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Modelo predice crecimiento de bacterias para producir solvente

 
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ciencia

06 de mayo de 2015

Bogotá D. C., May. 06 de 2015 – Agencia de Noticias UN- Un modelo matemático predice el crecimiento de la bacteria clostridium en glicerol, con la cual se puede producir el solvente Propanodiol, de gran utilidad industrial.

Dicho modelo, obtenido por Luis Miguel Serrano, estudiante del Doctorado en Biotecnología de la U.N., es denominado análisis de balance de flujo dinámico (DFBA) y permite predecir el crecimiento del microorganismo, bajo diferentes condiciones, además de la cantidad de solvente que puede producir.

El propanodiol es de gran aplicación industrial para producir politrimetilen tereftalato (PTT), un polímero biodegradable útil en el campo cosmético, farmacéutico y para la producción de plástico.

El estudiante Serrano explicó que uno de los problemas que se presenta con la obtención de biodiesel es el aumento de la producción de glicerina. Por esta razón, su investigación se enfoca en el aprovechamiento de esta sustancia para generar compuestos con valor agregado.

Uno de estos compuestos es el 123 propanodiol, que se obtiene a través de la fermentación de la glicerina con un microorganismo llamadoclostridium, bacteria anaerobia (no crece en presencia de oxígeno) que puede ser patógena o productora de solventes. 

El grupo de investigación de Bioprocesos y Bioprospección de la U.N. ha venido trabajando desde años atrás en el tema, encontrando cepas promisorias y resultados desde el punto de vista de fermentación. Sin embargo, el desarrollo del modelo se ha logrado desde el subgrupo de Microorganismos Solventogénicos.

“La novedad de mi investigación consiste en el desarrollo de un modelo que considera el comportamiento intracelular, es decir que analiza cómo entra el sustrato (glicerol) y qué reacciones involucra para que se produzca el propanodiol”, explico el estudiante de doctorado.

Las cepas analizadas fueron aisladas de cultivos tradicionales como el arroz y el tomate, las cuales se caracterizan por su alta producción de solventes.

A partir de la reconstrucción del genoma del clostridium se logró establecer la red metabólica de escala genómica. Esto significa que a través de la secuenciación del genoma, se detectó la mayor cantidad de reacciones involucradas en el metabolismo de la bacteria para su crecimiento.

El genoma es empleado por el investigador con herramientas matemáticas que permiten simular el crecimiento del microorganismo. De esta manera, se puede predecir cómo va a crecer la bacteria si se cortan ciertas reacciones, es decir, si se altera el genoma y se silencia el gen asociado a la reacción, lo que genera una encima específica.

Según el estudiante, realizar este trabajo en laboratorio es muy dispendioso, pues se tendría que hacer una mutante por cada gen y la red metabólica está compuesta por 900 reacciones.

Con la simulación se da la posibilidad de cortar las reacciones (mutaciones) por medio de computador. Ello simplifica el trabajo de laboratorio, lo que permite predecir rápidamente las reacciones y evitar el ensayo y el error.

Mediante las predicciones se puede determinar el comportamiento del microorganismo bajo otros escenarios, como la eliminación de reacciones para mejorar la producción, o el comportamiento de la bacteria o cepa mutante al cultivarla en varias conexiones de glicerina, sustancia que ellas consumen.

EMPLEAN NANOTUBOS PARA DESCONTAMINAR EL AGUA

 
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nanotubospurificadores25 de agosto de 2014

Los nanotubos de haloisita (abreviados como NTHs) representan una gran posibilidad para la adsorción de distintas sustancias que contaminan el agua. Sus propiedades físicas y químicas, derivadas de su versatilidad estructural, generan una amplia gama de posibilidades en los campos de la catálisis heterogénea, en materiales biológicos y en distintos sistemas funcionales.

Se trata de nanotubos de origen natural: es un mineral de arcilla formado por la meteorización de distintos tipos de rocas (ígneas y no ígneas). La haloisita es un aluminosilicato conformado por una capa octaédrica de alúmina y otra tetraédrica de óxido de silicio perteneciente a la familia del caolín, que se enrollan para formar una estructura tubular hueca.

Los NTHs son extraídos de depósitos minerales y utilizados sin tratamiento. La longitud de los nanotubos es de una a 15 micras y tienen un diámetro interior de 10 a 30 nanómetros, y exterior de entre 50 y 70, según los depósitos de extracción. Las propiedades de su superficie externa son similares a las del dióxido de silicio, mientras que las del cilindro interior están asociadas con el óxido de aluminio.

Las superficies activas de estos materiales han sido utilizadas como adsorbente de colorantes, tales como violeta de metilo, rojo neutro, azul de metileno y verde de malaquita, entre otros.

Ésta es una de las principales líneas de investigación de Yolanda Marina Vargas Rodríguez, investigadora de la Facultad de Estudios Superiores (FES) Cuautitlán, corresponsable del Laboratorio 11 de la Unidad de Investigación Multidisciplinaria (UIM), donde se realizan estudios de adsorción de varias sustancias endocrino-disruptoras de soluciones acuosas, a partir de nanotubos de haloisita.

Para tratar aguas residuales

El enfoque de la investigación del laboratorio de nanomateriales y catálisis de la UIM tiene dos vertientes pues, según explicó Marina Vargas, los nanotubos de haloisita pueden ser utilizados directamente en la adsorción de sustancias dañinas en aguas residuales sin necesidad de procesarlas, es decir, de forma natural. Esto supone una acción viable para tratar aguas de empresas textiles antes de que sean arrojadas a los mantos acuíferos.

Pero al modificar los NTHs para estimular sus propiedades adsorbentes, a través de un tratamiento ácido-térmico (con ácidos minerales u orgánicos), se generan nuevos materiales que pueden ser utilizados como adsorbentes. En este punto la investigación ha logrado mayor rapidez de adsorción o catálisis para promover diversas reacciones, entre ellas, las de tipo Diels-Alder.

Debido a que la caracterización por sí sola representa el principal ángulo de esta línea de investigación, el equipo de trabajo desarrolló el libro “Caracterización de materiales, nanomateriales y catalizadores”, presentado recientemente.

En esa publicación se explican las distintas técnicas de caracterización (microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión, microscopía de fuerza atómica, difracción de rayos X y adsorción de nitrógeno), que han dado pie al desarrollo de los diversos usos que hoy se le pueden dar a los NTHs.

Usos industriales de los nanotubos de haloisita

Además de adsorber sustancias coloridas, los nanotubos de haloisita son capaces de atrapar una variedad de materiales y agentes activos como cobre, fármacos, polisacáridos y enzimas para formar nanocompositos, cuyas aplicaciones van dirigidas hacia sistemas de liberación prolongada, nuevos materiales plásticos y fotocalizadores.

El trabajo de la académica también destaca en el estudio de películas reforzadas con nanotubos; en este sentido colaboran al menos siete alumnos, además de un grupo de profesores dedicados a la química, e incluso, un estudiante de ingeniería bioquímica proveniente del Instituto Tecnológico de Acapulco, que realiza una estancia de investigación.

Además, se colabora con el Instituto de Física, el Instituto de Materiales y la propia Facultad de Química, lo cual ha resultado útil para la ciencia, con un potencial tan alto como lo hay en Alemania, Japón, China y Estados Unidos, países que se destacan por su propia aportación en el renglón de los nanotubos de haloisita.

Créditos: UNAM-DGCS-486-2014

PROMUEVEN EN LA UNAM BACTERIAS QUE FERTILIZAN LEGUMINOSAS Y OTRAS PLANTAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES

 
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biocombustibles2 de julio de 2014

Leguminosas ricas en proteínas, y no leguminosas, asociadas a bacterias que las fertilizan sin necesidad de utilizar productos químicos costosos y contaminantes, son estudiadas por Esperanza Martínez Romero, en el Centro de Ciencias Genómicas (CCG) de la UNAM.

En el campus Morelos de esta casa de estudios, donde por más de 30 años se ha estudiado y caracterizado a múltiples bacterias que fijan nitrógeno en las plantas para fertilizarlas, la doctora en investigación biomédica básica ha indagado la relación entre la bacteria Rhizobium y el huaje o guaje (Leucaena leucocephala), leguminosa casi en desuso pero con arraigo en la cocina tradicional mexicana, donde se come en el huaxmole (platillo tradicional de la cocina mixteca poblana).

“Utilizamos el huaje, un árbol maravilloso de rápido crecimiento que fija fácilmente 240 kilogramos de nitrógeno por hectárea al año, una fertilización considerable”, afirmó Martínez Romero.

Le llaman “planta que fertiliza” porque se puede asociar con otras especies y al tirar sus hojas nutre la tierra de manera notable. “Tiene hojas pequeñas que se degradan fácilmente y se incorporan al suelo como materia orgánica”, detalló.

Además de crecer rápido, desarrolla raíces profundas y se abastece de agua de los mantos freáticos, sin competir por el líquido de la superficie consumido por otros cultivos agrícolas.

Alternativa ecológica y sustentable

El uso de biofertilizantes es una alternativa ecológica y sustentable, pero la clave está en cómo hacer crecer esos cultivos.

“Visto desde lo económico, si uno añade fertilizantes químicos el proceso es poco o nada rentable, pues ese producto se lleva gran parte del costo de producción. Y desde lo ecológico, los biofertilizantes constituyen una alternativa limpia, que sustituye productos químicos, contaminantes y difíciles de degradar”, explicó.

Martínez Romero indicó que los avances en las ciencias genómicas han permitido descifrar los genomas de varias bacterias fijadoras de nitrógeno y utilizarlas con mayor eficiencia.

Durante sus pruebas en laboratorio e invernadero, identificó a las bacterias que promueven un mayor desarrollo del huaje. Encontró que mientras las plantas sin la bacteria crecen poco y son amarillas, las inoculadas con Rhizobium crecen grandes, verdes y con tallos fuertes que se vuelven troncos.

En su proyecto combina las mejores bacterias fijadoras con los huajes sin necesidad de transgénicos.

Nutre al ganado y al suelo

Actualmente, la universitaria y su equipo colaboran con la Fundación Produce de San Luis Potosí, donde se interesaron por utilizar al huaje para dotar de proteína a los pastizales con los que se alimenta al ganado.

“Todas las leguminosas que fijan nitrógeno tienen alto nivel de proteína, como el frijol, haba, lenteja y soya, pero han sido desplazadas en la alimentación moderna por carne roja y pollo, tanto en América como en Europa”, destacó la investigadora, quien recomendó consumir aquéllas por ser nutritivas y poseer propiedades anticancerígenas.

Martínez Romero también colabora en el análisis de biofertilizantes para impulsar cultivos que sirvan como biocombustibles. “Las plantas se pueden utilizar como biomasa, degradarse y producir etanol para mover vehículos, y las oleaginosas pueden producir aceites que sustituyan al diésel o la bioturbosina. Sin biofertilización estos procesos son menos redituables”, comentó.

Los biocombustibles a partir de plantas constituyen una alternativa para sustituir gasolinas o diésel. “Independientemente de cuándo se acabe el petróleo, pueden ayudar a que el crudo dure más tiempo y se use para lo más necesario, como los plásticos derivados que tienen muchas aplicaciones”, subrayó.

La investigadora fue invitada a un proyecto estatal para producir bioturbosina con una planta nativa del país y Centroamérica, el piñoncillo mexicano (Jatropha curcas), del que existen algunas variedades inocuas y otras tóxicas que pueden causar cáncer.

“De México y Mesoamérica se llevaron variedades de Jatropha a la India y África, donde las han sembrado durante 50 años con una producción exitosa, pero desafortunadamente son tóxicas. Ahora que en nuestro país se desea producir biocombustibles, es prioritario reglamentar el uso de las variedades y evitar que se importen y siembren las que contienen esas sustancias nocivas. Las inocuas son nativas y su uso ayudará a la preservación del germoplasma, riqueza de México”, finalizó.

Créditos: UNAM-DGCS-381-2014

LA BOCA, RESERVORIO DE GRAN VARIEDAD DE ENFERMEDADES

 
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labocaenfermaEn la boca se han encontrado cerca de 700 bacterias, sin incluir parásitos, virus y hongos, lo que probablemente convierte a esa cavidad en un reservorio de gran variedad de enfermedades. Un ejemplo son los Streptococcus mutans y Lactobacillus acidophilus, agentes etiológicos de la caries dental, cuyo resultado es la pérdida de piezas.

Por otro lado, streptococcus del grupo viridans, específicamente Streptococcus sanguis, es responsable del 80 por ciento de la endocarditis bacteriana subaguda, afirmó Ana María Fernández Presas, investigadora del Departamento de Microbiología y Parasitología de la Facultad de Medicina (FM) de la UNAM.

Si los pacientes que presentan problemas cardiacos no son tratados con antibióticos antes de cualquier procedimiento dental, el estreptococo pasa al torrente sanguíneo, se aloja en válvulas cardiacas y puede causar la muerte.

Hay bacterias que se han estudiado y se sabe que se relacionan estrechamente con la enfermedad periodontal. Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythensis y Treponema denticola participan en la progresión de la periodontitis crónica, abundó.

La piorrea (término utilizado en forma coloquial para describir la movilidad dentaria) o periodontitis crónica es más frecuente entre más edad se tiene, aunque ya empieza a afectar a sujetos de 30 años. Ahora, comentó la investigadora, de los 40 a los 60 años generalmente disminuye el problema de caries y aumenta la enfermedad periodontal, que favorece la pérdida de piezas.

Además de las 700 bacterias (el papel de la mayoría no está determinado), en la boca se encuentran parásitos como Entamoeba gingivalis y Trichomona tenax, pero se desconoce su probable participación en la periodontitis crónica, pues es difícil aislarlas por la presencia de bacterias.

Fernández Presas y una alumna tesista realizaron un primer acercamiento sobre la frecuencia de estos parásitos en personas con ese padecimiento. Encontraron que hasta el 26 por ciento tenía Entamoeba gingivalis y 17 por ciento Trichomonas tenax; en individuos sanos no se encontró ninguno.

Para determinar su frecuencia en aquellos con gingivitis, periodontitis crónica y sanos, se analizó a 50 estudiantes sanos de la Facultad de Odontología (FO), a 100 con diagnóstico de la segunda afección y a 70 con la primera, del posgrado de la misma entidad.

En la investigación, realizada en 2010, se observó que el parásito que “predominaba era Entamoeba gingivalis versus Trichomonas tenax”. Sin embargo, tres años después, en otro proyecto similar, sólo se encontró un caso con la primeray 26 por ciento con la segunda.

Aunque el resultado no se esperaba, “vamos a seguir con el estudio en diferentes poblaciones”, pues si bien Trichomona tenax aparentemente es un organismo inocuo, siempre que hay enfermedad periodontal está presente, junto con Entamoeba gingivalis.

La universitaria ha analizado algunas bacterias en colaboración con Rosario Morales –también de la FM– y ha detectado en boca Helicobacter pylori, agente responsable de gastritis y cáncer gástrico.

Todos los pacientes del Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias (INER) que participaron en el estudio (con gastritis y cáncer gástrico) presentaban H. pylori en la boca. Sin embargo, en sujetos sin antecedentes de gastritis (estudiantes de la FO), no se encontró.
Sobre el virus del papiloma humano (VPH), Fernández Presas, en colaboración con María Eugenia Manjarrez, jefa del Departamento de Virología del INER, también realizó una investigación en el Hospital Español.

El objetivo fue detectar VPH de alto y bajo riesgo en mujeres que presentaban el virus en cérvix; se tomaron muestras de ambas cavidades y se observó que las que tenían de alto riesgo en aquél, también lo tenían en la boca.

Al determinar factores de riesgo, “encontramos que 80 por ciento de las que practicaban sexo oral tenían el VPH tanto en boca como en cérvix”. En cambio, no se encontró una relación estrecha con alcoholismo y tabaquismo, fue “un porcentaje muy bajo”.

Debido al incremento de casos de cáncer de laringe, la meta siguiente de la universitaria será tomar muestras de cérvix, laringe y cavidad oral en pacientes con ese virus, para estudiar su ruta y corroborar si es la misma.

Mecanismo de defensa

Si bien es reservorio de enfermedades, la boca también tiene muchos mecanismos de defensa (saliva, mucosas, flujo salival, enzimas) como las que controlan el crecimiento indiscriminado de bacterias, parásitos, virus y hongos; si no los tuviéramos, en vez de un equilibrio perfecto entre flora oral y mecanismos de inmunidad y ataque, “tendríamos un desastre”.

La investigadora tiene un proyecto sobre histatinas en cavidad bucal para conocer cómo destruyen algunas bacterias. “Se sabe que matan, probablemente al dañar la pared celular, pero la descripción morfológica a nivel estructural no está descrito”.

Otro mecanismo importante es la capacidad amortiguadora, que protege de los cambios bruscos de pH. La saliva tiene un amortiguador a base de bicarbonatos que neutralizan la acidez de los refrescos de cola o evita que el pH ácido del jitomate desmineralice los dientes, ejemplificó.

Hay también una enzima que impide que el hongo Candida albicans se transforme de la fase levadura a la micelial, que es la patógena. “La boca es un oasis que tenemos que estudiar para entender cómo se mantiene esa integridad, ese equilibrio entre microorganismos y mecanismos de defensa”, concluyó.

Créditos: UNAM-DGCS-216-2014

EXPLICAN, DESDE LA FÍSICA DE LO COMPLEJO, LA RESISTENCIA DE LAS BACTERIAS A LOS ANTIBIÓTICOS

 
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bacteriasresistentesEntre una generación y otra, las bacterias generan mecanismos para defenderse de los antibióticos que los humanos han desarrollado para destruirlas y prevenir enfermedades.

Uno de ellos es la generación de minúsculas bombas que se anclan en la membrana y expulsan del interior celular al medicamento. Estos procesos, que se transmiten (o heredan) de la célula madre a las hijas, constituye un mecanismo de defensa que hace que las bacterias nazcan resistentes a los antibióticos.

“Ese mecanismo es como si dichos microorganismos vomitaran”, resumió Maximino Aldana González, investigador del Instituto de Ciencias Físicas (ICF) de la UNAM.

Estudioso de las propiedades dinámicas de los sistemas complejos, el doctor en física y secretario Académico del ICF ha llegado a estas conclusiones tras abordar, desde la física no lineal, los procesos biológicos que realizan las bacterias para sobrevivir ante la presencia de diversos tipos de fármacos.

En el campus Morelos de la UNAM, Aldana interpreta con ecuaciones, simulaciones y cómputo de alto rendimiento datos experimentales de grandes grupos de bacterias que le comparte un colega de la Universidad de Harvard.

Desde su singular abordaje, el físico ha encontrado el mecanismo desarrollado por el sistema de bacterias para defenderse y la forma en que lo replican sus descendientes, quienes parecen “aprender” la lección de lucha contra los fármacos.

Esos microorganismos se reproducen un millón de veces más rápido que los humanos y son sensibles a estímulos externos, por eso han ganado la batalla contra los medicamentos, al producir generaciones cada vez más resistentes.

Complejidad contra reduccionismo

Por años, la ciencia se basó en el paradigma reduccionista, al estudiar las partes de los sistemas con la esperanza de entender cómo funciona el sistema completo, recordó Aldana.

“El ejemplo que ilustra este paradigma y su fallo es el cerebro, del que se conocen a detalle muchos mecanismos de las neuronas, pero poco se sabe de su funcionamiento integral”, dijo.

El reduccionismo no resulta bien para los sistemas complejos y es insuficiente al poner mil millones de neuronas juntas para entender un sistema autónomo como el cerebral, capaz de generar el pensamiento abstracto y la creatividad.

“Esa forma de estudio que analiza las partes para entender el todo no ayuda a comprender los sistemas interconectados, por eso hoy el reduccionismo, que orientó buena parte de la ciencia en épocas pasadas, falla para entender sistemas compuestos de muchas partes que interactúan de forma complicada”, destacó.

En contraste con esa perspectiva, desde la segunda mitad del siglo XX se ha impulsado el estudio de los sistemas complejos, una rama de la física con herramientas para explicar fenómenos de la biología, la economía y la sociedad.

“Se caracterizan por buscar una descripción y explicación completa del sistema, no sólo de sus partes. Más que a lo complicado (que lo es), el concepto se refiere al parecido con un complejo industrial, integrado por muchas partes que interaccionan entre sí de una forma no lineal, en la que no podemos predecir cuál será el efecto de esa interacción”, apuntó.

Mientras en la linealidad una pequeña perturbación del sistema causa una leve transformación del resultado, que será del doble si la modificación inicial se duplica, en la complejidad una ligera perturbación puede generar un cambio gigantesco, como una célula que muta en su ADN, ejemplificó.

“Una solo cambio celular puede causar una enfermedad tan grave como la anemia falciforme, que impide a los humanos capturar el oxígeno y sobrevivir; pero en otros casos una o dos mutaciones pueden no ser significativas para el sistema en su conjunto”.

Otra característica de los sistemas complejos son los fenómenos emergentes, que no prevalecen en cada parte, sólo en el colectivo. “No hay inteligencia en una neurona, es una propiedad que surgió de todo el sistema cerebral y la podemos entender al estudiar el sistema completo”, recalcó.

Las propiedades emergentes explican fenómenos complejos como la vida o la enfermedad, que afectan a todo el sistema, insistió.

Bacterias que afectan en México

Desde la dinámica de los sistemas complejos, que son abiertos e interactúan con su entorno, del que reciben señales externas, Aldana aborda a las bacterias y su resistencia a los medicamentos. “Queremos entender sus propiedades estructurales y dinámicas, cómo responden a este estímulo externo de los fármacos”.

Entre sus logros, ha encontrado que heredan a sus descendientes información epigenética, es decir, características logradas durante el desarrollo, algo que los mamíferos y otras especies llamadas “superiores” no pueden hacer.

Con datos experimentales de 100 mil células bacterianas, el investigador del ICF simula estos comportamientos para analizar cuántos microorganismos sobreviven y cuántos mueren ante un ataque antibiótico.

“Son hasta mil veces más resistentes que las bacterias normales, ahora nos interesa iniciar estudios de la dinámica de las que más afectan a la población mexicana”, adelantó.

Para ello, se pretende iniciar un trabajo conjunto con el Instituto Nacional de Salud Pública, a fin de obtener datos experimentales que luego se puedan analizar en simulaciones.

Créditos: UNAM-DGCS-123-2014