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Observando átomos con Criomicroscopía electrónica

¡Ya tenemos las primeras fotos 📸 de átomos⚛ obtenidas con criomicroscopía electrónica🔬! Esto puede significar la siguiente gran revolución en la biología ¿Porqué? 🤔 

[Foto: Paul Emsley/MRC Laboratory of Molecular Biology]

La biología estructural se dedica a estudiar la distribución de los átomos dentro de las moléculas que participan en los procesos biológicos, así como los cambios conformacionales que sufren cuando interaccionan con otras moléculas o con diferentes copias de ellas mismas. Esto es fundamental para entender cómo funcionan las células.

El primer gran hito de la biología estructural sucedió en 1951 cuando Linus Pauling publicó un modelo teórico de la hélice alfa de las proteínas, soportado en mucha imaginación y algunos datos empíricos (él mismo narró que la estructura vino a su mente mientras hacía papiroflexia). La hélice alfa es uno de los motivos de estructura secundaria más común en las proteínas y en ella los aminoácidos de la cadena polipeptídica se acomodan en forma de una “espiral escalonada” soportada por los puentes de hidrógeno formados entre un grupo carbonilo y un grupo amino del esqueleto polipeptídico.

 

[Imagen hélice alfa 3Dciencia.com]

Inspirados en el trabajo de Pauling sobre hélices, Watson y Crick utilizaron el trabajo de Rosalind Franklin para proponer el modelo de la doble hélice del ADN. El descubrimiento de esta estructura 🧬 revolucionó la Biología 🌿 e hizo posible entender cómo se transmiten los genes de una célula a otra. 

 

[Rosalind Franklin y su fotografía del DNA. Este año celebramos 100 años del nacimiento de esta extraordinaria científica]

Poco tiempo después (1959) vino otra gran revolución en la Biología: se obtuvo por primera vez la estructura terciaria de una proteína. Las proteínas realizan casi todos los procesos biológicos y conocerlas a detalle ha significado comprender a detalle la vida (al menos en el sentido de los mecanismos moleculares que la hacen posible).

[Modelo de Max Perutz de la hemoglobina]

Obtener las “fotos” de la hemoglobina no fue tan fácil. Estas fotos se las debemos a una técnica llamada difracción de rayos X. ¡Con ella hemos observado componentes del átomo! Pero esta técnica tiene un problema: se necesita obtener un cristal de la macromolécula para obtener un patrón de difracción que nos revele información de la estructura. 

 

¿Y qué es un cristal? Un cristal es un arreglo molecular con un patrón que se replica en las tres dimensiones. Por ejemplo, en la sal común, los iones de cloro y de sodio están distribuidos de forma ordenada y regular como las losas en un mosaico tridimensional.

 

[© Thinkstock]

Un cristal de proteína debe conseguir el mismo ordenamiento pero con moléculas que son tres órdenes de magnitud más grandes que la sal, que tienen una forma mucho más irregular y cuyos enlaces poseen vibraciones y rotaciones que confieren a la molécula de mucha más movilidad. Encontrar las condiciones para obtenerlo puede tomar meses e incluso años.

 

[Foto: ScienceDirect]

Las “fotos” obtenida por la difracción de rayos X es la interpretación que hacemos del patrón de luz y sombras generado cuando los rayos X pasan a través del cristal. Esta técnica se ha usado para obtener el 89% de las estructuras que conocemos hasta ahora y depositadas en el Banco de Proteínas (Protein Data Bank). La otra técnica más utilizada hasta ahora para obtener estructuras de proteínas es la Resonancia Magnética Nuclear, pero esa es otra historia y será contada en otra ocasión.

 

[Protein Data Bank]

Pero en 1997 se resolvió por primera vez la estructura de una proteína por una técnica nueva: Criomicroscopía Electrónica (Cryo-EM). En esta técnica no hace falta tener un cristal de proteína. La muestra se congela con nitrógeno líquido y se bombardea con electrones. Después se registra el choque de cada electrón en un sensor al rebotar en la muestra. Así como los murciélagos usan ondas de sonido para conocer el mundo, los electrones permiten reconstruir una imagen 2D de una molécula. Tomar varias “fotos” de la molécula en diferentes posiciones permite construir una imagen 3D.

 

[Imagen ©Askabiologist]

La mayor limitación de Cryo-EM era la resolución de la imagen formada, es decir, la capacidad de obtener la señal que proviene de la molécula y reducir la de los alrededores. Y también descartar la información de la molécula cuando es dañada por los electrones. La calidad de la foto de Cryo-EM depende de la información que podamos deducir de la trayectoria de cada electrón a partir de su choque contra el detector. Por eso es importante controlar hacia donde apuntamos los electrones y estar seguros que los choques que detectamos no dañaron la molécula. La dirección hacia la que la lente del microscopio redirige los electrones depende de la velocidad a la que los disparamos. Si lanzamos los electrones a la misma velocidad tendremos mayor seguridad de que son lanzados a la misma dirección que si los lanzamos con diferentes velocidades. Un ajuste importante para poder ver los átomos con Cryo-EM fue controlar con mayor exactitud la velocidad de los electrones pasando por la lente. Por otro lado, cuando un electrón daña una molécula cambia su velocidad, así que otro avance que nos ha permitido ver átomos, es evitar que los electrones con velocidad diferente a la original lleguen al detector.

[Foto: http://myscope.com]

Al conseguir observar átomos con Cryo-EM, se abren muchas posibilidades para estudiar moléculas dentro de la célula. Esta técnica nos ayudará a conocer con detalles el funcionamiento de las proteínas en un contexto celular: su interacción in situ con otras moléculas que le permiten llevar a cabo su función biológica, la organización supramolecular de la maquinaria celular y especialmente, los mecanismos que provocan estados patológicos, lo que llevará la medicina molecular a otro nivel.

Por ejemplo, la obtención por difracción de rayos X y por Cryo-EM de diferentes coformaciones de la estructura de la proteína que usa el SARS-CoV-2 para infectar las células, la Spike protein, está permitiendo la búsqueda racional de fármacos para combatir la enfermedad COVID-19. Ahora que se ha llegado a resolución atómica con Cryo-EM podremos obtener por ejemplo fotos atomísticas del virus completo infectando la célula.

[Foto: ©Science]

por Dra. Andrea Quezada y Dr. Rodrigo Arreola

Referencias:

https://doi.org/10.1101/2020.05.21.106740

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.05.21.106740v1

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01658-1

¿Qué son los virus? Parte I

Conocemos a los virus porque son agentes que causan enfermedades, por ejemplo el sarampión, la rabia, la hepatitis y la gripe. Pero estos agentes son diferentes de las bacterias ó de parásitos como las amibas o la solitaria que también causan enfermedades.

Los virus son entes microscópicos capaces de infectar a las células y secuestrar su maquinaria molecular. Dentro de ellas, se replican y se ensamblan produciendo así partículas virales, llamadas viriones

*Usamos el término virus para referirnos a éstos agentes microscópicos en general

y el término virión para referirnos a la partícula ensamblada del virus*

La mayoría son tan pequeños que no los podemos ver ni con microscopios ópticos. Son incluso, más pequeños que las bacterias.

Tamaño comparativo de un glóbulo rojo (eritrocito), una bacteria (Escherichia coli)

y un virus (Adenovirus)

Tienen formas y tamaños muy variados. Algunos son geométricos y regulares como los adenovirus que tienen forma de icosaedro (como un dado de 20 caras) y llegan a medir entre 90-100 nm. Otros tienen estructuras más complejas como el fago lambda que tiene una cabeza de unos 50 x 100 nm y una cola larga que llega a medir hasta 150 nm, además de fibras de la cola y otras estructuras; dichas partes juegan un papel importante en la manera en que introducen su material genético a la célula. Otros virus como el del ébola son alargados y tienen forma de bastón, llegan a medir 80 nm de ancho y hasta 14000 nm de largo.

Diferentes formas, estructuras y tamaños de los virus. El Bacteriófago lambda que infecta bacterias, los adenovirus que causan enfermedades respiratorias, el VIH causante de la enfermedad del SIDA y el virus del ébola.

Química y estructuralmente hablando, los virus son muy simples en comparación con una célula. Están formados por una cápside, que es una caja hecha de proteínas que se repiten como bloques de lego llamados capsómeros. Dentro de la cápside contienen ácidos nucleicos (material genético), es decir ARN o ADN. Algunos virus, además de la cápside tienen una cubierta de fosfolípidos, es decir, un pedacito de membrana celular que obtuvieron al salir de la célula que infectaron. A estos virus se les llama virus envueltos y a los que no la tienen, virus desnudos.

Estructura de los virus. Los virus están formados por una cápside de proteínas y dentro su material genético; pueden tener o no una envoltura que toman de las células que infectan

Aunque los virus están formados de moléculas que encontramos en los seres vivos: proteínas y ácidos nucleicos (y en unos casos fosfolípidos), fuera de la célula son partículas completamente inertes. No tienen metabolismo propio, no pueden reproducirse y no pueden responder a estímulos; sin embargo, es esta composición química justo lo que permite que los virus sean capaces de invadir todo tipo de células: células animales, de plantas, de hongos, de protozoarios, e incluso bacterias.

Ciclo de Infección de una célula del sistema inmune (CD4) por el VIH (Virus causante del SIDA)

Cuando los virus infectan una célula, utilizan el mismo mecanismo con el que ésta procesa la información. En todos los seres vivos, la información genética se encuentra codificada en el ADN (de doble cadena), posteriormente el mensaje en el ADN se transcribe a un tipo particular de ARN llamado ARN mensajero, que después se traduce en proteínas. En el caso de los virus, su información puede estar contenida de diferentes maneras, pero requieren de la síntesis de un ARN mensajero.

Hay virus que tienen ADN que puede ser de cadena sencilla (ssDNA) o de doble cadena (dsDNA), a partir del cual se sintetiza el ARN mensajero. Hay otros virus cuyo genoma está codificado en ARN que también puede ser de cadena sencilla (ssRNA) o de doble cadena (dsRNA). Hay casos en el que el ARN es positivo (RNA+), es decir que ya es un ARN tipo mensajero que puede ser directamente traducido a proteína; otros cuya hebra de ARN es negativa (RNA-), por lo que primero requiere que se sintetice la hebra contraria la cual actuará como el mensajero. Y existen otros virus que tienen ARN pero debe primero transcribirse a ADN (ssRNA RT) y a partir del ADN transcribirse el mensajero que posteriormente se traducirá; estos virus se llaman retrovirus; el proceso de sintetizar ADN a partir de ARN se llama transcripción reversa y la proteína que lo lleva a cabo se llama retrotranscriptasa. Un ejemplo muy conocido de retrovirus es el virus del SIDA. Finalmente, hay virus cuyo genoma es de ADN de doble cadena, pero la síntesis  del ADN viral requiere un intermediario de ARN mensajero (dsDNA RT), entonces, su genoma se sintetiza por retrotranscripción.

Clasificación de los virus de acuerdo a su tipo de Genoma. A partir de éste debe sintetizarse un mensajero, el cual se traduce en las proteínas del virus.

Las diferentes formas, tamaños y mecanismos mediante los cuales los virus se replican, dependen de la información que esté codificada en su material genético. Por ejemplo, los adenovirus tienen codificado en su doble hebra de ADN la secuencia de cada una de las 25 proteínas que forman su cápside, que después de traducirse se ensamblarán en repetidos y forman la estructura icosaédrica, además tienen la secuencia que codifica una polimerasa y otras proteínas que le ayudan a ensamblarse. De igual modo, el bacteriófago lambda tiene genes de su cabeza, cola y las fibras de su cola, y proteínas que le ayudan a proteger su ADN cuando ingresa a la célula. El virus del SIDA como otros retrovirus codifican también su propia retrotranscriptasa.

En resumen:

Los virus son información genética (genes y otras secuencias) codificada en ácidos nucleicos (ADN ó ARN) contenida en una estructura de proteínas (cápside). Esta información (a grandes rasgos) es el mapa de las proteínas del virus. A partir de ella se sintetizan y ensamblen más partículas virales (viriones).

¿Porqué pueden causar enfermedades?

Los virus son capaces de infectar células, secuestrarlas y convertirlas en fábricas de virus. Las células pierden su función y finalmente se revientan, mueren y liberan viriones capaces de repetir el ciclo una y otra vez

Por ejemplo, el caso del VIH (Virus de la Inmunodeficiencia Humana) se pega a los receptores de membrana de unas células específicas del sistema inmune, las secuestra y las destruye, debilitando el sistema inmune de la persona infectada y causando el Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida o SIDA.

Las características de los virus están dadas en función de la información que tengan codificada en sus genomas, y estos al igual que los de los seres vivos están sujetos a modificaciones y evolución

Constantemente surgen nuevos virus o descubrimos virus que hacen cosas que no sabíamos y que no mencionamos aquí, pero abordaremos en otro post.

¿Que es la vida?

“¿Qué es la vida? Un frenesí.
¿Qué es la vida? Una ilusión,
una sombra, una ficción;
y el mayor bien es pequeño;
que toda la vida es sueño,
y los sueños, sueños son.”

Pedro Calderón de la Barca

La vida es un acople de materia y energía muy particular, un proceso en marcha surgido aproximadamente hace 3 600 millones de años. Ha sido un evento cuya posibilidad de ocurrencia resulta altamente improbable; tan es así, que hoy todas las formas de vida que conocemos descienden de un mismo ancestro único.

Los seres vivos estamos hechos con los mismos componentes que el resto de las cosas que nos rodean, es decir átomos. En los seres vivos, esos átomos están configurados en moléculas, que por ser difíciles de encontrar en un contexto distinto han sido llamadas biomoléculas (carbohidratos, lípidos, nucleótidos, aminoácidos). Un ser vivo es aquel que puede sintetizar biomoléculas de una forma particular, común en todos los seres vivos, a la que llamamos metabolismo.

El metabolismo es una sucesión de reacciones en las que se rompen moléculas y la energía de sus enlaces se invierte en construir, transportar y ensamblar todo lo que permite que el organismo responda al entorno. La paradoja de la vida es que el metabolismo es ejecutado por otras biomoléculas, pues es de lo que están hechas las células, y es al interior de las mismas que el metabolismo se lleva a cabo. Las células son las unidades anatómicas y funcionales de los seres vivos.

Lo interesante y único de esto, es que toda la información para generar la maquinaria que permite esa sucesión de reacciones, está contenida en una molécula al interior de las células, el ADN (ácido desoxirribonucleico). El ADN es una cadena doble formada por 4 nucleótidos: Adenina, Timina, Guanina y Citosina; la  secuencia con la que estas se alternan constituye un código universal para todos los seres visos, al cual llamamos código genético.

El código genético contiene la información que lleva a formar un ser vivo y una vez conformado, tiene las instrucciones que le permiten responder al ambiente y mantenerse vivo. Se puede decir que el ADN funciona como un plano de construcción y manual de reparación. Como la vida no surge al nacer un nuevo individuo, si no que se transmite de célula en célula, el ADN debe copiarse y repartirse a las células descendientes (derivado de esto, propiedades de los seres vivos como la variabilidad genética y la evolución tienen explicación).

La maquinaria principal con la que las células realizan sus funciones son las proteínas. Lo que contiene el código genético son las instrucciones que dictan la secuencia de aminoácidos que forma cada proteína. Es mediante ellas que incorporan, transforman, transportan y descomponen a los demás componentes del sistema vivo y de esa forma mantienen un equilibrio dinámico de los componentes en su interior (la temperatura, el pH, el contenido de agua, la concentración de iones y nutrientes, etc). Así mismo, esto les permite detectar y reaccionar a las condiciones del medio ambiente y reproducirse. Toda la energía se utiliza para estos fines, mantener el medio interno en balance, responder al medio externo y reproducirse.

Un sistema fuertemente organizado, como lo es aún el más simple de los seres vivos, se logra porque existe una fuente de energía lo suficientemente grande que subsidia el costo de ese ordenamiento. Para el caso de la vida en la tierra el subsidiario es el sol.

En el sol ocurren reacciones termonucleares que fusionan toneladas de átomos de hidrógeno en helio, con lo cual se liberan grandes cantidades de energía. Una pequeña parte de esta llega a la Tierra, donde es tomada e incorporada por los seres vivos en moléculas que la almacenan en sus enlaces. Lo que los seres vivos hacen es ir jugando con esas moléculas, rompiendo sus enlaces e incorporando la energía en otras moléculas o utilizándola en moverse o mover cosas en su interior.

La energía proviene del sol. una porción de ella llega a la tierra donde es captada por las plantas, quienes con ella toman carbono y oxígeno, forman carbohidratos. Otros organismos se alimentan de ellos, rompen los carbohidratos, liberan la energía de sus enlaces y lo emplean en las funciones vitales (esquema elaborado por Francisco Cuéllar Pérez y Diana Ibarra Morales)

El conjunto de teorías que la explican cómo surgió y cómo funcionan los seres en los que se manifiesta, constituyen la base de la biología moderna; todos los fenómenos que aborda descansan en cuatro postulados fundamentales: la teoría celular, la teoría de la herencia y variabilidad genética, la teoría de la evolución por selección natural y la teoría del homeostasis. Se considera un ser vivo aquella entidad en la que estos cuatro postulados se cumplen.

Dr. Francisco Cuéllar Pérez (Pacupe)

Algunos fenómenos con Luz: Fluorescencia, Fosforescencia y Bioluminiscencia

Sin entrar demasiado en detalle ya que no es el tema de este post, les comentaré que la luz, a grandes rasgos, es un tipo de radiación que se propaga en forma de ondas, y comúnmente medimos la longitud de esas ondas en nanómetros (nm). ¡Un nm es igual a 0.000000001 metros!

A la luz que el ojo humano es capaz de ver, le llamamos “luz visible” y va de 400 a 700 nm (la luz ultravioleta e infrarroja es invisible al ojo humano). Este es un esquema del espectro de la luz:

Como vemos en el esquema, la luz de menor longitud de onda (ondas más cortas), tiene más energía y la luz de mayor longitud de onda (ondas más anchas) tiene menor energía. Así la luz azul (por ejemplo de un LÁSER) es de mayor energía que la verde, la verde que la amarilla y así sucesivamente.

Ahora bien, existen sustancias que emiten luz cuando son expuestas a ciertas longitudes de onda. A este fenómeno se le llama fluorescencia.

Esto ocurre por que cuando estas sustancias absorben la luz, sus electrones se excitan y suben a niveles de energía mayores, posteriormente los electrones regresan a su nivel basal pero liberan un fotón de menor energía al que absorbieron. Por lo tanto, la luz emitida es de una longitud mayor que la luz inicial. Es decir, de un color que se encuentra más arriba en el espectro de la luz.

En el ejemplo que vemos en el esquema, la sustancia fluorescente emitirá luz verde cuando es estimulada con luz azul.

Podemos ver este fenómeno de fluorescencia con los letreros que al ser iluminados con lámparas de luz UV (luz negra) brillan, también podemos ver que nuestra ropa blanca brilla al ser iluminada con este tipo de luz (esto se debe a las sustancias con fósforo que contienen los detergentes). También existen organismos vivos que presentan el fenómeno de fluorescencia.

Existe otro fenómeno muy parecido que no debemos confundir: la fosforescencia.

Cómo se puede apreciar en la figura, la fosforescencia tiene básicamente el mismo principio que la fluorescencia, pero la diferencia muy importante es que las sustancias fosforescentes son capaces de almacenar la energía y siguen emitiendo luz por mucho más tiempo aún cuando ya no están siendo estimuladas. Esto es por que el proceso en el que los electrones regresan a su estado basal es mucho más lento que en la fluorescencia.

Ejemplos de este fenómeno son los juguetitos que brillan en la oscuridad y también las manecillas de los relojes que brillan en color verde. Para que brillen más, es necesario exponerlos a la luz un rato para que se “carguen”, pero cuando apagamos la luz, siguen brillando. Cuando la luz está encendida, de hecho también brillan, sólo que la luz que emiten es muy poquita y no la vemos porque se pierde con el resto de la luz.

Igual que en el caso de la fluorescencia, también existen organismos vivos con esta propiedad.

Finalmente, les hablaré de otro fenómeno con luz que ocurre en algunos seres vivos, por lo mismo se le llama bioluminiscencia.

En este caso, la luz se produce por la reacción química de una sustancia llamada luciferina con el oxígeno y energía, gracias a la ayuda de una enzima llamada luciferasa. El ejemplo más común de este fenómeno ocurre en las luciérnagas.

Este proceso no es tan simple como parece, y también están involucrados electrones que se excitan y aumentan su energía. Además, en los diferentes organismos existen diferentes tipos de luciferinas, que dependiendo de su estructura emiten luz a diferentes longitudes de onda, es decir diferentes colores (¿van agarrando la onda?). Los colores más comunes van del azul al verde, amarillento, y en algunos casos tonalidades rojizas.

Es importante comentarles que el sistema luciferina-luciferasa también es utilizado en el laboratorio, ya que con estas sustancias puras se puede llevar la reacción a cabo en un tubo de ensaye, y las aplicaciones de este sistema son muy variadas.

Existen muchos organismos que emiten luz, y varios de ellos combinan más de uno de estos fenómenos, pero ya veremos más sobre ello en las siguientes entradas.

¡Hasta la próxima!

Por: Lilianha Domínguez Malfavón

Un punto de vista sobre la ciencia

En “Ciencillamente hablando” pretendemos hablar de ciencia. Muy bien, pero ¿por qué hablar de ciencia? Bueno la respuesta a esta pregunta es simple. Porque me gusta. Y ya que es así espero poder trasmitir el gusto que siento por ella. No pretendo contagiarlos, aunque siendo honesto, me gustaría. Lo que si persigo es aportar mi punto de vista con respecto a ella. Que no la veamos como un conjunto de hechos inconexos surgidos de la calenturienta e incomprensible mentalidad de personajes acartonados que vivieron hace mucho tiempo.

La ciencia como yo la entiendo es un proceso que va mucho más allá de la receta que llamamos “método científico”. Es tener preguntas y buscarles respuesta. Es la búsqueda de conocimiento basado en la observación y la experimentación, o como lo dice muy bien el Dr. Marcelino Cereijido “sin apelar a dogmas, milagros, revelaciones ni el principio de autoridad”.

Me gusta porque es un camino para tratar de entender la realidad, y mientras se recorre, se genera conocimiento. Me podrán preguntar ¿Acaso no existen otras formas de explicar la realidad? Sí, Efectivamente existen otras. Están la filosofía, el arte e incluso la religión. No pretendo juzgar estas manifestaciones. La razón por la que elegí la ciencia es porque el conocimiento generado a través de ella no es una interpretación subjetiva ni pretende ser la verdad absoluta, sino la explicación más probable con base en lo que hasta el momento se sabe. A medida que aumenta el conocimiento los descubrimientos anteriores pueden reinterpretarse y construir un nuevo modelo.

Así pues un científico es un personaje como cualquier otro, pero con una mente inquieta. Ahora bien, la diferencia entre un científico brillante y uno común es el equilibrio entre la originalidad de la pregunta y el ingenio para darle respuesta. Como originalidad me refiero a cuestionarse las cosas que muchos han visto y pasado por alto, o imaginar cosas probables y ver si de hecho existen. En cuanto a ingenio me refiero a la habilidad para plantear experimentos y definir variables. Y por supuesto también está la pasión.

En fin, todo esto fue con la finalidad de presentarme, que conozcan un poco mi manera de pensar y comunicar el enfoque que trataré de compartir con ustedes. Las cosas de las que les hablaré estarán vistas desde esta óptica. Respuestas obtenidas a partir de preguntas originales, observación y experimentos ingeniosos. Es decir, del proceso de generación del conocimiento. O lo que es lo mismo, les hablaré de ciencia.