Genes nuevos y división de labores en sociedades de insectos

Genes nuevos o altamente modificados ejercen un papel importante en el desarrollo de las diferentes castas dentro de las colonias de hormigas. Así se ha determinado tras un detallado análisis de expresión genética realizado por el equipo de Susanne Foitzik, Barbara Feldmeyer y Daniel Elsner, en la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, Alemania, y que se centró en la cuestión de cómo surgen las diferentes castas femeninas. Una colonia de hormigas se compone por regla general de una reina y las obreras.

Por otra parte, las obreras pueden variar dependiendo de la tarea que realizan, ya sea cuidar de las crías, buscar comida, o defender el hormiguero. Esta especialización del comportamiento puede acompañarse de diferencias morfológicas y fisiológicas. Las reinas, responsables de la reproducción, pueden vivir hasta 30 años, mientras que la esperanza de vida de las obreras va desde algunos meses hasta varios años. En algunas especies hay también hormigas soldado, que pueden pesar hasta 100 veces más que sus hermanas obreras que cuidan las crías.

Curiosamente, los rasgos fenotípicos divergentes de las reinas y las obreras se desarrollan a partir del mismo acervo genético; las diferentes trayectorias fenotípicas se determinan por el alimento que las larvas reciben durante el desarrollo. Normalmente la reina es la única con capacidad reproductiva en el hormiguero, pero si ella muere o desaparece por cualquier otro motivo, algunas de las obreras que están al cuidado de las crías desarrollarán sus ovarios y comenzarán a reproducirse. Éste fue el fenómeno que los autores del nuevo estudio explotaron para inducir la fertilidad en las obreras al cuidado de las crías de la especie de hormiga Temnothorax longispinosus. Esto permitió la comparación de estas niñeras fértiles con las niñeras infértiles, las recolectoras y las reinas para determinar la expresión de los genes que causan las enormes variaciones en el comportamiento, la fertilidad y hasta la longevidad.

Las mayores diferencias en la expresión génica fueron encontradas entre la reina y las obreras dedicadas a las otras tareas, mientras que las menores diferencias se encontraron entre las niñeras infértiles y las recolectoras. Las niñeras fértiles ocupan una posición intermedia entre la reina y las obreras estériles.

Las hormigas reina expresan muchos genes específicos de su casta cuyas funciones son conocidas por comparaciones con otras especies. Éste no es el caso con las obreras, en las que aproximadamente la mitad de los genes característicos han resultado tener funciones por ahora desconocidas o poco claras. Estos genes característicos de las obreras han sufrido modificaciones importantes o son nuevos genes. El hecho de que las reinas expresen más genes encontrados también en especies de vida solitaria del mismo orden Hymenoptera y en otros insectos, encaja con una historia evolutiva de los insectos sociales, en la cual las obreras derivaron de las reinas y no al revés.


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Registrada la masa atómica más precisa del electrón

El último dato sobre la masa atómica del electrón facilitado por el grupo de trabajo del Comité de Información para Ciencia y Tecnología (CODATA) que se dedica a las constantes fundamentales era 0,00054857990943(23) –medido en unidades de masa atómica unificada (u)–.

Ahora, un equipo alemán liderado desde el Instituto Max-Planck de Física Nuclear ha calculado que ese valor es 0,000548579909067(14)(9)(2), donde los números entre paréntesis corresponden respectivamente a la incertidumbre estadística, sistemática y teórica. En gramos, la masa atómica del electrón ronda los 9,109 x 10^-28.

La nueva medida es 13 veces más precisa que la anterior, según publican los autores en la revista Nature. Para obtenerla han utilizado una triple trampa de Penning, un dispositivo donde se estudian partículas cargadas mediante campos magnéticos y eléctricos, y la base teórica ha sido la electrodinámica cuántica.

La masa del electrón es una medida clave de la física fundamental, ya que es responsable de la estructura y propiedades de átomos y moléculas. “Es un parámetro importante para el modelo estándar de la física (que explica los componentes básicos de la materia y sus interacciones)”, subraya a SINC Sven Sturm, el primer autor del trabajo.

“Una manera de buscar nueva física es comparar las predicciones del modelo estándar con resultados experimentales precisos –añade–, y el elemento de unión entre las predicciones y los resultados experimentales son las constantes fundamentales como la masa del electrón, por lo que este dato permitirá tener una visión mucho más detallada para esa nueva física”.

La unidad de masa atómica se define como la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12. Para la partícula del estudio, los investigadores la han calculado al medir un solo electrón unido a un ion de referencia (un núcleo de carbono desnudo) de masa atómica conocida.

“El nuevo valor para la masa atómica del electrón es un eslabón en una cadena de medidas que permitirá hacer un test del modelo estándar de la física de partículas con una precisión superior a una parte por trillón, además del impacto que tiene en los datos de otras constantes fundamentales”, destaca también en Nature el investigador Edmund G. Myers, de la Universidad Estatal de Florida (EE UU).


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Supercomputadoras para reconstruir los primeros cientos de millones de años de evolución química del universo

Después de los acontecimientos extraordinarios asociados al Big Bang (la explosión con la que nació el universo), comenzó la evolución química de éste, sostenida sobre todo en la formación y destrucción de estrellas. En un intento por conocer mejor cómo fueron las primeras fases de esa evolución química en los primeros cientos de millones de años de historia del universo, unos investigadores se han valido de algunas de las supercomputadoras más potentes del mundo para simular esa evolución.

Milos Milosavljevic, Chalence Safranek-Shrader y Volker Bromm, de la Universidad de Texas en la ciudad estadounidense de Austin, emplearon, entre otras, las supercomputadoras Stampede, Lonestar y Ranger, instaladas en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC), dependiente de la citada universidad.

Los resultados de esos cálculos han permitido obtener reconstrucciones más precisas y fiables de cómo se formaron las primeras galaxias, y en particular, cómo, dentro de los viveros estelares, los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio influyeron sobre las características de las estrellas de las primeras galaxias.

Esta simulación muestra la inestabilidad hidrodinámica provocada por un rápido enfriamiento en un halo cósmico de materia oscura rico en elementos pesados, cuando el universo tenía sólo 300 millones de años de edad. 

Al principio de su evolución química, el universo constaba esencialmente de hidrógeno y helio. A partir de la formación de las primeras estrellas, la fusión nuclear en éstas comenzó a crear cantidades significativas de otros elementos, y las explosiones en forma de supernova de algunas de las estrellas empezaron a su vez a esparcir dichos elementos por el cosmos.

Cantidades apreciables de elementos que se crearon gracias a la primera generación de estrellas acabaron concentrándose en los campos gravitatorios de los halos de materia oscura, donde formarían la segunda generación de estrellas.

Sin embargo, esa primera "siembra" de elementos químicos por la acción de supernovas no condujo a una mezcla uniforme de los mismos en el espacio.

Efectos sutiles gobernaron la evolución de las galaxias tempranas. Algunas estrellas que se formaron eran ricas en elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, mientras que otras eran pobres en tales elementos pesados.

Otro factor que influyó en la evolución de las galaxias fue cómo emergieron los elementos más pesados a partir del estallido estelar que los originó. En vez de una explosión limpia que arrojase materia por igual en todas direcciones, las supernovas expulsaban grumos de elementos pesados, a modo de ráfagas. Eso contribuyó a determinar su distribución por el universo.


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Un modelo matemático presenta una alternativa a la subducción para explicar la tectónica de placas

El funcionamiento del interior de la Tierra sigue siendo un misterio para geólogos y físicos. Una de las teorías –aún por confirmar aunque bastante aceptada– sostiene que el movimiento de las placas tectónicas se debe a la subducción, es decir, al hundimiento de una placa bajo la otra por diferencias en la densidad.

Sin embargo, un reciente trabajo liderado por Ana María Mancho, investigadora del CSIC y la también miembro del ICMAT Jezabel Curbelo, en España, muestra ejemplos de fluidos en convección que indican que el movimiento podría ocurrir de manera espontánea, fruto tan sólo de la dinámica interna del fluido y en presencia de simetría. Los resultados sugieren que la simetría de la esfera terrestre podría ser importante para la formación de placas en movimiento.

“En nuestro artículo vemos que el movimiento espontáneo es una solución global del sistema en la que influye tremendamente la simetría, aunque en nuestro estudio la simetría es más sencilla que la que hay en la Tierra", señalan las científicas.

En un artículo publicado en la revista Physics of Fluids, las autoras proponen un modelo de la litosfera sobre el manto de convección, desde el que analizan las inestabilidades del fluido. En estas ecuaciones han encontrado ciertas soluciones, relacionadas con la presencia de simetría, que se corresponden con movimientos espontáneos y fugaces de las placas.

“El manto a escalas de tiempo geológicas es un fluido, con propiedades que a veces no se pueden medir directamente. La modelización es una manera de intentar ver lo que va a ocurrir dentro, donde no puedes acceder”, explica Mancho. Para alcanzar estas conclusiones, las investigadoras han resuelto ecuaciones básicas de la dinámica de fluidos con métodos de análisis numérico diseñados por ellas mismas.

La viscosidad es una medida de la resistencia del fluido a la deformación gradual. Los fluidos más viscosos actúan más rígidamente, y se parecen más a un sólido. En las ecuaciones de Navier-Stokes, que describen el movimiento de los fluidos incompresibles, la viscosidad aparece como constante. Sin embargo, en el manto superior de la Tierra, los materiales fluidos disminuyen su viscosidad a medida que aumenta la temperatura, y en  la Tierra la temperatura aumenta hacia el interior. Se puede imaginar un tarro de miel solidificada: al calentarla por abajo, la parte inferior se hace líquida, mientras que la de arriba sigue rígida.

Por tanto, considerar la viscosidad dependiente de la temperatura es importante para tener un modelo descriptivo del manto. Pero añade dificultades a las matemáticas del sistema. “Complica mucho las ecuaciones, porque aparecen términos añadidos y acoplamientos entre la ecuación del calor y la del movimiento”, comenta Curbelo. Además, las autoras han propuesto otras leyes de viscosidad distintas a las tradicionalmente usadas en la literatura anterior, en las que la transición en la viscosidad ocurre de manera abrupta en un estrecho intervalo de temperaturas.

El otro concepto clave de este trabajo es el de simetría. La simetría es una idea que cautiva e inspira no solo a los matemáticos, sino también a físicos, artistas, arquitectos y músicos. Hay fenómenos dinámicos en los fluidos que se relacionan con la presencia de simetrías, como las ondas rotantes o ciertas soluciones cíclicas que liberan energía bruscamente.

Este trabajo sugiere que la simetría también afecta a la manera en que funciona nuestro planeta proporcionando evidencias de que el movimiento de las placas podría estar influenciado por las simetrías de la esfera terrestre. “Hemos encontrado estas soluciones novedosas entre varias razones por la consideración de la simetría en las ecuaciones y el uso de determinados métodos de resolución que la conservan”, apunta Curbelo.

“Aportamos ideas que pueden ser útiles a la hora de comprender cómo es la dinámica del interior de la Tierra o de otros planetas. Mostramos cómo de las ecuaciones pueden emerger comportamientos con rasgos comunes a los observados en la realidad”, señala Mancho.

La investigación aporta un ejemplo en el que espontánemente en un fluido en convección surge una placa superior que se mueve en bloque sobre el resto. Esto sólo es un modelo simplificado ya que en la Tierra existen otros elementos que no se han considerado.


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Descubren propiedades del yodo para combatir el cáncer

En el Laboratorio de Metabolismo Energético del Instituto de Neurobiología (INb) de la UNAM (México), el equipo encabezado por Carmen Aceves Velasco estudia, de manera integral, el efecto de varios compuestos yodados (tironinas, yodolípidos y diferentes formas químicas de yodo) en el desarrollo, función y patología de algunos órganos y tejidos que lo atrapan, como la glándula mamaria, la próstata, el ovario y el tejido nervioso.

El hallazgo permitió el registro de dos patentes: una ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Intelectual (IMPI), y la otra ante el Tratado de Cooperación en Materia de Patentes (PCT), para su cobertura internacional.

La primera es para hiperplasia prostática benigna, que obtuvo registro ante el IMPI en 2010 y ante el PCT en 2011; y la segunda, para tumores quimioresistentes (mama, próstata y neuroblastoma), con registro nacional en 2012 e internacional en 2013.

Se trata de una investigación precursora a escala mundial –iniciada hace unos 13 años– respecto a los efectos benignos del yodo molecular (I2) en el tratamiento de cáncer, y es el único grupo dedicado a mama y próstata.

Aceves Velasco expuso que el I2 sólo se puede obtener en las algas marinas frescas, pardas, como las Wakame y Kelp; resulta inocuo hasta ciertos límites. Si se consume en exceso puede tener efectos secundarios en la tiroides, por lo que debe administrarse bajo supervisión médica. En tanto, el yoduro que contiene la sal no tiene efecto, por lo que de ninguna manera se debe incrementar su ingesta.

Las glándulas mamaria y prostática –órganos exclusivos de los mamíferos– se desarrollan en la pubertad y su diferenciación y función dependen de hormonas sexuales. Ambos tejidos son susceptibles de generar patologías benignas (fibrosis mamaria e hiperplasia prostática) y malignas (cáncer). Se conoce que la historia reproductiva, así como los factores dietético-ambientales, están relacionados con la incidencia de esas enfermedades.

Existen evidencias de que la forma química en la cual el yodo es ingerido, repercute en efectos órgano-específicos. Así, el yoduro (I) es más eficiente en revertir el crecimiento de la tiroides (bocio) asociado a la deficiencia dietética de este elemento; mientras que en la glándula mamaria, parece ser que el elemento activo es el yodo molecular.

La importancia del I2 en la fisiología de las glándulas mamaria y prostática se evidencia en los reportes epidemiológicos. En las poblaciones asiáticas el consumo abundante de algas marinas se ha asociado con la baja incidencia (de tres a cinco veces menos en comparación con el resto del mundo) de fibrosis mamaria, hiperplasia prostática y cáncer de ambos tejidos.

Las algas marinas son ricas en yodo (contienen 30 mil veces más que cualquier otro ser vivo) y lo acumulan en diferentes formas químicas (I, I2, yodo unido a proteínas, etcétera), por lo que los asiáticos consumen aproximadamente 25 veces más ese elemento que los occidentales.

En pacientes con cáncer tiroideo la administración de yodo reduce el tamaño del tumor y este efecto parece ser dependiente de la formación de lípidos yodados, como la 6-yodolactona (6-IL). Efectos similares se han encontrado en patologías mamarias y prostáticas.

Datos del Laboratorio de Metabolismo Energético del INb muestran que la administración crónica de I2 disminuye la incidencia de cáncer mamario generado por cancerígenos químicos en modelos animales. Esta protección no se presenta con el suplemento de yoduro o de hormonas tiroideas. En cultivos de células tumorales mamarias, prostáticas y de neuroblastoma encontraron que el I2 induce muerte celular programada (apoptosis), mediante la inducción y activación de caspasas (proteínas específicas).

Estas últimas son enzimas que se encargan de fragmentar el material genético de la célula (ADN), lo que da como resultado su muerte y condensación y permite su eliminación por el sistema inmune. Los universitarios han descrito que en el caso del cáncer mamario, el suplemento del I2 genera yodolípidos semejantes a la 6-IL y que este lípido puede ejercer efectos antitumorales a través de su unión específica con receptores nucleares conocidos como receptores activados por peroxisomas.

La unión 6-IL-PPRL promueve la apoptosis, la disminución de factores relacionados con la formación de vasos sanguíneos y de metástasis y, en algunos casos, diferenciación celular.

Dado que el suplemento dietético de I2 no genera ningún efecto secundario adverso, tanto en la fisiología tiroidea como en la salud en general, el grupo de la UNAM inició, en colaboración con algunas dependencias del sector salud de Querétaro (hospitales Regional del IMSS y General del ISSSTE), protocolos clínicos encaminados al tratamiento con I2 de pacientes con patologías mamarias y prostáticas, tanto benignas como malignas. Los estudios fueron aprobados por los comités de ética de la Secretaría de Salud y del INb.

Los resultados obtenidos en pacientes con cáncer mamario muestran que el yodo tiene efectos antiestrogénicos (la principal hormona femenina); disminuyen la llegada del estrógeno al núcleo de las células (traslocación nuclear), con lo cual la hormona no actúa sobre sus receptores alfa. Esto reduce la proliferación y vascularización tumoral.

Además, la coadministración del yodo con antineoplásicos clásicos (antraciclinas) se acompañó de una respuesta sinérgica (mayor reducción del tamaño tumoral) a la quimioterapia en todas las mujeres y en el 30 por ciento de los casos se detectó una remisión total, lo que sugiere que su acción incluye mecanismos que impiden el desarrollo de quimio-resistencia. Aunado a lo anterior, su uso con antraciclinas previene el daño cardiaco en mujeres, tal como se observó en modelos animales, por lo que los científicos han propuesto su empleo como estrategia terapéutica.

En lo que se refiere a la hiperplasia (aumento de tamaño) prostática benigna humana, los universitarios han mostrado que el suplemento con yodo reduce significativamente los síntomas y el tamaño de la glándula, lo que se refleja en una disminución en los niveles circulantes del antígeno prostático y en una notable mejoría en la velocidad del flujo urinario. 

Estudios en células tumorales del sistema nervioso, como el neuroblastoma, han mostrado que el suplemento de yodo molecular en adición con ácido retinoico sensibiliza a las células a este último componente, lo que permite la diferenciación celular e induce la muerte por apoptosis. Estos hallazgos, aunque iniciales, permitirían comenzar estudios en niños donde se presenta el 90 por ciento de estos tumores, para su tratamiento sin el uso de quimioterapias más agresivas.


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Logran tratar con éxito un caso grave de una forma rara de leucemia

El equipo del Dr. Salvador Macip, del Departamento de Bioquímica en la Universidad de Leicester en el Reino Unido, ha demostrado un tratamiento novedoso para la tricoleucemia (HCL, por las siglas en inglés de Hairy Cell Leukaemia), un raro tipo de leucemia o cáncer de la sangre.

La investigación indica que el Vemurafenib, un medicamento aprobado para tratar el melanoma pero del que no se había probado su acción frente a leucemias, es también capaz de tratar a éstas.

Macip, Martin Dyer y Jesvin Samuel constataron que el tratamiento con este fármaco, que puede tomarse de forma oral, retiró las células malignas de la sangre del paciente, y llevó a una recuperación clínica completa en unos cuantos días. Hay que tener en cuenta que este paciente había agotado todas las demás opciones de tratamiento, por lo que el resultado de esta investigación no es solo un éxito científico sino también una victoria en la lucha de una persona para salvar su vida.

Un estudio genético de las células sanguíneas del paciente permitió al equipo de Macip identificar una mutación en el gen BRAF que suele ser encontrada en los cánceres de piel. A partir de aquí, y teniendo en cuenta que el Vemurafenib ha demostrado tener éxito como inhibidor de una enzima codificada por una mutación del gen BRAF asociada a ciertos melanomas, los investigadores optaron por usar este medicamento contra las células cancerosas.

Al paciente se le extrajeron muestras de sangre diarias para analizar los efectos del fármaco de la manera más precisa posible, y ver cómo exactamente actuaba éste.

El fármaco ejerció con éxito su acción y mató a las células cancerosas.

Éste es uno de los primeros ejemplos clínicos de tal tratamiento para el caso de la tricoleucemia. El equipo de Macip es el primero que ha hecho un estudio bioquímico de las muestras, descubriendo, entre otras cosas, que el perfil de conducta del medicamento en el escenario investigado no es tal como se asumía que era.

El trabajo pionero realizado por estos científicos hace pensar que los fármacos usados en la actualidad para tratar ciertos cánceres podrían ser aplicados en otros tumores malignos que comparten un trasfondo genético similar. Y también constituye un buen ejemplo de un concepto emergente al que se describe como "medicina de precisión", y que se basa, sobre todo en casos de vida o muerte, en escoger el tratamiento más adecuado guiándose no solo por la enfermedad que padece el paciente, sino también por la composición genética exacta de éste; es decir que el tratamiento se diseña para un individuo con una enfermedad, no para todos los individuos con ella.


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Se ha creado un dispositivo, calificable como batería en algunos aspectos y como célula de combustible en otros, que funciona con azúcar y que posee una notable densidad de energía (la cantidad de energía que puede ser almacenada para un peso dado de la batería). Esto abre las puertas hacia una posible revolución futura en las pilas eléctricas, donde muchas de las hoy más comúnmente usadas se podrían reemplazar por baterías reutilizables más baratas e incluso biodegradables.

Esta llamativa innovación es obra del equipo de Y.H. Percival Zhang, del Instituto Politécnico de Virginia (Virginia Tech) en Blacksburg, Estados Unidos.

Aunque se han desarrollado otras baterías de azúcar, la creada por el equipo de Zhang tiene una densidad de energía un orden de magnitud superior a las otras, permitiendo que funcione más tiempo antes de que necesite ser rellenada.

Dentro de como mucho tres años, la nueva batería de Zhang podría estar alimentando algunos de los teléfonos móviles, tabletas, consolas de videojuegos, y demás aparatos electrónicos portátiles que requieren energía en nuestro mundo tan necesitado de ella.

El azúcar es el compuesto de almacenamiento de energía perfecto en la naturaleza, tal como subraya Zhang. Así que es lógico intentar aprovechar este potencial natural para producir una batería en una forma respetuosa con el medio ambiente.

Sólo en Estados Unidos, se desechan miles de millones de baterías tóxicas cada año, amenazando tanto al medio ambiente como a la salud humana, según la Agencia estadounidense de Protección Ambiental (EPA). El desarrollo de Zhang podría evitar que miles de toneladas de baterías acaben arrojadas en vertederos.

Éste es uno de los muchos éxitos de Zhang basados en usar una serie de enzimas mezcladas entre sí formando combinaciones que no existen en la naturaleza. Entre las ideas innovadoras de Zhang, destaca un método para extraer hidrógeno de una forma económica y respetuosa para el medio ambiente, que puede utilizarse para energizar vehículos.

En su trabajo más reciente, Zhang y sus colegas crearon una vía enzimática sintética, sin parangón en la naturaleza, que se aprovecha de los potenciales electroquímicos del azúcar para generar electricidad en una célula de combustible enzimática. Se emplean enzimas biocatalizadoras de bajo coste como catalizadores, en vez del costoso platino, que se emplea habitualmente en las baterías convencionales.

Como todas las células de combustible, la batería de azúcar combina combustible (en este caso maltodextrina, un polisacárido obtenido a partir de la hidrólisis parcial del almidón) con aire para generar electricidad, así como agua como subproducto principal.

A diferencia de las células de combustible de hidrógeno y de las células de combustible de metanol directo, el uso de este azúcar no entraña riesgo alguno de explosión o de fuego de por sí, y además posee una mayor densidad de energía. Las enzimas y los combustibles utilizados en el dispositivo son biodegradables.

La batería se puede también rellenar y es posible añadirle azúcar en una operación no muy distinta a la de rellenar con tinta un cartucho de impresora.


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