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Cuando las proteínas son robots

Pirofosfatasa inorgánica. Una de las proteínas analizadas en el estudio. | Imagen: Wikimedia Commons

Pirofosfatasa inorgánica, una de las proteínas analizadas en el estudio. | Imagen: Wikimedia Commons

Las proteínas son moléculas que intervienen en la mayoría de los procesos biológicos que tienen lugar en los organismos vivos. En muchos casos es necesario que cambien de forma, que se muevan, para llevar a cabo muchas de sus funciones. Todos los métodos disponibles hasta ahora para analizar estos movimientos son sumamente caros: se necesitan superordenadores y muchas horas de cálculos. El Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao ha desarrollado ahora un nuevo método más rápido y preciso basado en la semejanza de los movimientos de robots y proteínas.

Actualmente, el estudio de las proteínas es una de las áreas científicas más activos. Cada vez se incorporan más disciplinas al estudio de la naturaleza y estructura de estas moléculas. Además de la química, la física, la biología, las matemáticas y ahora la ingeniería han encontrado aplicación en este estudio. Gracias a la cooperación del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y CIC bioGUNE, centro de investigación en biociencias, en esta ocasión se han obtenido resultados interesantes: los ingenieros han desarrollado un software capaz de analizar el movimiento de las proteínas más rápido y barato que los programas empleados anteriormente.

Algunas proteínas son estáticas. Son, digamos, los ladrillos que que forman la base estructural de tejidos. Otras, en cambio, trabajan en movimiento, son dinámicas e intervienen en la funcionalidad de las células. La cristalografía de rayos X o la resonancia magnética nuclear son los métodos empleados para analizar las estructuras estáticas. Pero estos métodos no sirven para el estudio de la dinámica de las proteínas, que requieren métodos analíticos y numéricos lo que se traduce en simulaciones por ordenador. Para ello se necesitan superordenadores, y realizar todos los cálculos conlleva días o incluso meses.

La dificultad estriba en la naturaleza del movimiento de las proteínas. Para hacernos una idea, las estructuras de las proteínas poseen una capacidad de movimiento similar a la de un brazo. Pero, mientras el brazo tiene tres articulaciones, las proteínas pueden llegar a tener cientos o miles de ellas, y eso es lo que hace extremadamente compleja la simulación. El grupo de investigación COMPMECH, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao, ha desarrollado un programa que simplifica el procedimiento. Han observado que el movimiento de las proteínas se asemeja al de un robot, sobre todo al tipo de robot que se emplea en las cadenas de montaje. Precisamente, el grupo de investigación COMPMECH posee gran experiencia en el estudio y simulación de esos mecanismos y ha aplicado los teoremas y algoritmos que usa en ingeniería robótica. Para llevar a cabo el proyecto, los ingenieros han contado con la ayuda de Luis-Alfonso Martínez Cruz, jefe del laboratorio de cristalografía de rayos X del CIC bioGUNE. El objetivo ha sido simular el movimiento de las proteínas con el menor coste computacional posible. Han trabajado con cuatro proteínas para las que han realizado dos tipos de cálculos. Por una parte, cómo se mueven las proteínas mientras cumplen sus funciones, y, por otra, cómo llegan a su estructura tridimensional característica, ya que es esta estructura propia de cada proteína la que le confiere sus propiedades funcionales y a la que se llega por un plegamiento complejo de secuencias de aminoácidos lineales.

El hecho de haber simplificado el método para analizar el movimiento de las proteínas facilitará el trabajo de los investigadores. Por ejemplo, tras observar mediante una simulación cuánto se expande o contrae una proteína al interaccionar con una determinada molécula, se puede saber qué otros compuestos tienen la geometría adecuada para producir la misma interacción. Así, se podrían encontrar nuevos compuestos que en esa interacción bloqueen la proteína, evitando con ello que ejecute su función, como hacen algunos medicamentos. Un mejor conocimiento de la dinámica de las proteínas permitirá conocer con mayor detalle los procesos biológicos en general y desarrollo de ciertas enfermedades como el cáncer o el alzhéimer.

Referencia:

Mikel Diez, Víctor Petuya, Luis Alfonso Martínez-Cruz, Alfonso Hernández (2011) A biokinematic approach for the computational simulation of proteins molecular mechanism. Mechanism and Machine Theory DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2011.07.013

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa


Comunicar la ciencia a la sociedad: el reto de Europa

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Según la tesis de la doctora Claudia Loaiza Escutia, realizada en el Departamento de Lógica y Filosofía de la Ciencia de la Universidad del País Vasco, los y las científicas europeas tienen dificultades para conectar con el público y los periodistas. Las dificultades se deben, sobre todo, a la falta de apoyo institucional, las presiones laborales y la falta de una formación en comunicación.

El estudio de la doctora Claudia Loaiza es diferente a otros similares porque no solo incluye información cuantitativa sobre sus preferencias, compromisos, limitaciones e incentivos para interactuar con la sociedad, sino que recoge una abundante y rica selección de comentarios individuales expresados por los y las científicas cara a cara. “Otros estudios similares se basan en encuestas telefónicas o vía Internet”, explica Loaiza. “En cambio, yo he tenido la oportunidad de mantener entrevistas personales con todos mis entrevistados, y gracias a ello he podido recoger una información cualitativa que, de otra forma, se pierde”.

De hecho, Loaiza ha entrevistado personalmente a 112 científicos y científicas, miembros de cinco centros de investigación europeos dedicados al desarrollo del área de nanotecnología y ciencia de materiales. Los centros seleccionados son el Donostia International Physics Center (DIPC), de San Sebastián; el Fritz Haber Institute (FHI), de Berlín, Alemania; el Centre d’ Elaboration de Materiaux et d’Etudes Structurales (CEMES), de Toulouse, Francia; el Instituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati (ISMN), de Bologna, Italia; y el Centre for Materials Science and Engineering (CSME), de Edimburgo, Reino Unido. Asimismo, ha entrevistado a 9 responsables de prensa y comunicación pública de diferentes centros de investigación, tanto local como nacional, con objeto de conocer las dificultades y los avances logrados en materia de comunicación pública de la ciencia en estas oficinas durante los últimos cinco años.

Loaiza señala que solo la mitad del personal científico entrevistado participa en actividades de comunicación pública de la ciencia, “o no lo hacen regularmente”, puntualiza. De todas formas, hay excepciones: “En algunos países, como Alemania y el Reino Unido, existe una gran tradición de la actividad de puertas abiertas. Así, en el Fritz Haber Institute y el Centre for Materials Science and Engineering, más del 90% de los investigadores e investigadoras participa anualmente en dichas actividades”. Pero la participación es mucho más limitada en otros tipos de interacción con el público, como son las charlas, entrevistas con periodistas, publicaciones de artículos de divulgación… “Por ejemplo, en el instituto alemán antes mencionado, solo participa en ese tipo de iniciativas entre un 43 y un 24% de los investigadores, dependiendo del tipo de actividad”.

Es evidente que los centros que cuentan con gabinetes de prensa y expertos de comunicación tienen más medios para comunicar con eficacia a la sociedad la labor científica que los investigadores realizan en esos centros. Sin embargo, el estudio de Loaiza ha puesto de manifiesto que la dedicación de los expertos en comunicación es muy limitada: “De los cinco centros estudiados, tres contaban con un responsable de comunicación trabajando a tiempo parcial y con un presupuesto muy escaso”.

Por otra parte, Loaiza ha comprobado que muchos de los científicos se mostraban reticentes hacia los departamentos de comunicación, puesto que pensaban que desviaban recursos, “e, incluso, que su actividad podía dañar o modificar la líneas de investigación”. Aun así, la doctora Loaiza cree que esas actitudes están cambiando, gracias a la demanda social externa y a la propia necesidad de los científicos de dar a conocer su labor y ser tenidos en cuenta en los presupuestos públicos.

En opinión de Loaiza, el estudio es importante “para que los responsables de elaborar políticas tengan datos reales en los cuales apoyarse a la hora de decidir qué estrategias han de impulsar” para acercar la ciencia y la producción científica y tecnológica a la sociedad.

La tesis (en inglés) está disponible aquí en formato PDF.

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa


Cuando las algas rojas no pueden gestionar los radicales libres

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Según el investigador de la UPV/EHU Endika Quintano, un exceso de luminosidad podría estar detras de la disminución del alga roja Gelidium corneum a lo largo de la costa vizcaína. Durante los veranos del 2010 y 2011, el grupo Bentos Marino de la UPV/EHU ha analizado las muestras de poblaciones de algas de cinco zonas, y, además, ha medido la luminosidad y la temperatura de cada zona durante el verano. El grupo de investigación observó que las algas que mostraban más rasgos de estrés eran de zonas expuestas a más irradiación. Los resultados de la investigación se han publicado en la revista Jounal of Sea Research.

Gelidium corneum es un alga muy común en la costa vasca y una importante especie comercial como fuente de agar y agarosa de calidad bacteriológica. Crece a una profundidad de entre 3 y 15 metros, y a partir de septiembre se puede ver fuera del agua. Las tormentas rompen el alga, y ésta llega hasta las playas, formando así una alfombra roja. En algunas zonas de la costa, sobre todo en zonas de aguas trasparentes, los frondes del alga se han vuelto amarillentos y quebradizos, disminuyendo la densidad de plantas. 

Hay más días soleados durante el verano, fechas en las que el alga está expuesta a una mayor irradiación. No obstante, eso no tiene por qué ser perjudicial, ya que cuanto más luminosidad haya más crecerá el alga. Pero si la luminosidad sobrepasa la medida óptima el alga se inhibe. Tras escoger poblaciones de algas situadas a la misma profundidad en cinco zonas de la costa vizcaína (Kobarón, Górliz, Ogoño, Ea y Lequeitio), pudieron observar que las algas de aguas trasparentes están más estresadas. Las que están bajo la influencia de algún estuario, como en el caso de Górliz, se encuentran en mejor estado, ya que están expuestas a una menor irradiación gracias a las aguas turbias de la zona.

Los investigadores de la UPV/EHU emplearon ciertos parámetros bioquímicos para medir el estrés de las algas, y, tras examinar los resultados, encontraron una relación directa entre la cantidad de irradiación, la actividad antioxidante y el ratio C:N del alga.

El aumento de la irradiación incrementa la actividad fotosintética del alga, tal y como sucede en cualquier planta. Pero, a partir de ciertos niveles, los investigadores han podido comprobar que la actividad antioxidante disminuye. En principio, el aumento de la irradiación acarrea una mayor actividad antioxidante, ya que se trata del mecanismo que emplea el alga para gestionar los radicales libres de oxígeno generados al intensificar la fotosíntesis. Pero si la irradiación sobrepasa los límites, el alga se fatiga, no puede controlar los radicales libres y pasa a modo basal. Solo realiza las funciones necesarias para sobrevivir.

Por otra parte, existe otra razón para justificar que el exceso de irradiación disminuya la actividad antioxidante: la irradiación ultravioleta destruye directamente las enzimas con capacidad antioxidante. Pero los investigadores opinan que el exceso de irradiación podría tener otro problema añadido.

Normalmente, cuanto más se incrementa la cantidad de luz mayor es el ratio C:N; es decir, el porcentaje de nitrógeno del interior disminuye. Y es que el alga necesita más nutrientes (fuentes de nitrógeno) para aumentar la fotosíntesis, y durante el verano, en general, la cantidad de nutrientes escasea en el mar. Por tanto, si la irradiación es excesiva, el alga emplea las reservas que guarda en el interior para sobrevivir. Entre dichas reservas, hay unos pigmentos que tiñen de rojo el alga: las ficolipoproteínas.

Si estos pigmentos rojos escasean el alga se vuelve amarilla. Este proceso es similar al que ocurre en los árboles de hoja caduca en otoño: el árbol, con el fin de prepararse para el invierno, se apropia de las reservas acumuladas en las hojas, y, por consiguiente, éstas se vuelven amarillas. En el caso de las algas, no se trata de una adaptación anual, sino de una medida de protección que se activa en un momento dado, y podría ser uno de los síntomas de una situación de estrés. Si las condiciones empeorasen, el alga se volvería blanca y frágil.

Estos últimos años ha disminuido la cantidad de algas G. corneum en algunas zonas de la costa vasca. Tal y como se ha observado en otra investigación, el aumento de frecuencia de las tormentas y las olas grandes guarda relación con esa pérdida. Asimismo, la población tiene una apariencia más débil en zonas de aguas trasparentes, y, aunque la irradiación solar no disminuye directamente la cantidad de algas, puede hacer que el alga sea más sensible ante posibles amenazas y cambios.

Referencia:

Endika Quintano, Unai Ganzedo, Isabel Díeza, Félix L. Figueroa, José M. Gorostiaga (2013) Solar radiation (PAR and UVA) and water temperature in relation to biochemical performance of Gelidium corneum (Gelidiales, Rhodophyta) in subtidal bottoms off the Basque coast Journal of Sea Research (in press) DOI: 10.1016/j.seares.2013.05.008

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa


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