El coste enzimático de la eficiencia en el metabolismo energético

Todo el mundo sabe que el coste de una obra de teatro además del trabajo de los actores incluye a mucho personal entre bambalinas. El coste termodinámico de una ruta metabólica también incluye un coste entre bambalinas, el coste proteómico de la síntesis de sus enzimas. Nos lo recuerda un nuevo artículo en PNAS que estudia en procariotas la ruta metabólica de la glucólisis, la síntesis de energía (moléculas de ATP) oxidando glucosa. La ruta metabólica estándar para la glucólisis es la de Embden-Meyerhoff-Parnass (EMP), que contiene 10 reacciones enzimáticas y cuyo producto son dos moléculas de ATP. Sin embargo, hay otras rutas para la glucólisis en procariotas, siendo la más común la ruta de Entner-Doudoroff (ED), que produce una sola molécula de ATP, pero sólo tiene 6 reacciones enzimáticas. Avi Flamholz (Instituto Weizmann de Ciencia, Rehovot, Israel) y sus colegas afirman que la prevalencia de la ruta ED en procariotas es debido a que requiere menos enzimas (6 en lugar de 10); este resultado lo han obtenido tras un análisis termodinámico de la cinética química de estas rutas metabólicas que incluye el coste termodinámico de la producción de las enzimas (normalmente despreciado en este tipo de análisis). El nuevo estudio nos recuerda que las bambalinas también existen en el metabolismo celular. Nos lo cuentan Arion I. Stettner, Daniel Segrè, “The cost of efficiency in energy metabolism,” PNAS, AOP May 31, 2013, quienes se hacen eco del artículo técnico de Avi Flamholz et al., “Glycolytic strategy as a tradeoff between energy yield and protein cost,”PNAS, AOP Apr 29, 2013.

Nanopartículas de insulina autorreguladas por glucosa para diabéticos

Diabetes mellitus es un trastorno de la regulación de la glucosa que afecta a unas 366 millones de personas en todo el mundo. El tratamiento ideal para los pacientes sería un sistema artificial con un control en “bucle cerrado” capaz de imitar la actividad del páncreas y liberar insulina en respuesta a los cambios en el nivel de glucosa en sangre. Zhen Gu (MIT, EEUU) y sus colegas han desarrollado un sistema de liberación de insulina auto-regulado por el nivel de glucosa basado en una red polimérica inyectable y biodegradable. El sistema está basado en nanopartículas cargadas que encapsulan insulina y enzimas que detectan el nivel de glucosa (en concreto, glucosa oxidasa GOx). Las nanopartículas se unen electrostáticamente entre sí formando un material poroso nanocompuesto (nanocomposite) capaz de liberar insulina en respuesta a las concentraciones de glucosa. El sistema se puede administrar por vía subcutánea y ha sido probado in vivo en ratones con diabetes mellitus tipo 1. Una sola inyección estabilizó los niveles de glucosa en sangre de los ratones durante 10 días. Todavía es muy pronto para hablar de pruebas en humanos, pero esta tecnología me parece muy prometedora. El artículo técnico es Zhen Gu et al., “Injectable Nano-Network for Glucose-Mediated Insulin Delivery,” ACS Nano 7: 4194–4201, May 2, 2013.

¿Estás preparado para un mundo con más de 400 ppm de CO2 en la atmósfera?

Pronto la concentración global de dióxido de carbono (el gas de efecto invernadero más importante) superará durante un mes completo las 400 partes por millón, pero volverá a bajar (pues su dinámica es oscilatoria); de hecho, el 29 de abril de 2013 se alcazaron los 399,50 ppm. En un par de años, la concentración superará los 400 ppm durante todo un año (algo que no pasaba en nuestro planeta desde el Plioceno, hace más de tres millones de años). Quizás es el momento de hacer balance, de dónde venimos y hacia dónde vamos. En 1958, cuando se empezó a medir con precisión la concentración de CO₂ estaba en unos 316 ppm (antes de la revolución industrial se estima que estaba en unas 280 ppm). Las mediciones del Global Carbon Project suelen tomar como referencia las medidas desde la estación del volcán Mauna Loa, en Hawaii, a 3.400 metros de altura, que muestran un crecimiento sostenido sin ninguna señal de estabilización. Si el nivel de CO2 se mantiene por encima de los 400 ppm durante el resto del siglo XXI, a finales de este siglo la temperatura media de la Tierra podría aumentar entre 2 y 2,4 grados. Las consecuencias pueden ser terribles. Nos lo cuenta Richard Monastersky, “Concentrations of greenhouse gas will soon surpass 400 parts per million at sentinel spot,” Nature 497: 13-14, 02 May 2013. Los valores actualizados día a día en CO2now.org.

PS: Por cierto, la relación entre concentración de CO2 y temperatura en los últimos 22000 años fue publicada en Nature el año pasado (Jeremy D. Shakun et al., “Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation,” Nature 484: 49–54, 05 April 2012).

La cafeína en el néctar de las flores mejora la memoria olfativa de las abejas

Los insectos polinizadores son atraídos por el sabor del néctar, que además de azúcares también contiene sustancias como la cafeína. Un nuevo artículo en Science afirma que la cafeína potencia la respuesta de las neuronas asociadas al aprendizaje olfativo y a la memoria de las abejas, actuando como un receptor antagonista de la adenosina. Aunque la cafeína tiene cierto sabor amargo, no repele a las abejas, todo lo contrario les hace recordar con más fuerza el “buen” sabor del néctar de las flores que contienen esta sustancia (como los cafetos y algunos cítricos). Para los humanos la cafeína es tóxica a altas dosis, pero a bajas dosis es “gratificante” y mejora el rendimiento cognitivo y la memoria. Me ha sorprendido bastante descubrir que estos efectos también se observan en las abejas. Quizás otros alcaloides y otras sustancias con actividad neurofarmacológica, además de repelentes para ciertos insectos, también jueguen un papel importante en la respuesta de sus polinizadores. El artículo técnico es G. A. Wright et al., “Caffeine in Floral Nectar Enhances a Pollinator’s Memory of Reward,” Science 339: 1202-1204, 8 Mar 2013. Nos cuentan muchos detalles curiosos sobre las abejas Lars Chittka, Fei Peng, “Caffeine Boosts Bees’ Memories,” Science 339: 1157-1159, 8 Mar 2013.

Por qué las baterías mantienen un potencial casi constante hasta que se descargan del todo de forma brusca

El término logarítmico en la ecuación de Nernst de la electroquímica permite entender por qué el voltaje de una batería se mantiene casi constante mientras se descarga y cae rápidamente al final (de ahí que muchos tengan miedo a ver el mensaje “batería baja” en un dispositivo electrónico pues indica que muy pronto dejará de funcionar). Para una pila galvánica con electrodos de hierro como cátodo, Fe³⁺ + e⁻ ⇄ Fe²⁺ (E⁰=0,770 V), y electrodo de cobre como ánodo, Cu²⁺ + e⁻ ⇄ Cu⁺ (E⁰=0,158 V), el potencial de Nernst en el cátodo es E=E⁰+α ln (A_Fe³⁺/A_Fe²⁺), y en el ánodo E=E⁰+α ln (A_Cu²⁺/A_Cu⁺); como muestra la figura (para el cátodo), la presencia del logaritmo hace que el valor de E (potencial del electrodo expresado en voltios) sea casi igual a E⁰ (potencial normalizado del electrodo) salvo en los momentos finales de la descarga. El valor de la constante es α=RT/(nF), donde R es la constante universal de los gases, T es la temperatura absoluta en Kelvin, n es la cantidad de electrones transferidos en la reacción, F es la constante de Faraday. Nos lo cuenta Garon C. Smith, Md. Mainul Hossain, Patrick MacCarthy, “Why Batteries Deliver a Fairly Constant Voltage until Dead,” Journal of Chemical Education 89: 1416−1420, 2012.

Hacia la solución del mayor problema de la hipótesis del mundo de ARN como origen de la vida

¿Qué fue primero el huevo o la gallina? El mismo problema tiene el origen de la vida. El ADN almacena la información que codifica las proteínas (enzimas con actividad catalítica) y las proteínas son necesarias para descodificar esta información. La solución estándar para el origen de la vida es la hipótesis del mundo de ARN, ya que el ARN puede codificar información y también tiene actividad catalítica (ribozimas). El mayor problema de esta hipótesis es que los nucleótidos del ARN (A, G, C y U) no se ensamblan de forma espontánea para formar cadenas largas cuando están disueltos en agua. Una posible solución es que el ARN “evolucionó” a partir de moléculas más “primitivas” que fueran capaces de autoensamblarse y que tuvieran algún tipo de actividad catalítica. La respuesta más simple son las moléculas TAP y CAS, que forman cadenas en forma de anillo llamadas rosetas, pero que tienen el problema de que son metaestables y se rompen (CA es el ácido cianúrico y TAP es la triaminopirimidina; recuerda que el uracilo U y la citosina C son pirimidinas). El químico español Ramón Eritja (Barcelona) y sus colegas de EEUU han encontrado una solución gracias a usar TAPAS en lugar de TAP, donde TAPAS se forma por enlace conjugado de un succinato con TAP. Estos químicos han descubierto que disueltas en agua TAPAS y CA forman cadenas que podrían codificar la información y podrían a haber dado lugar a la molécula de ARN. ¿Han encontrado el origen de la vida? Todavía es muy pronto para saberlo. Hay muchísimos detalles por completar, lo más importante es saber si el polímero CA-TAPAS puede codificar información y si además puede “evolucionar” hacia la estructura del ARN. En cualquier caso, en mi opinión su trabajo le da un fuerte ímpetu a la hipótesis del mundo de ARN. Nos lo ha contado Robert F. Service, “Self-Assembling Molecules Offer New Clues on Life’s Possible Origin,” Science NOW, 11 Feb 2013, que se hace eco del artículo técnico Brian J. Cafferty, Isaac Gállego, Michael C. Chen, Katherine I. Farley, Ramon Eritja, Nicholas V. Hud, “Efficient Self-Assembly in Water of Long Noncovalent Polymers by Nucleobase Analogues,” J. Am. Chem. Soc. AOP Feb 8, 2003.

Por cierto, la evolución no explica el origen de la vida porque no explica el origen de LUCA (Last Universal Common Ancestor), el ancestro común a toda la vida actual en la Tierra. En el texto anterior he utilizado el término “evolución” aplicado a moléculas en su acepción de “cambio de forma” y no quisiera que se confundiera con su acepción darwinista.

Carnaval Química: El análisis de una obra de Picasso mediante tecnología de rayos X revela que utilizó pintura Ripolín

Hay obras de Pablo Picasso pintadas con ripolín. Este término tiene dos acepciones: “ripolín” es un pigmento blanco producido a base de caseína (leche) usado por los pintores franceses de principios del s. XX y “Ripolín” es el nombre de una compañía francesa que fabricaba pintura plástica a base de piroxilina para uso casero que nació en 1897 (en Francia fue tan popular que “ripolín” es sinómino de esmalte para pintar a brocha gorda). ¿Utilizó Picasso el esmalte Ripolín en sus obras? Los historiadores del arte parece que no se ponen de acuerdo, por ello el Art Institute de Chicago ha solicitado al Argonne National Laboratory que desvele el misterio. Han tomado cuatro muestras del tamaño de la punta de un alfiler de un cuadro de Picasso (“Naturaleza muerta con tres peces, una morena y una lima sobre fondo blanco,” 28 sep. 1946) y han verificado que está pintado con Ripolín en lugar de “ripolín” (este último obtenido de un tubo histórico de la marca fancesa Lefranc). Saber que Picasso fue uno de los primeros pintores en utilizar en sus obras pintura de brocha gorda ha requerido el uso de un sincrotrón (fuente de rayos X) único en el mundo, llamada Hard X-Ray Nanoprobe (nanosensor de rayos X duros), diseñado para el desarrollo de nuevos materiales de alto rendimiento. El artículo técnico es Francesca Casadio, Volker Rose, “High-resolution fluorescence mapping of impurities in historical zinc oxide pigments: hard X-ray nanoprobe applications to the paints of Pablo Picasso,” Applied Physics A, Published online 24 Jan 2013. Me he enterado vía Tona Kunz, “High-energy X-rays shine light on mystery of Picasso’s paints,” EurekAlert!, 6 Feb 2013.

Mesa Redonda: La ciencia y los medios de comunicación

José Antonio López-Guerrero, profesor de microbiología de la UAM y divulgador científico (más conocido como JAL), junto a Carlos Elías, químico y catedrático de periodismo de la Universidad Carlos III, y Manuel Seara-Valero, biólogo y jefe del Área de Sociedad de RNE, intervienen en una mesa redonda sobre Ciencia y Medios hoy lunes a las 18:00 horas en el Salón de Actos del Edificio del CSIC, C/ Serrano, 113, Madrid. La mesa redonda será transmitida vía streaming en este enlace. Recomiendo a todos los que tengan la oportunidad de ir en persona a disfrutar con la charla y, por supuesto, a quienes no la tengan a disfrutarla vía streaming. La mesa redonda forma parte del III Curso de Divulgación: Los avances de la química y su impacto en la sociedad.

Espectacular vídeo de cómo un bacteriófago T7 infecta a una bacteria E. coli

Ian Molineux (Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de Texas en Austin) y sus colegas han logrado visualizar mediante criotomografía electrónica cómo un virus T7 camina por la superficie de una bacteria E. coli, la reconoce, se fija en su superficie y penetra a través de su membrana doble fosfolipídica. El virus T7 tiene una especie de antenas plegadas en su superficie que es capaz de desplegar en la membrana celular para caminar sobre ella y encontrar un lugar óptimo para la infección. Tras infectar a la bacteria con su ADN, el tubo de inyección colapsa y la membrana de la célula infectada se sella. El artículo técnico es Bo Hu, William Margolin, Ian J. Molineux, Jun Liu, “The Bacteriophage T7 Virion Undergoes Extensive Structural Remodeling During Infection,” Science 339: 576-579, 1 February 2013 (el artículo ya apareció online el 10 de enero). La información suplementaria (de acceso gratuito) no tiene desperdicio.

Carnaval de Química: Blogueros que replican reacciones químicas publicadas

El bloguero científico suele ser considerado un divulgador pasivo. Sin embargo, algunos blogueros toman un papel activo verificando y/o replicando los resultados científicos y técnicos que comunican en sus blogs. Esta labor se suele asociar a los blogueros que son ingenieros (los informáticos son los que lo suelen tener más fácil). El bloguero See Arr Oh (no quiere revelar su nombre verdadero) y varios colegas han iniciado un nuevo blog, llamado Blog Syn, cuyo objetivo es reproducir reacciones químicas publicadas en la literatura científica. La idea es validar los protocolos de laboratorio publicados en artículos científicos. Nos lo cuenta Katharine Sanderson, “Bloggers put chemical reactions through the replication mill. Online project seeks crowd-sourced help to reproduce chemists’ published results,” Nature News, 21 January 2013.

Fotografian un haz de siete moléculas de ADN suspendido entre dos micropivotes

Esta fotografía obtenida con un microscopio electrónico de transmisión (TEM) muestra una fibra formada por un haz de siete moléculas de ADN en una configuración 1+6, un ADN central rodeado de 6 ADN en una distribución hexagonal; todos tienen la configuración ds ADN lineal (ds λ-DNA config. A). Para lograr esta fotografía electrónica han suspendido el haz de moléculas de ADN entre dos micropivotes de silicio y han hecho un agujero entre ellos por el que ha penetrado el haz de electrones del microscopio. Todo un alarde técnico para una foto que dejará frío a muchos, acostumbrados a ver reconstrucciones 3D de la molécula de ADN átomo a átomo. En esta fotografía la molécula de ADN se intuye (no me atrevo a decir que se ve) en los lugares donde apuntan las flechitas rojas, colocadas para ilustrar la periodicidad del enrollamiento de una de las moléculas de ADN; las flechitas rojas están separadas por 2,7 ± 0,2 nm, cada molécula de ADN enrollada tiene un diámetro de unos 8 nm y el haz 1+6 moléculas de ADN tiene unos 19 nm. El artículo técnico es Francesco Gentile et al., “Direct Imaging of DNA Fibers: The Visage of Double Helix,” Nano Letters, ASAP Nov. 22, 2012.

Observan en tiempo real cómo funciona una batería de litio en la escala nanométrica

Diagrama de fases Fe-F-Li (izda) e ilustración esquemática (dcha) de la propagación del frente de la reacción química a través de una nanopartícula de FeF2. (C) Nature Communications

Seguro que tienes muchas baterías de litio en casa y sabes bien que su vida útil es bastante corta (con recargas diarias aguantan solo un par de años). En muchas aplicaciones (como los automóviles eléctricos) se necesita que tengan una vida útil mucho más larga (al menos una década). Para desarrollar las baterías de litio del futuro es necesario comprender cómo funcionan los electrodos en la nanoescala. Gracias a una nanocelda electroquímica y un microscopio electrónico de transmisión se ha podido observar el transporte de los iones de litio en el electrodo en tiempo real durante la descarga y la recarga. El electrodo de la celda está formado por nanopartículas de FeF₂ de unos 10-20 nm de diámetro depositadas sobre una fina capa de carbono; el transporte del litio por la superficie provoca la formación de una capa exterior de nanocristales de LiF y de átomos de Fe de unos 1-3 nm de grosor. Las imágenes en tiempo real permiten ver los detalles de este proceso, que dura solo unos pocos minutos, y cuya morfología recuerda a una descomposición espinodal. La figura que abre esta entrada ilustra la difusión de los iones de litio con carga positiva a través de la superficie de la nanopartícula de FeF₂ y la formación de un frente (como el de un fuego en un monte) que barre rápidamente toda la superficie; una vez barrida la superficie, el proceso ocurre hacia el interior, pero de forma mucho más lenta, capa a capa, hasta alcanzar un grosor de unos pocos nanómetros. Este estudio de Feng Wang (BNL, Brookhaven National Laboratory, NY, EEUU) y sus colegas permitirá conocer con sumo detalle el transcurso de las reacciones físico-químicas de los iones de litio en los electrones, lo que se espera que permita optimizar el funcionamiento de las baterías. El artículo técnico es Feng Wang et al., “Tracking lithium transport and electrochemical reactions in nanoparticles,” Nature Communications 3: 1201, 13 Nov 2012 [copia gratis].

Unas sencillas reglas permiten obtener la conformación terciaria de una proteína a partir de la secundaria

Uno de los problemas más importantes del s. XXI es el problema del plegamiento de proteínas, determinar la estructura tridimensional (conformación terciaria) de una proteína a partir del listado de sus aminoácidos (o de su código genético). Esta estructura nativa es única para la mayoría de las proteínas, determinando en gran parte su función bioquímica (la geometría determina la función). Se ha publicado en Nature un artículo que propone los principios básicos y las reglas fundamentales que controlan el plegamiento a partir de la estructura secundaria de las proteínas (las hélices α y las hojas β). Estos principios podrían usarse para diseñar nuevas proteínas que se plieguen de la forma deseada, lo que podría tener enormes aplicaciones en biología sintética. Nos lo cuenta Birte Höcker, “Structural biology: A toolbox for protein design,” Nature 491: 204–205, 08 November 2012, que se hace eco de Nobuyasu Koga, Rie Tatsumi-Koga, Gaohua Liu, Rong Xiao, Thomas B. Acton, Gaetano T. Montelione, David Baker, “Principles for designing ideal protein structures,” Nature 491: 222–227, 08 November 2012.

De Juana la Loca hasta las baterías de litio viajando por algunos carnavales de ciencias

Doña Juana I de Castilla y Aragón (1479-1555), Juana la Loca, Reina Propietaria del trono de España, fue la reina más poderosa de su tiempo, aunque nunca gobernó. Su padre, su esposo y más tarde su propio hijo afirmaron que estaba loca, mientras muchos nobles castellanos y los comuneros pretendían que dicha locura era pura invención de quienes querían usurparle el trono. Juana fue “internada” en Tordesillas, pues el confinamiento era el tratamiento oficial para la locura en su época. Sin embargo, todos los hijos de Juana, esposas y esposos de estos, incluso sus nietos ya en edad adulta, sobrinos y sobrinas, visitaban Tordesillas a menudo y le profesaban respeto, admiración y cariño. Si se tratara de una mujer alienada, celosa y delirante sería difícil imaginar de qué modo hubiera podido crear las condiciones de esa unión familiar alrededor de su persona, por tantas generaciones y ramas familiares. La leyenda de la “locura de amor” que Juana profesaba por su marido, Felipe “el Hermoso,” nació cuando Juana fue heredera legítima del trono de Castilla, tras varias muertes inesperadas, entre ellas la de su hermano Juan y su hermana Isabel. Con anterioridad no hay ninguna documentación al respecto. La salud “oficial” de Juana siempre osciló según las necesidades políticas.  Además, como en la Edad Media la locura era un “vicio,” Juana ha pasado a la historia como mujer lujuriosa, dominada por la desesperación, carente de prudencia y rebelde. Nos lo cuenta Begoña Matilla, “El mito de la Reina Juana: ¿“la Loca”?“

Pensar la locura de Juana desde la óptica del saber actual, nos induciría a error. Juana fue una mujer moderna para su tiempo que logró, desde las armas que las mujeres podían esgrimir en los inicios de la Edad Moderna, no perder su titularidad real por la que luchó con uñas y dientes, y hacer posible el gobierno de sus descendientes. Juana organizó estrategias políticas para asegurar la sucesión legítima de su hijo Carlos al trono, como esquivar la voluntad paterna, rompiendo todos los códigos de la época al no volver a casarse después de enviudar, a pesar de las muchas presiones recibidas. Además, cuando los Comuneros se alzaron contra Carlos V y la liberaron de su encierro, Juana logró esquivar sus pretensiones, que de facto, hubieran desheredado a Carlos. Gracias a ella, los Austrias ganaron la partida del poder en España.

La imagen que mucha gente tiene de Juana está moldeada por la película “Juana la loca” (2001) de Vicente Aranda, “una explosiva historia de amor” con más erotismo que precisión histórica, remake de ”Locura de amor” (1948) de Juan de Orduña. Pilar López de Ayala interpreta el papel de una neurótica “loca de amor” que le permitió obtener un Goya. La imagen de Juana I que ofrece esta película me recuerda a una psicosis maníaco-depresiva o transtorno bipolar. Su tratamiento actual, basado en el carbonato de litio, será el leitmotiv de esta entrada, cuyo objetivo era superar el reto de los 7 carnavales lanzado por José Manuel López Nicolás (@ScientiaJMLN) en Twitter y superado por él mismo en su blog Scientia. No sé si lo he conseguido, pero no importa. Me ha servido para aprender muchas cosas sobre historia que no sabía. Espero que tú también disfrutes con mi resumen.

INTEGRAL detecta titanio-44 en el remanente de la supernova 1987A formado durante la explosión

Imágenes de rayos X duros que demuestran la emisión de Ti-44 en SNR 1987A.

Decía Carl Sagan (1934-1996) que “somos polvo de estrellas”  porque los elementos pesados de nuestro cuerpo, como el magnesio, azufre, silicio, níquel, cobalto, hierro, etc., tienen su origen en las estrellas; cuando éstas explotan como supernovas se esparcen estos elementos pesados por doquier, alcanzan planetas como el nuestro y acaban en nuestro interior. ¿Podemos verificar estas ideas con la reciente supernova 1987A? Para los isótopos de larga vida, como ²⁶Al y ⁶⁰Fe, es fácil hacerlo (ya se publicó hace bastante tiempo). Sin embargo, para los isótopos de vida corta (o radioactivos), como ⁴⁴Ti (vida media de 58 ± 10 años) y ⁶⁰Co (vida media de 5,27 años), los análisis son mucho más complicados. En el caso del ⁴⁴Ti podemos buscarlo en los restos (remanente), SNR 1987A; se publica en Nature esta observación utilizando rayos X duros gracias a INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory). En concreto, se ha detectado la emisión en las líneas de 67,9 y 78,4-keV asociadas al ⁴⁴Ti que se cree que se sintetizó durante la explosión; su masa se estima en (3,1 ± 0,8) × 10⁻⁴ masas solares. Esta cantidad es mayor de la esperada según las simulaciones numéricas de la nucleosíntesis durante la explosión, en un factor entre 1,5 y 2, por lo que se cree que se podido formar por una combustión incompleta del silicio expulsado durante la explosión (durante el pico de luminosidad se detectaron trazas de elementos hasta el calcio que se formaron dentro de la estrella). El artículo técnico es S. A. Grebenev, A. A. Lutovinov, S. S. Tsygankov, C. Winkler, “Hard-X-ray emission lines from the decay of 44Ti in the remnant of supernova 1987A,” Nature 490: 373–375, 18 October 2012.

Más información en español en Kanijo, “La desintegración radiactiva del titanio alimenta a un remanente de supernova,” Ciencia Kanija, 19 octubre 2012 [traducción de esta noticia]. “La desintegración radiactiva del titanio puede haber estado alimentando durante los últimos 20 años el brillo de los restos” de la supernova 1987A, “situada en una de las galaxias satélite de la Vía Láctea, la Gran Nube de Magallanes, lo bastante cerca para verse a simple vista cuando su primera luz llegó a la Tierra en febrero de 1987. Durante el pico de la explosión, se detectaron huellas de los elementos desde el oxígeno al calcio, representando las capas exteriores del material eyectado. Poco después, las señales del material sintetizado en las capas interiores podrían verse en la desintegración radiactiva del níquel-56 al cobalto-56, y su posterior desintegración al hierro-56. Ahora, gracias a más de 1000 horas de observaciones de Integral, se han detectado por primera vez los rayos X de alta energía procedentes del titanio-44 en el remanente de supernova 1987A. Esta es la primera prueba sólida de generación de titanio-44 en la supernova 1987A y en una cantidad suficiente (0,03 % de la masa del Sol) como para haber alimentado los restos durante los últimos 20 años.”

El cociente isotópico de zinc en las rocas lunares y el origen de la Luna

Proceso hipotético de formación de la Luna tras el impacto de un cuerpo celeste contra la Tierra.

El rocas lunares de origen magmático que trajeron las misiones Apolo son más ricas en isótopos pesados del zinc (su cociente  cociente ⁶⁶Zn/⁶⁴Zn es mayor) que las rocas similares de la Tierra, Marte y meteoritos primitivos. Este resultado, tan sencillo en apariencia, se acaba de publicar en Nature. El nuevo artículo afirma que esta diferencia está motivada porque la Luna se formó tras un enfriamiento rápido durante el cual una gran cantidad de los volátiles de menor masa se evaporaron en el espacio; en cosmoquímica, se llaman elementos volátiles a los que se condensan a temperaturas menores de 1000 ºC, como el zinc. Este nuevo resultado es una prueba firme de que la Luna se formó hace unos 4500 millones de años tras el impacto de un cuerpo celeste del tamaño de Marte que colisionó con la Tierra joven. Realmente sorprende que una prueba tan sencilla no haya sido publicado hace décadas. Nos lo cuenta Tim Elliott, “Planetary science: Galvanized lunacy,” Nature 490: 346–347, 18 October 2012, que se hace eco del artículo técnico de Randal C. Paniello, James M. D. Day, Frédéric Moynier, “Zinc isotopic evidence for the origin of the Moon,” Nature 490: 376–379, 18 October 2012.

Composición relativa de isótopos de zinc.

Lo sorprendente de este artículo es que la diferencia entre el cociente de concentraciones de isótopos de zinc entre la Luna y los otros cuerpos estudiados es de apenas un 5 ‰, pero indica que la evaporación de volátiles en la Luna fue rápida y a escala planetaria, en lugar de lenta y localizada en ciertas regiones. En la ciencia muchas veces una pequeña pista es una eviencia que da mucha información sobre un suceso muy complicado.

Premio Nobel de Química 2012: R. J. Lefkowitz y B. K. Kobilka por los receptores acoplados a las proteínas G y su función

Las células eucariotas perciben moléculas de su entorno gracias a una serie de proteínas que se encuentran en su membrana, las más importantes son los receptores acoplados a proteínas G (los GPCR, siglas de G-protein-coupled receptors); las proteínas G son las que inician la cadena de señalización celular asociada a dichas moléculas y ya fueron objeto del Premio Nobel de Medicina en 1994, concedido a Alfred G. Gilman y Martin Rodbell. Estos receptores se ligan a compuestos fotosensibles, olores, feromonas, hormonas y neurotransmisores, activándose y permitiendo que a ellos se liguen las proteínas G correspondientes. Casi la mitad de los medicamentos modernos utilizan estos receptores como diana pues los GPCR están involucrados en muchas enfermedades. En 1968, Robert J. Lefkowitz (ahora en la Univ. Duke, Durham, Carolina del Norte, EEUU) usó isótopos radioactivos en la hormona adrenalina para trazar los receptores transmembrana de las células que se acoplaban a ella; en concreto, descubrió el receptor adrenérgico β de la adrenalina, que publicó en 1970 en PNAS y Science. En los 1980, Lefkowitz decidió estudiar los genes asociados a las GPCR y contrató a un joven doctor, Brian K. Kobilka (ahora en la Univ. Stanford, California, EEUU) que aisló el gen que codifica el receptor adrenérgico β y descubrió que es similar a uno que captura luz en el ojo (el momento Eureka de este Premio Nobel). Gracias a ello descubrió una nueva familia de receptores cuya estructura molecular y función es similar, los GPCR, que entonces estaba constituida por unos 30, pero que hoy en día comprende unos mil receptores. El motivo de la concesión del Nobel de Química de este año a estos dos investigadores ha sido uno de las noticias de 2011, la publicación en Nature por Kobilka del mecanismo exacto de funcionamiento del receptor adrenérgico β, gracias a imágenes de este receptor en su estado activado con la adrenalina. Una imagen que culmina varias décadas de investigación. Nota de prensa, información para un público general, información técnica y anuncio del premio.

Esta figura muestra el funcionamiento de los GPCR, que se activan (1) al ligarse a una hormona (por ejemplo); en su forma activa (2) se ligan a las proteínas G que se disgregan en una subunidad alfa (3) que inicia una cadena de señalización celular, que altera el metabolismo celular (el efecto de la hormona); el proceso se repite de nuevo muchas veces (4). La clave de este proceso son los cambios estructurales que se producen en los GPCR cuando se activan, que fue desvelado en 2011 por el grupo de Kobilka que logró obtener una imagen cristalográfica de rayos X de un GPCR activado, en concreto, el receptor adrenérgico β de la adrenalina. La imagen para dicho GPCR sin activar ya era conocida desde hacía mucho tiempo, pero cristalizar un GPCR activado requirió dos décadas de trabajo (mucha gente pensaba que era imposible) y mereció un artículo en Nature en 2011, la clave para la concesión este año del Premio Nobel.

Gracias a la determinación de la estructura tridimensional (o conformación) de un GPCR activado se ha podido elucidar cómo funciona a nivel bioquímico; como la mayoría de los GPCR comparten gran parte de su estructura, este gran avance permitirá diseñar mejores fármacos agonistas (moléculas capaces de combinarse con un receptor y estimular su actividad), antagonistas (moléculas capaces de bloquear un receptor y abolir su actividad) y agonistas inversos (los que logran efectos opuestos a los de los agonistas). Los agonistas se ligan a un GPCR y estabilizan la conformación que activa la proteína G en el interior celular. Los agonistas inversos se ligan a un GPR pero estabilizan su conformación no activada. Los antagonistas o inhibidores compiten con los agonistas y bloquean el sitio de unión entre el agonista y el GPCR. Muchos fármacos modernos son antagonistas, como los β-bloqueantes utilizados en el tratamiento de trastornos relacionados con el corazón y la hipertensión (el Premio Nobel de Medicina de 1988 fue obtenido por Sir James W. Black por descubrir el propranolol, que bloquea el receptor adrenérgico β de la adrenalina). Otros son agonistas que activan, por ejemplo, los receptores de la dopamina y la serotonina para aliviar la enfermedad de Parkinson, migrañas y trastornos neuropsiquiátricos, o son agonistas inversos, que impiden que la actividad basal de, por ejemplo, el receptor GABA involucrado en la memoria y el aprendizaje. Las aplicaciones farmacológicas de los trabajos de los ganadores del Premio Nobel de Química de 2012 son realmente incontables.

Los interesados en más detalles, de primera mano, disfrutarán con estas dos charlas en youtube del propio Lefkowitz en las que nos relata su descubrimiento de los GPCR. Aunque están en inglés, realmente merecen la pena.

XVII Carnaval Biología: Nuevo avance en la biofísicoquímica de la fotosíntesis en las plantas

Lo primero, te recomiendo ver el Discurshow “Protón” de Xurxo Mariño y Vicente de Souza, aunque no mencionen la fotosíntesis, en la que el protón tiene un papel fundamental. La fotosíntesis transforma la luz del Sol en energía química a partir de dos moléculas de agua, que se descomponen en una molécula de oxígeno O₂, junto a cuatro protones (núcleos de hidrógeno o iones H⁺) y cuatro electrones. La fotosíntesis en cianobacterias, algas y plantas se denomina fotosíntesis oxigénica y se basa en el llamado sistema fotosintético tipo-II, o fotosistema II (PSII); la secuencia de pasos de esta reacción bioquímica se llama ciclo de Kok (1970) y está catalizada por un complejo Mn₄Ca, formado por cuatro átomos de manganeso y uno de calcio. Gracias a las técnicas de espectroscopia se conoce bastante bien su funcionamiento en las escalas de picosegundos, con algunos detalles incluso en la escala de femtosegundos. La reacción química global es 4 Y_Z^(ox) + 2 H₂O → 4 Y_Z^(red) + 4 H⁺ + O₂, donde la absorción de fotones con una longitud de onda alrededor de 680 nm oxida cuatro moléculas de tirosina, Y_Z^(ox), que actúan a su vez como oxidantes de cuatro moléculas de agua; en este proceso 4 electrones del complejo Mn₄Ca se transfieren a las cuatro tirosinas, resultando cuatro Y_Z^(red), mientras que cuatro protones H⁺ son eliminados del complejo MMn₄Ca mediante un proceso de desprotonización (la figura de arriba, parte derecha, muestra los pasos del ciclo de Kok y sus escalas de tiempo). Un nuevo artículo publicado en PNAS ha estudiado en detalle el proceso de transferencia de electrones y protones, rellenando algunos huecos en nuestro conocimiento de esta interesante reacción bioquímica. Hace poco un lector de este blog me pedía que le describiera los detalles cuánticos de la fotosíntesis. Viendo las figuras de esta entrada se puede ver que para entenderlos hay que ser un experto en biofísicoquímica cuántica y yo no lo soy. Aún así, los expertos disfrutarán el artículo de André Klauss, Michael Haumann, Holger Dau, “Alternating electron and proton transfer steps in photosynthetic water oxidation,” PNAS 109: 16035-16040, October 2, 2012.

Entrar en detalles técnicos sería meterme en camisa en once varas, pero quizás conviene poner un ejemplo del nivel de detalle con el que conocemos estas reacciones químicas. Por ello, incluyo aquí esta figura que muestra uno de los pasos del ciclo clásico de Kok de oxidación fotosintética del agua, el paso S₂ → S₃. Se muestra el complejo Mn₄CaO₅, la tirosina con actividad redox (Tyr₁₆₁) y los grupos más importantes que rodean a los enlaces de hidrógeno en esta reacción. Los aminoácidos que se destacan forman parte de la subunidad D1 del PSII, con la excepción e CP43–Arg₃₅₇. Las moléculas de agua se indican con esferas rojas, los enlaces de hidrógeno con línea a trazos y los protones son esferas grises. La retícula tridimensional en gris representa el complejo de moléculas de agua que incluye 4 H_xO en la primera esfera de coordinación del manganeso (Mn4), así como el calcio (Ca) y las tres moléculas de agua de la segunda esfera de coordinación. El primer paso en esta reacción (“1^st” en la figura) ocurre cuando han pasado menos de 100 ns tras la absorción del fotón y la oxidación de la clorofila primaria del PSII (P680); en este paso Tyr₁₆₁ (Y_Z)  es oxidada por P680⁺. La formación de Y_Z^(ox) produce un reordenamiento de la red de enlaces de hidrógeno (que se completa en menos de 1 µs), conduciendo a la transferencia de un protón a His₁₉₀, desprotonizando una molécula de agua en el complejo mostrado en la retícula tridimensional gris. En el segundo paso de esta reacción (“2^nd” en la figura), el complejo Mn/Y_Z pierde un protón en alrededor de 30 µs y se produce la vacante de un protón en el complejo de agua. En el tercer y último paso (“3^rd” en la figura), en alrededor de 300 µs, la oxidación del manganeso se acopla al paso de transferencia de un protón que ha creado una vacante en el complejo del agua.

Los mecanismos moleculares de las reacciones (foto)químicas del fotosistema II (PSII) se ha estudiado desde los años setenta y se conocen con bastante detalle. La estructura del PSII se determinó por difracción de rayos-X en el año 2004 y contiene unas 20 subunidades proteicas, conocidas como PsbA-Z, en función del nombre de los genes que las codifican, además de un conjunto de cofactores como son las clorofilas (Chl), feofitinas (Phe), carotenoides, hierro, plastoquinonas, complejo de iones Mn (Mn4) y los iones Ca, Cl y HCO. La masa molecular aproximada del PSII es de 320 kDa. Los interesados en más detalles técnicos (en español) pueden recurrir, por ejemplo, al capítulo 2 de la tesis doctoral de Mónica Balsera Diéguez, “Análisis estructural de la proteína extrínseca PsbQ del fotosistema II de plantas superiores,” Universidad de Salamanca, 2004.

Esta entrada participa en el XVII Carnaval de Biología, organizado este mes por el blog “Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión,” cuyo autor @Ununcuadio es buen seguidor de mi blog.

Juguemos a las pitonisas, ¿quiénes ganarán los Premios Nobel que se anunciarán la semana que viene?

Alfred Nobel (1833-1896).

Adivinar los ganadores del Premio Nobel es como adivinar la evolución del mercado de valores, los expertos erran tanto como los legos. La dificultad principal es que hay más personas que merecen el premio que las que pueden recibirlo. Ya os comenté las “predicciones de Thomson Reuters para los Premios Nobel de 2012,” 22 septiembre 2012. Lo que parece claro es que el bosón de Higgs requiere un Premio Nobel de Física, pero que este año no le será concedido pues las nominaciones acabaron en febrero, antes de su descubrimiento; si Peter Higgs fue nominado para el premio de este año, no lo sabremos hasta dentro de 50 años, cuando se hagan públicas todas las nominaciones. Aún así, también parece claro que este año los ganadores disfrutarán de menos dinero que el año pasado, pues la Fundación Nobel rebajó el dinero del premio en un 20 por ciento hasta los 8 millones de coronas suecas (unos 0,93 millones de euros).

Premio Nobel de Medicina 2012 (el lunes 8 saldremos de dudas): Los japoneses Kazutoshi Takahashi y Shinya Yamanaka merecen el Nobel por haber descubierto las células iPS (células madre pluripotentes inducidas), es decir, cómo revertir el proceso de diferenciación celular en los mamíferos y cómo reprogramar células ya diferenciadas para devolverlas al estado de las células pluripotentes. Su trabajo supone un importante avance para la medicina regenerativa. Aunque el premio Nobel de 2007 fue concedido a un tema parecido, la producción por ingeniería genética de ratones knockout, creo que el trabajo de Takahashi y Yamanaka merece un nuevo premio.

Premio Nobel de Física 2012 (el martes 9 saldremos de dudas): Los suizos Michel Mayor y Didier Queloz merecen el Nobel por haber descubierto el primer planeta extrasolar en 1995, llamado 51 Pegasi b. A día de hoy se conocen 839 planetas en 662 sistemas planetarios y este número sigue creciendo día a día (más aún, la búsqueda de exoplanetas está de moda gracias al satélite Kepler de la NASA).

Vera Rubin es una firme candidata este año por su descubrimiento de la materia oscura en las galaxias gracias a las curvas de rotación galáctica (quizás la acompañen Marc Davis y Joel Primack). Hay que recordar que tiene 84 años y que solo dos mujeres han obtenido este galardón (Marie Curie en 1903 y Maria Goeppert-Mayer en 1963). Ya va siendo hora de que otra mujer lo vuelva a obtener y Rubin es una apuesta casi segura.

Finalmente, los amantes de la física cuántica siempre apostamos por Alain Aspect (Francia), John Clauser (EEUU) y Anton Zeilinger (Austria) por su estudio el entrelazamiento cuántico y la verificación de las desigualdades de Bell; hay mucha gente trabajando en computación cuántica que desea que estos tres físicos obtengan el Nobel, aunque también hay mucha gente trabajando en estado sólido y materia condensada que tiene otros candidatos.

Premio Nobel de Química 2012 (el miércoles 10 saldremos de dudas): Los estadounidenses William Moerner y Allen Bard lo merecen por el desarrollo de la espectroscopía monomolecular en 1989, una técnica que ha permitido observar moléculas de forma individual. Un descubrimiento revolucionario con multitud de aplicaciones, como ya nos comentó César @EDocet; podría acompañarles el francés Michel Orrit.

Por supuesto, acertar es casi imposible, pero si os apetece hacer vuestras apuestas en los comentarios, ánimo y adelante.

Predicciones de Thomson Reuters para los Premios Nobel de 2012

Como todos los años, sobre estas fechas, Thomson Reuters utiliza los datos bibliométricos del ISI Web of Science para predecir los premios Nobel de ciencias (Medicina, Física, Química y Economía). En Science Watch tienen un listado al que añaden tres nuevos candidatos, el Hall of Fame de los posibles candidatos de años anteriores (los únicos españoles en la lista son Juan Ignacio Cirac para el Nobel de Física y Joan Massagué para el Nobel de Medicina). Permíteme un repaso a dichas predicciones.

Premio Nobel de Física.

Teletransporte cuántico.  Uno de los secretos del protocolo de teletransporte cuántico es su nombre, que trae reminiscencias del teletransporte de películas como Star Trek, aunque no tenga nada que ver. El marketing del título de un artículo científico o del nombre de un procedimiento experimental es fundamental para su rápida aceptación. El teletransporte cuántico es el único protocolo cuántico capaz de copiar información cuántica de un sistema a otro (con el requisito previo inexcusable de que hayan estado previamente entrelazados entre sí). El descubrimiento en 1984  del protocolo de cifrado cuántico (también llamado criptografía cuántica) por Charles H. Bennett (IBM Corporation, EEUU) y Gilles Brassard (Univ. Montreal, Canadá), les llevó a proponer, junto a William K. Wootters (Williams College, EEUU) la idea del teletransporte cuántico como único mecanismo de copia de la información cuántica. En 1993, se publicó el diseño del primer experimento para demostrarlo (C. H. Bennett, G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. Peres y W.K. Wootters). Este año, sin ir más lejos, se ha logrado un récord de teletransporte cuántico en una distancia de 143 km en las Islas Canarias.

Luz “lenta”. Lene V. Hau (Univ. Harvard, EEUU) logró en 1999 ralentizar pulsos de luz a solo 17 m/s, unos 61 km/h, mientras atravesaban un condensado de Bose-Einstein (BEC) ultrafrío, y en 2001 llegó incluso a parar la luz durante unas milésimas de segundo. Su secreto fue un fenómeno físico de los BEC llamado transparencia inducida electromagnéticamente, que fue descubierto por Stephen E. Harris (Univ. Stanford, EEUU).

Fotoluminiscencia del silicio poroso. El silicio no puede emitir luz, pero Leigh T. Canham (Univ. Birmingham, GB) descubrió en 1990 que el silicio poroso es fotoluminiscente y puede hacerlo, de hecho, también es electroluminiscente. La gran ventaja del silicio poroso es que permite desarrollar aplicaciones nanotecnológicas compatibles con las tecnologías microelectrónicas actuales.

¿Qué pasa con el Nobel al bosón de Higgs? Como ya he comentado en este blog, las nominaciones al Nobel se recogen en febrero y entonces el bosón de Higgs no estaba en las quinielas. Si se concede el premio con urgencia, será como Nobel de Física en 2013. Si no se concede con urgencia, porque se espere al análisis de todos los datos recopilados en 2012, que será publicado en el verano de 2013, no será Nobel de Física hasta 2014.

Premio Nobel de Química.

Puntos cuánticos. Los puntos cuánticos (quantum dots) son nanocristales semiconductores que fueron descubiertos por el químico Louis E. Brus (Univ. Columbia, EEUU) cuando trabajaba en los Laboratorios Bell de AT&T en 1983. En la actualidad muchas aplicaciones nanotecnológicas se basan en estos dispositivos, cuya papel más importante es en nanofotónica (nanodispositivos tipo LED capaces de emitir luz).

Nanopartículas de oro. El oro es ideal para las joyas por su baja reactividad, lo que les permite “durar para siempre,” sin embargo, en 1985 Masatake Haruta (Univ. Metropolitana de Tokio, Japón) descubrió que nanopartículas de oro en un coloide eran un excelente catalizador de ciertas reacciones químicas, sobre todo las que involucran el oxígeno (como la oxidación de CO a muy baja temperatura, descubierta por Haruto en 1987). La catálisis basada en el oro fue llevada a su situación actual en la década de los 2000 gracias a los trabajos de Graham J. Hutchings (Univ. Cardiff University, GB), por ello también lo han incluido como candidato al Nobel en ScienceWatch.

Fotocatálisis y superhidrofilia del dióxido de titanio. En 1972 se publicó en Nature la tesis doctoral de Akira Fujishima (Univ. Tokio, Japón), quien junto a su director de tesis, Kenichi Honda (que yo también incluiría como candidato al Nobel si se concediera por este trabajo) descubrió que el dióxido de titanio puede utilizar para obtener hidrógeno por fotodisociación (fotolisis) del agua (procedimiento de bajo rendimiento y poco práctico en las aplicaciones industriales). En los 1990, Fujishima descubrió que el dióxido de titanio era superhidrófilo al ser irradiado con luz ultravioleta. El efecto fotocatalítico de Fujishima-Honda y la superhidrofilia de Fujishima han conducido a gran número de aplicaciones en sistemas de autolimpiado, como espejos para automóviles, y en sistemas para el tratamiento de la polución ambiental.

Premio Nobel de Fisiología o Medicina.

Adhesión celular. Richard O. Hynes (MIT, EEUU) y Erkki Ruoslahti (Inst. Investig. Médica Sanford-Burnham, EEUU) descubrieron de forma independiente la fibronectina, una proteína muy importante en la adhesión celular (con una función importante en la coagulación de la sangre, la cicatrización y la fagocitosis). Masatoshi Takeichi (Centro Biología Desarrollo RIKEN, Japón) descubrió la relación entre la fibronectina y las integrinas, gracias a canales de calcio, lo que permitió entender la función bioquímica de las primeras.

Control y señalización celular. Anthony “Tony” R. Hunter (Univ. California San Diego, EEUU) descubrió la fosforilación de la tirosina, fundamental para la señalización celular, y Anthony “Tony” J. Pawson (Univ. Toronto, Canadá), descubrió el dominio SH2, común a la mayoría de las proteínas que intervienen en las rutas de señalización, que se conecta a los receptores de la señal fosforilada.

Regulación genética. El papel de las histonas (responsables del empaquetamiento del ADN en el núcleo de las células) en la regulación de la expresión de los genes es fundamental. Los trabajos de C. David Allis (Univ. Rockefeller, EEUU) y Michael Grunstein (Univ. California Los Angeles, EEUU) clarificaron este papel a finales de los 1980.