarrollaron rápidamente las bases técnicas que todavía se utiliza en crio-EM.  Disolvieron muestras biológicas -inicialmente
diferentes formas de virus- en el agua. La solución se extendió a través de una fina malla de metal como una fina película. Utilizando una construcción en forma de arco, el etano líquido formó una delgada película de agua vitrificada.

En 1984, Jacques Dubochet publicó las primeras imágenes de diferentes virus, redondos y hexagonales, que se mostraban en marcado contraste con el fondo de agua vitrificada. El material biológico podía ser relativamente fácil de preparar para la microscopía electrónica y los investigadores pronto aprendieron la nueva técnica de Dubochet.
De la blobología a la revolución
Las piezas más importantes de crio-EM estaban en su lugar, pero las imágenes todavía tenían una resolución pobre. En 1991, cuando Joachim Frank preparó ribosomas usando el método de vitrificación de Dubochet y analizó las imágenes con su propio software, obtuvo una estructura 3D que tenía una resolución de 40 Å. Era un sorprendente paso adelante para la microscopía electrónica, pero la imagen sólo mostraba la superficie del ribosomas. Francamente, parecía una gota y la imagen ni siquiera se acercaba a la resolución atómica de la cristalografía de rayos X.

Debido a que el crio-EM raramente podía visualizar nada más que una superficie desigual, el método fue a veces llamado "blobología". Sin embargo, cada tuerca y tornillo del microscopio electrónico fue optimizado, en gran medida debido a Richard Henderson mantuvo obstinadamente su visión de que la microscopía electrónica proporcionaría imágenes nítidas de átomos individuales. La resolución de
Ångström por Ångström fue superado en 2013, cuando un nuevo tipo de detector de electrones entró en uso.

Cada rincón escondido de una célula podía ahora ser explorado

Ahora el sueño es realidad, y estamos ante un desarrollo explosivo dentro de la bioquímica. La cryo-EM se reconoció tan revolucionario: el método de vitrificación de Dubochet es relativamente fácil de usar y requiere un tamaño de muestra mínimo. Debido al rápido proceso de enfriamiento, las biomoléculas se pueden congelar en cualquier momento y los investigadores pueden tomar imágenes que capturan diferentes partes de un proceso. De esta manera, se producen "películas" que revelan cómo las proteínas se mueven e interactúan con otras moléculas.
La resolución del microscopio electrónico ha mejorado radicalmente en los últimos años, desde una manchas hasta poder visualizar las proteínas a una resolución atómica. Créditos: Martin Högbom.

Utilizando crio-EM, es más fácil que nunca describir las proteínas en una membrana, que a menudo funciona como objetivos para productos farmacéuticos y grandes complejos moleculares. Sin embargo, las proteínas pequeñas no pueden ser estudiadas con microscopía electrónica, pero se pueden visualizar mediante espectroscopia de RMN o cristalografía de rayos X.

Después de que Joachim Frank presentó su método general de procesamiento de imágenes en 1975, un investigador escribió: "Si tales métodos pueden ser perfeccionados, entonces, el cielo sería el límite ".

Ahora estamos allí - el cielo es el límite. Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson han aportado, a través de sus investigaciones, "el mayor beneficio para la humanidad". Cada esquina de una célula puede ser capturados en detalle y la bioquímica tiene un futuro emocionante.

Referencia:

jueves, 5 de octubre de 2017


Las ondas gravitatorias que han sido observadas fueron creados en una feroz colisión entre dos agujeros negros, hace más de mil hace millones de años. Albert Einstein tenía razón de nuevo. Había transcurrido un siglo desde que las ondas gravitacionales fueron predichas en su teoría general de la relatividad, pero se había dudado de su existencia.

Ahí entro LIGO, el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser, un proyecto colaborativo con más de mil investigadores en más de veinte países. Juntos, han realizado una tarea que tiene casi cincuenta años. Los premios Nobel de 2017 han servido para el éxito de LIGO. Rainer Weiss, Kip S. Thorne junto con Barry C. Barish, quienes se han asegurado de que más de cuatro décadas de esfuerzo condujeran a que finalmente se observaran ondas gravitacionales.

Los rumores comenzaron a circular alrededor de cinco meses antes de que el grupo de investigación internacional terminara  de refinar sus cálculos, pero no se atrevieron a anunciar sus hallazgos hasta el 11 de febrero de 2016. Los investigadores de LIGO reunieron varios expedientes con su primer descubrimiento; además de la primer observación de las ondas gravitacionales, resultado de la fusión de agujeros negros medianos de entre 30 y 60 masas solares. Por un corto momento, la radiación gravitacional de los agujeros negros que colisionaban fue mucha mayor a la luz recogida de todas las estrellas en el universo visible.

El espacio-tiempo vibra

Cómo atrapar una onda gravitacional. Las primeras ondas gravitacionales capturadas del mundo fueron creadas en una colisión violenta entre dos agujeros negros hace 1.3 mil millones años luz de distancia. Cuando estas ondas atravesaron la Tierra, 1,300 millones de años después, se habían debilitado considerablemente: la perturbación en el espacio-tiempo que LIGO midió fue miles de veces menor que un núcleo atómico. Créditos: Nobel Foundation.

Estaba completamente oscuro. Pero no completamente quieto. Los temblores de dos agujeros negros colisionaron sacudieron el tiempo-espacio. Como ondulaciones de un guijarro lanzado al agua, las ondas gravitacionales se propagaron a través del cosmos. Les llevó tiempo llegar. A pesar de moverse a la velocidad de la luz, tardaron más de mil millones de años para que estas ondas llegarán hasta la Tierra. El 14 Septiembre de 2015, a las 11.51 CET, un suave bamboleo en el patrón de luz en los laboratorios gemelos de LIGO en América reveló el drama que se desarrolló hace mucho tiempo a  1,300 millones de años luz de la Tierra.

LIGO no es un telescopio ordinario para detectar la luz y otras radiaciones electromagnéticas del espacio. Es un instrumento para detectar las ondas gravitacionales del espacio; incluso si las ondas gravitacionales son temblores en el espacio-tiempo en sí, y no ondas sonoras, cuya frecuencia es equivalente a las que podemos escuchar con nuestro oído.

Durante décadas, los físicos han tratado de detectar estas ondas gravitacionales que sacuden el universo,  que Albert Einstein describió hace cien años. Explicó que el espacio y el tiempo son maleables y que el espacio-tiempo combinado en una cuarta dimensión vibra con las ondas gravitacionales que son creadas cuando una masa acelera -como la explosión de una estrella en una galaxia distante o un par de agujeros negros girando alrededor del otro-.

Al igual que las ondas gravitacionales, los agujeros negros también son descritos por la teoría general de la relatividad de Einstein de 1915. Durante más de cincuenta años, la mayoría de los investigadores permanecieron convencidos de que sólo existían agujeros negros como soluciones a las ecuaciones de Einstein, y que en realidad no estaban en el espacio. La teoría de relatividad explica la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo. Donde la gravedad es extremadamente fuerte, la curvatura puede llegar a ser tan grande que se forma un agujero negro. Los agujeros negros son los objetos más extraños en el espacio-tiempo -nada puede escapar de ellos, ni siquiera la luz-. Por lo tanto, son una fuente constante de misterio en la física.

Las ondas gravitacionales traen la esperanza de observar algo antes no pensado. Durante muchos años, Albert Einstein estuvo convencido de que nunca sería posible medir las ondas gravitacionales y no estaba seguro de si las ondas eran reales o simplemente una ilusión matemática. Su colega contemporáneo, Arthur Eddington, fue aún más escéptico y señaló que las ondas gravitacionales parecían "propagarse a la velocidad del pensamiento ".

La existencia de ondas gravitacionales se hizo más aceptada hacia fines de la década de 1950, cuando los cálculos demostraron que en realidad transportan energía y, por lo tanto, podían ser medibles. Una pieza de evidencia indirecta vino en los años 70, cuando los astrónomos americanos Joseph Taylor y Russell Hulse utilizaron un radiotelescopio grande para observar un par de objetos extremadamente densos, un pulsar doble. Ellos fueron capaces de demostrar que las estrellas giraban alrededor de cada una aumentando su velocidad, al mismo tiempo que pierden energía y se acercan. La cantidad de energía perdida correspondía a los cálculos teóricos de las ondas gravitacionales. Joseph Taylor y Russell Hulse fueron premiados con el Premio Nobel de Física en 1993.

Sin embargo, la obtención de evidencia directa de las ondas gravitacionales requiere observaciones directas de las ondas. Pero el espacio-tiempo es rígido y no es fácil de sacudir, por lo que sólo los procesos cósmicos más violentos pueden causar ondas gravitacionales lo suficientemente grandes como para medirlas. Sin embargo, su amplitud es pequeña: detectarlos es como medir la distancia a una estrella de diez años luz con una precisión equivalente al diámetro de un mechón de pelo.  Además, incluso si el universo entero vibra constantemente con las ondas gravitatorias, la mayoría de los eventos explosivos rara vez ocurren en nuestra galaxia. Teníamos que buscar más lejos.

Las ondas gravitacionales revelan el pasado

Hasta ahora cuando las ondas gravitacionales fueron detectadas por LIGO. Los dos agujeros negros
que finalmente chocaron se habían movido en círculos alrededor de cada uno desde su creación, a principios de la historia del universo. Con cada ciclo, barrían el espacio-tiempo en una espiral, una perturbación del espacio-tiempo que se propagaban cada vez más hacia el espacio en forma de ondas gravitatorias.

Las ondas llevaban energía, haciendo que los agujeros negros se acercaran. Cuanto más cerca su movimiento en espiral, más rápido los agujeros negros giraban y más energía era enviada en una danza acelerada que continuó durante muchos millones de años. Al final, en una fracción de segundo, los horizontes de los agujeros negros se tocaron y los agujeros giraron hasta su fin a casi la velocidad de la luz. Cuando se fundieron, todas las vibraciones se extinguieron,dejando atrás un solo agujero negro rotatorio sin huellas visibles de su dramática aparición.

Pero el recuerdo de esta unión no está completamente perdido, su historia permanece en ondulaciones del espacio-tiempo. Las ondas gravitacionales, que rítmicamente se estiran y aprietan el espacio, cambian el tono como su mensaje se altera. Si pudiéramos escuchar todas las ondas y no sólo las más fuertes, todo el universo estaría lleno de música, como los pájaros que gorjean en un bosque, con un tono más alto aquí y uno más reservado allá. Después de miles de millones de años, a medida que el dúo de agujeros negros se aceleró hacia su colisión caótica final, los tonos aumentaron antes de que se desvanecieran en un silencio que no revela nada.

Sólo ahora se escuchan los últimos chirridos a través del espacio. ¿Por qué son tan tranquilos? Esto es porque su fuente estaba tan lejos y las ondas gravitacionales, como las ondas de luz, se debilitan con la distancia. Asi que cuando las ondas gravitacionales llegan aquí, su fuerza ha disminuido significativamente - el estiramiento en el tejido del espacio-tiempo que el detector LIGO tuvo que atrapar cuando la onda pasó a la Tierra fue veces más pequeño que un núcleo atómico.

LIGO - un gigantesco interferómetro

El sueño había existido durante más de cincuenta años, y el camino al éxito fue largo, sinuoso y a veces difícil para muchos de los investigadores involucrados. Uno de los primeros detectores para capturar las ondas gravitacionales se asemejaban a un diapasón, sensible a las ondas de una frecuencia particular. Pero José Weber en la Universidad de Maryland en Washington sólo pudo adivinar la frecuencia con que los agujeros negros cantarían su canción del cisne. Construyó el primer detector en los años 60, pero en ese momento muchas personas dudaban de que existían incluso ondas gravitacionales y agujeros negros. Así que fue una sorpresa cuando, en la década de 1970, Weber afirmó haber escuchado estos tonos finales. Sin embargo, nadie pudo repetir los resultados de Weber y sus observaciones se consideran falsas alarmas.

A mediados de los años setenta, a pesar del escepticismo generalizado, tanto Kip Thorne como Rainer Weiss estaban firmemente convencidos de que las ondas gravitacionales podían ser detectadas y producir una revolución en nuestro conocimiento del universo. Rainer Weiss ya había analizado posibles fuentes de ruido de fondo que perturbaba sus mediciones. También había diseñado un detector, un interferómetro láser, que superaría este ruido.

Mientras Rainer Weiss desarrollaban sus detectores en el MIT en Cambridge, fuera de Boston, Kip Thorne también comenzó a trabajar con Ronald Drever, quien construyó sus primeros prototipos en Glasgow, Escocia. Drever finalmente se trasladó para unirse a Thorne en Caltech en Los Ángeles. Juntos, Weiss, Thorne y Drever formaron un trío que fue pionero en el desarrollo durante muchos años. Drever finalmente terminó fuera del proyecto, pero fue capaz de experimentar su primer descubrimiento en Escocia en marzo de 2017.

En lugar del diseño de la horquilla de Weber, Weiss, Thorne y Drever desarrollaron otro instrumento,un interferómetro basado en láser. El principio se conoce hace mucho tiempo: un interferómetro consta de dos brazos que forman una L. En la esquina y los extremos de la L, los espejos masivos están suspendidos en un dispositivo inteligente. Una onda gravitacional al pasar afecta los brazos del interferómetro de manera diferente, cuando un brazo es comprimido, el otro es estirado.

Un rayo láser que rebota entre los espejos mide el cambio en las longitudes de los brazos. Si nada sucede, los rayos de luz rebotantes del láser se cancelan mutuamente cuando se encuentran en la esquina de la L. Sin embargo, si cualquiera de los brazos del interferómetro cambia de longitud, la luz viaja a distancias diferentes, por lo que las ondas de luz pierden la sincronización y ocurren cambios de intensidad de luz.

La idea es bastante simple, pero su efectividad esta en los detalles, así que se tardó más de cuarenta años en darse cuenta. Se requieren instrumentos a gran escala para medir cambios microscópicos de longitudes menores que las de un núcleo átomico. El plan era construir dos interferómetros, cada uno con brazos de cuatro kilómetros de largo a lo largo de los cuales el rayo láser rebotará muchas veces, extendiendo así el camino de la luz y aumentando la probabilidad de detectar pequeños tramos en el espacio-tiempo. LIGO se encuentra en las estepas del noroeste de Estados Unidos, fuera de Hanford, Washington, con una instalación gemela a tres mil kilómetros al sur, en los pantanos de Livingston, Luisiana.

Se necesitaron años para desarrollar el instrumento más sensible para poder distinguir entre ondas gravitacionales del ruido de fondo. Esto requería un análisis sofisticado y una teoría avanzada, donde Kip Thorne era el experto. Pero los niveles más altos de ingeniería creativa y artesanal son necesarios para construir instrumentos ingeniosos, y esta fue la contribución pionera de Rainer Weiss. La longitud de onda e intensidad de la luz láser debe ser lo más estable posible, y el haz debe atravesar los espejos suspendidos con precisión. No deberían moverse en absoluto, ni siquiera cuando las hojas caen de cerca, un niño se acerca o un camión pasa por un camino lejano. Al mismo tiempo, estos espejos colgantes debe ser libre de oscilar al pasar ondas gravitatorias. El movimiento térmico de los átomos en la superficie de los espejos debe ser compensada, así como los efectos cuánticos en el láser. Era necesario desarrollar nueva tecnología láser e inventar nuevos materiales, así como construir gigantescos tubos, aislamiento sísmico y otras tecnologías vitales mucho más allá de lo que se había logrado anteriormente.

La ejecución de este proyecto a pequeña escala ya no era posible y se necesitaba un nuevo enfoque. En 1994, cuando Barry Barish asumió el liderazgo de LIGO, transformó el pequeño grupo de unas 40 personas en una colaboración internacional a gran escala con más de un millar de participantes. Buscó la experiencia necesaria y trajo numerosos grupos de investigación de muchos países. El sueño imposible sólo podía hacerse realidad a través de esfuerzos colaborativos.

La señal llegó de inmediato

En septiembre de 2015, LIGO estaba a punto de reiniciar actividades después de una actualización que había durado varios años. Equipado con un láser diez veces más potente, espejos de 40 kilos, un sistema de filtro de ruido blanco más avanzado y uno de los sistemas de vacío más grandes del mundo, capturó una señal de onda unos días antes de que el experimento fuera puesto en marcha oficialmente. La onda primero pasó la instalación de Livingston y luego, 7 milisegundos después - moviéndose a la velocidad de la luz - apareció en Hanford, a tres mil kilometros de distancia.
El 14 de septiembre de 2015 se envió un mensaje del sistema informatizado a primera hora de la mañana.

Todo el mundo en los Estados Unidos estaba durmiendo, pero en Hannover en Alemania eran 11:51 y Marco Drago, un joven físico del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, se estaba preparando el almuerzo. Las curvas que vislumbró se parecían exactamente a las que había practicado reconociendo tantas veces. ¿Podría él ser la primera persona en el mundo que estaba viendo ondas gravitacionales? ¿O era sólo una falsa alarma, una de las pruebas ciegas ocasionales sobre las cuales sólo pocas personas sabían?

La forma de la ola era exactamente como se predijo, y no era una prueba. Todo encajaba perfectamente. Los pioneros, en su 80s, y sus colegas de LIGO pudieron finalmente oír la música de sus sueños, como un pájaro cantando su canción solitaria. Era demasiado bueno para ser verdad, pero no fue hasta febrero del año siguiente cuando se les permitió revelar la noticia, antes no lo habían podido hacer, incluso a sus familias.

El secreto bien guardado llamado GW 150914 cumplió todas sus expectativas. De la señal, los investigadores averiguaron que los agujeros negros tenían 29 y 36 veces más masas ​​que el Sol, pero no más de 200 kilómetros de diámetro. Se fusionaron para formar un agujero negro con alrededor de 62 masas solares, por lo que durante unas pocas décimas de segundo, pudieron irradiar energía en forma de ondas gravitatorias equivalentes a tres masas solares. Esto hizo GW 150914 el objeto radiante más poderoso en el universo en ese breve momento. La señal también indica el área en los cielos meridionales donde el acontecimiento violento ocurrió, a 1,300 millones de años luz de distancia. Esto significa que la colisión ocurrió hace 1,300 millones de años, el momento en que la vida en la Tierra estaba dando el paso de los organismos unicelulares a multicelulares.

LIGO ha observado otros dos eventos similares desde el primer descubrimiento. La instalación hermana europea, VIRGO, fuera de Pisa en Italia, se unió a LIGO en agosto de 2017 y anunciaron su primera su primer descubrimiento en conjunto el 27 de septiembre. Los tres detectores observaron las mismas ondas gravitacionales cósmicas el 14 de agosto de 2017; provenían de dos agujeros negros de tamaño mediano que chocaron hace 1,800 millones de años.

Los detectores han visto el universo temblar cuatro veces y se esperan muchos más descubrimientos. India y Japón también están construyendo nuevos observatorios de ondas gravitatorias. Con varios experimentos observando cada vez más lejos, los investigadores deben ser capaces de identificar con precisión de dónde vienen las señales. Las observaciones de las ondas gravitatorias pueden tener seguimientos empleando telescopios ópticos, de rayos X u otros tipos de telescopios.

Hasta el momento, todo tipo de radiación electromagnética y partículas, como rayos cósmicos o neutrinos, han dado conocimiento sobre el universo. Las ondas gravitacionales, sin embargo, son testimonio directo de las perturbaciones en el espacio-tiempo mismo. Esto es algo completamente nuevo y diferente, abriendo a mundos no vistos. La riqueza de los descubrimientos aguarda a aquellos que logran captar las ondas gravitacionales e interpretar su mensaje.

Referencia:

lunes, 2 de octubre de 2017


La vida en la Tierra se adapta a la rotación de nuestro planeta. Durante años hemos sabido que los organismos vivos, incluyendo los humanos, tienen un reloj biológico interno que les ayuda a anticiparse y adaptarse al ritmo regular del día. Pero, ¿cómo funciona realmente este reloj? Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash y Michael W. Young fueron capaces de mirar dentro de nuestro reloj biológico y elucidar su funcionamiento interno. Sus descubrimientos explican cómo plantas, animales y seres humanos adaptan su ritmo biológico para que esté sincronizado con las revoluciones de la Tierra.
 El reloj circadiano anticipa y adapta nuestra fisiología a las diferentes fases del día. Nuestro reloj biológico ayuda a regular los patrones de sueño, el comportamiento de alimentación, liberación hormonal, presión arterial y temperatura corporal.

Utilizando las moscas de la fruta como organismo modelo, los premios Nobel de este año aislaron un gen que controla el ritmo biológico diario normal. Ellos mostraron que este gen codifica una proteína que se acumula en la célula durante la noche y luego se degrada durante el día. Posteriormente, identificaron componentes proteínicos adicionales de esta maquinaria, exponiendo el mecanismo que gobierna el mecanismo de relojería dentro de la célula. Ahora sabemos que los relojes biológicos funcionan por los mismos principios en células de otros organismos multicelulares, incluyendo humanos.

Con exquisita precisión, nuestro reloj interno adapta nuestra fisiología a cada una de las fases del día. El reloj regula las funciones críticas, tales como el comportamiento, niveles hormonales, sueño, temperatura corporal y el metabolismo. Nuestro bienestar se ve afectado cuando hay un desajuste temporal entre nuestro entorno externo y este reloj biológico interno, por ejemplo cuando viajamos a través de varias zonas horarias y experimentamos el "jet lag". También hay indicios de que la desalineación crónica entre nuestro estilo de vida y el ritmo dictado por nuestro cronometrador interno se asocia con un mayor riesgo de varias enfermedades.

Nuestro reloj interno


La mayoría de los organismos vivos se anticipan y adaptan a los cambios diarios en el medio ambiente. Durante el siglo XVIII, el astrónomo Jean Jacques d'Ortous de Mairan estudió plantas de mimosa y descubrió que las hojas se abrían hacia el sol durante el día y se cerraban al anochecer. Se preguntó qué pasaría si la planta fuera colocada en una oscuridad constante. Descubrió que, independientemente de la luz solar diaria, las hojas seguían su oscilación diaria normal. Las plantas parecían tener su propio reloj biológico.

Otros investigadores encontraron que no sólo las plantas, sino también los animales y los seres humanos, poseían un reloj biológico que ayudaba a preparar su fisiología ante las fluctuaciones del día. Esta adaptación regular se conoce como el ritmo circadiano , procedente de las palabras latinas circa que significa "alrededor" y diano que significa "día". Pero la forma en que nuestro reloj biológico circadiano interno funcionaba seguía siendo un misterio.

Identificación de un gen del reloj


Durante los años 70, Seymour Benzer y su estudiante Ronald Konopka se preguntaron si sería posible identificar los genes que controlan el ritmo circadiano en moscas de la fruta. Demostraron que las mutaciones en un gen desconocido interrumpieron el reloj circadiano de las moscas. Pero, ¿cómo podría este gen influir en el ritmo circadiano?

Los galardonados con el Premio Nobel de este año, que también estaban estudiando las moscas de la fruta, tenían como objetivo descubrir cómo funciona el reloj circadiano. En 1984, Jeffrey Hall y Michael Rosbash, trabajando en estrecha colaboración en la Universidad Brandeis de Boston, y Michael Young en la Universidad Rockefeller de Nueva York, lograron aislar el gen. Jeffrey Hall y Michael Rosbash luego descubrieron que el PER, la proteína codificada por el gen, se acumulaba durante la noche y se degradaba durante el día. Por lo tanto, los niveles de proteína PER oscilaban en un ciclo de 24 horas, en sincronía con el ritmo circadiano.

Mecanismo de relojería auto-regulable


El siguiente objetivo clave era comprender cómo se podrían generar y mantener esas oscilaciones circadianas. Jeffrey Hall y Michael Rosbash plantearon la hipótesis de que la proteína PER bloqueaba la actividad del gen. Razonaron que mediante un circuito inhibitorio de retroalimentación, la proteína PER podría prevenir su propia síntesis y, por tanto, regular su propio nivel en un ritmo cíclico continuo.

El modelo era tentador, pero faltaban algunas piezas del rompecabezas. Para bloquear la actividad del gen, la proteína PER, que se produce en el citoplasma, tendría que llegar al núcleo celular, donde se encuentra el material genético. Jeffrey Hall y Michael Rosbash habían demostrado que la proteína PER se acumulaba en el núcleo durante la noche, pero ¿cómo llegó allí? En 1994, Michael Young descubrió un segundo gen de reloj, atemporal, que codifica la proteína TIM que se requería para un ritmo circadiano normal. Su investigación, demostró que cuando TIM se une a PER, las dos proteínas fueron capaces de entrar en el núcleo de la célula donde bloquearon la actividad del gen cerrando el circuito inhibitorio de retroalimentación.

Tal mecanismo de retroalimentación reguladora ayudaba a entender cómo surgía esta oscilación de los niveles de proteínas celulares, pero las preguntas perduraron. ¿Qué controlaba la frecuencia de las oscilaciones? Michael Young identificó otro gen, la llamó doubletime, que codifica la proteína DBT que retrasaba la acumulación de la proteína PER. Esto proporcionó información sobre cómo se ajusta una oscilación para que coincida más estrechamente con un ciclo de 24 horas.

Los descubrimientos paradigmáticos de los laureados establecieron principios mecánicos clave para el reloj biológico. Durante los años siguientes se aclararon otros componentes moleculares del mecanismo de relojería, explicando su estabilidad y función. Por ejemplo, los galardonados de este año identificaron proteínas adicionales requeridas para la activación del gen, así como el mecanismo por el cual la luz puede sincronizar el reloj.

Manteniendo el tiempo en nuestra fisiología humana

El reloj biológico está involucrado en muchos aspectos de nuestra fisiología compleja. Ahora sabemos que todos los organismos multicelulares, incluyendo humanos, utilizan un mecanismo similar para controlar los ritmos circadianos. Una gran parte de nuestros genes están regulados por el reloj biológico y, en consecuencia, un ritmo circadiano cuidadosamente calibrado adapta nuestra fisiología a las diferentes fases del día. Desde los descubrimientos de los tres galardonados, la biología circadiana se ha convertido en un campo de investigación vasto y dinámico, con implicaciones para nuestra salud y bienestar.


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viernes, 29 de septiembre de 2017

El naufragio de Antikythera comienza o ofrecer piezas de estatuas y un disco de bronce al misterio

Los arqueólogos piensan que al menos siete esculturas de tamaño natural están escondidas cerca.

Los arqueólogos marinos que investigaron el naufragio desde el cual se rescato el mecanismo de Antikythera (Anticitera) -un dispositivo complejo, de bronce y engranado que predice eclipses y mostraba los movimientos del Sol, la Luna y los planetas en el cielo- han recuperado una gran cantidad de tesoros, una tapa de sarcófago y un misterioso disco de bronce decorado con un toro. Los artefactos fueron atrapados bajo rocas en una parte previamente inexplorada del sitio cerca de la isla de Antikythera, Grecia, y los investigadores piensan que partes de al menos siete estatuas todavía están enterradas cerca.

Sólo un puñado de estatuas de bronce sobreviven del mundo antiguo, las cuales al ser tratadas y alteradas por curadores, las sometieron a procesos que destruyeron gran parte de la información que los científicos podrían haber extraído de ellos.

Un buque de carga del siglo XX, descubrió en 1900 el famoso mecanismo, el cual con un sofisticado engranaje incrustado y corroído se usaba para predecir eclipses y para trazar el cielo. Los buzos también recuperaron muchos otros artículos de valor inestimable, como cristalería de lujo, joyas y una estatua de bronce de dos metros de altura, que data del siglo IV aC , apodada la juventud de Antikythera.

En busca de tiempo perdido

La recuperación de múltiples piezas "huérfanas"  de la estatua, -miembros que no coinciden con las cabezas o los cuerpos, por ejemplo-, sugiere que varias estatuas todavía están enterradas. Así, un equipo internacional de arqueólogos y buceadores, co-dirigido por Brendan Foley de la Universidad de Lund en Suecia y Theotokis Theodoulou de antigüedades subacuáticas griegas Ephorate en Atenas, está ahora re-excavando el sitio a 50 metros de profundidad del naufragio en búsqueda de piezas.

El equipo ha hecho una serie de descubrimientos desde el inicio de los trabajos en 2014, incluyendo jarras de vino, anclas gigantes, joyas de oro y un esqueleto humano, al cual ahora se analiza su ADN. Pero las estatuas han permanecido ocultas hasta ahora.

Recientemente, el equipo anunció que durante una temporada de 16 días de buceo en septiembre, encontraron varias piezas importantes de la estatua, incluyendo dos pies de mármol unidos a un zócalo, parte de un traje de bronce y un brazo de bronce masculino al que le faltan dos dedos, pero por lo demás muy bien conservado. El gesto y el "giro de la mano" sugiere que el brazo puede pertenecer a un filósofo.

Entre 1900 y 1901, los buzos recuperaron los miembros huérfanos de un mínimo de seis estatuas de bronce. El recién descubierto brazo empuja ese total a por lo menos siete. El equipo está particularmente emocionado porque las piezas de la estatua fueron encontradas en un área no perturbada por ninguna excavación anterior, enterrada debajo de grandes rocas provenientes de los acantilados escarpados de Antikythera durante el curso de 2,000 años por terremotos periódicos.

El descubrimiento de siete estatuas de bronce, si pudieran ser recuperadas, aumentaría significativamente el total de estatuas a nivel mundial que se tienen de este período de tiempo, que no supera los 50. Pocas están completas. Y aunque muchas de estas figuras antiguas se ven hermosas, son difíciles de estudiar porque los tratamientos agresivos por generaciones de conservadores que han alterado y dañado el bronce.

Avances tecnológicos


Disco de bronce sometido a Rayos X, a la derecha reconstrucción de un artista. Créditos: Alexander Tourtas.

Los descubrimientos frescos y sin tratar, como los de Antikythera, darán a los investigadores la oportunidad de utilizar técnicas modernas para estudiar un aspecto significativo de la vida griega antigua, por ejemplo, analizar los métodos de fundición, aleaciones precisas y si las estatuas fueron hechas para la exportación o no. Mientras tanto, cualquier cabeza encontrada podría permitir a los investigadores identificar a las personas representadas, y comparar su semejanza con cualquier retratos existentes, por ejemplo, estatuas de mármol o imágenes grabadas en monedas.

El disco de bronce, que los investigadores al principio pensó podría contener algunos de los engranajes perdidos del mecanismo de Antikythera.

El equipo de Foley y Theodoulou también recuperó un intrigante disco o rueda de bronce, de unos ocho centímetros de ancho, unido a cuatro brazos de metal con agujeros para alfileres. Una capa de sedimento endurecido esconde su estructura interna, pero se asemeja superficialmente al mecanismo de Antikythera, y los investigadores habían considerado inicialmente que pudiera ser parte de ese antiguo dispositivo: tal vez el engranaje que calculaba las posiciones de los planetas, que aún falta en el hallazgo.

Pero la imagen radiológica preliminar realizada en un hospital de Atenas el 25 de septiembre reveló una sorpresa: en vez de ruedas de engranaje, apareció la imagen de un toro. El objeto podría haber sido un elemento decorativo, tal vez unido a una caja o escudo de una estatua, o incluso - debido a su construcción robusta - a la nave condenada. Se planea una radiografía más detallada para las próximas semanas.

Otros descubrimientos de esta temporada incluyen una tapa de sarcófago hecha de mármol rojo fino, más restos humanos, tablones y marcos de madera que los investigadores esperan revele información sobre el tamaño y la forma del buque.

El equipo planea regresar a Antikythera en mayo de 2018, para romper las rocas y excavar debajo. 

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