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La despensa de África

En el post anterior El negocio del hambre hablé de las hambrunas periódicas en África, de la hipocresía occidental cuya ayuda alimentaria depende de sus intereses económicos coyunturales y di mi opinión sobre la capacidad de abastecer de alimentos a una creciente población global de una forma sostenible.

Enlazando con este último punto, voy a presentar una experiencia africana como ejemplo del potencial que todavía existe en cuanto a la obtención de nuevos recursos alimentarios, mediante una explotación respetuosa con el medio ambiente y generando beneficios a nivel local. Se trata de la domesticación de especies locales de frutales en varias zonas de África, con un éxito sin precedentes. Pero antes hagamos un poco de historia de la domesticación.

La domesticación en el Neolítico

Hace unos 10.000 años, de forma simultánea en diferentes partes del mundo, tribus de cazadores-recolectores se convirtieron en agricultores y ganaderos, dando lugar a la revolución del Neolítico. La razón por la que esto se produjo en nueve zonas concretas del mundo y no en otras es que en estas regiones habitaban gran número de especies animales y vegetales potencialmente domesticables. Por ejemplo, el Creciente Fértil del suroeste asiático es el lugar de origen del trigo, cebada, guisantes, ovejas, cabras, vacas y cerdos, lo que permitió a sus domesticadores convertirse en los primeros agricultores y ganaderos de la Historia, allá por el 8.500 a.C. El éxito de estas técnicas permitió la expansión de estas especies hacia el este y el oeste por razones climáticas, constituyendo la base de la dieta de las poblaciones de Eurasia hasta el descubrimiento de América. A partir de ese momento, se produjo un intercambio de alimentos entre continentes y en el caso de Eurasia, su dieta se enriqueció con las patatas, judías, tomates, pimientos, etc., manteniéndose así con muy pocas variaciones desde entonces.

800px Centres of origin and spread of agriculture.svg La despensa de África

Mapa de los centros de origen de la agricultura y su expansión: el Creciente Fértil hace 11.000 años, las cuencas del Yangtze y del Río Amarillo hace 9.000 años, las montañas de Nueva Guinea hace 9.000-6.000 años, centro de México, Norte de Sudamérica y África sub-Sahariana (localización exacta desconocida) hace 5.000-4.000 años, y este de Norteamérica hace 4.000-3.000 años. (Joey Roe para Wikimedia Commons).

En el caso del ganado, de los 14 mamíferos domesticados en la actualidad sólo el reno se ha unido a este grupo en el último milenio. Los cinco más valiosos (oveja, cabra, vaca, cerdo y caballo) se domesticaron hacia el 4.000 a.C. Los intentos recientes por domesticar ciervos, cebras o bisontes no han tenido éxito, y los que lo han tenido son de poco interés económico: zorro ártico, hámster, rata de laboratorio y conejo.

Por su parte, algunas plantas se han podido domesticar en tiempos recientes, como los arándanos, nueces de macadamia, nueces pacanas y fresas, pero nada comparable a la importancia del trigo o del arroz.

macadamia nuts in the coconut bowl La despensa de África
photo: Tatters:)
pecans La despensa de África
photo: Tobyotter

Nueces de Macadamia y nueces pecanas.

Quizás dentro de poco las nuevas técnicas de biotecnología permitan domesticar especies que hasta ahora se resistían. Por ejemplo, en el caso de las almendras, se domesticaron en la Edad de Bronce, 2.000-3.000 a.C. El tipo salvaje es muy amargo y tóxico, debido al glucósido amigdalina que se transforma en cianuro de hidrógeno al metabolizarse. Se cree que quizás por mutación espontánea aparecieron variedades con menos amigdalina, que los agricultores pudieron ir seleccionando hasta conseguir las almendras actuales. Sin embargo, esto mismo no se pudo hacer con las bellotas. Ahora sabemos que eso fue debido a que en las almendras la amargura está controlada por un solo gen, mientras que en las bellotas se debe a varios genes.

800px Amygdalin skeletal La despensa de África    →     512px Hydrogen cyanide 2D.svg La despensa de África

Cuando la amigdalina se descompone da lugar al cianuro de hidrógeno, un ácido débil con ligero olor a almendras, utilizado como veneno ya que interfiere con las enzimas de la cadena respiratoria que contienen hierro.

Domesticando en África

Una silenciosa revolución se ha producido en los últimos años en algunos puntos del continente africano. En la región noroeste de Camerún a finales del siglo XX, se podía palpar la pobreza y ver escenas reales de hambre. Pero todo cambió en el año 2000, cuando se empezaron a ver los frutos (¡y nunca mejor dicho!) de los trabajos de investigación del Centro Agroforestal Mundial, dirigidos por Roger Leakey. A mediados de los 90, investigadores de este centro llevaron a cabo sondeos por el Sahel y el sur y oeste de África, buscando qué árboles autóctonos eran los más valorados por los habitantes de cada área. Los resultados sorprendieron a los investigadores, que esperaban que las maderas de interés comercial fuesen las más citadas en las encuestas, sin embargo, fueron los árboles frutales los más apreciados por las poblaciones locales.

Como respuesta a este sorprendente hecho, el Centro Agroforestal Mundial lanzó en 1998 un programa de domesticación de árboles frutales, empezando por un puñado de especies: el mango arbustivo (Irvingia gabonensis), una especie africana no relacionada con el mango hindú; el safou o ciruela africana (Dacryodes edulis), una sabrosa fruta parecida al aguacate (en inglés también se le conoce como afrocado, juego de palabras afro + avocado); y un árbol productor de nueces conocido como njansan (Ricinodendron heudelotii). Aunque son comunes en los bosques, en las granjas crecían espontáneamente y tradicionalmente formaban parte de la dieta de las poblaciones locales, eran casi desconocidos para la ciencia.

 La despensa de África578px Safoutier La despensa de África

Mango arbustivo africano y safou o ciruela africana (Wikimedia commons).

En las zonas rurales africanas se consume una enorme variedad de alimentos silvestres, frutas y semillas de más de 300 árboles autóctonos, según un estudio de la Universidad de Dschang en Camerún. En Malawi y Zambia hasta el 40% de las poblaciones rurales dependen de las frutas indígenas para mantenerse durante los “meses del hambre”, febrero y marzo, cuando las existencias de los graneros se han acabado y todavía no ha llegado la nueva cosecha.

Según el etnoecólogo Anthony Cunningham de la ONG People and Plants International, algunos de estos “alimentos del hambre” fueron domesticados por accidente. Es el caso de la marula (Sclerocarya birrea), un árbol sudafricano de la familia del anacardo con semillas comestibles dentro de un fruto agrio con olor a trementina. Los cazadores-recolectores elegían los mejores frutos y tiraban las semillas en sus campamentos, de forma que se fueron seleccionando los árboles de frutos más sabrosos. En la actualidad la marula se utiliza para hacer zumos, un licor llamado Amarula Cream y aceites cosméticos.

De la misma forma, generaciones de agricultores del África Occidental han seleccionado las variedades más sabrosas de ciruela africana y mango arbustivo y ahora su cultivo está generalizado. Pero la domesticación planificada comenzó con Leakey y Kate Schreckenberg del Overseas Development Institute de Londres, analizando los caracteres más apreciados por los consumidores. Posteriormente se eligieron los árboles salvajes más adecuados y los agricultores recibieron formación en técnicas tradicionales de horticultura, como el injerto. Aunque al principio se veían con recelo estas técnicas del hombre blanco, como parte de su “brujería”, las cosas cambiaron cuando vieron los resultados de los árboles injertados, que daban los frutos deseados en árboles que originalmente producían frutos mucho menos apetecibles.

Otras técnicas en las que se les ha formado son la clonación de las variedades deseadas mediante esquejes, forma sencilla de conseguir gran número de plantas genéticamente idénticas, y acodos, que acortan el tiempo necesario para que una planta llegue a dar frutos. Esto es importante en casos como el del árbol de la kola, en el que se desconoce cuánto tiempo tarda en la naturaleza en dar frutos, probablemente más de 20 años. Con los acodos el tiempo de espera se reduce a cuatro años y además se consiguen ejemplares enanos, evitando el riesgo de caerse del árbol cuando se recolecta en los árboles silvestres.

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La forma más sencilla de obtener esquejes es cortando fragmentos de tallo e introduciéndolos en la tierra, para producir raíces. Las plantas enraizadas de esta manera serán idénticas a sus progenitoras, es decir, serán un clon de la planta original. En la foto vemos un ejemplar de vid micropropagada en agar mediante una técnica de microesquejado (Wikimedia Commons).

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Esquema de la reproducción por acodo. Se introduce en el suelo una parte de una rama baja manteniendo el extremo al aire. Al cabo de un tiempo, la parte subterránea enraizará y se podrá cortar y transplantar como planta independiente pero genéticamente idéntica (clon) a la original (Wikimedia Commons).

Estas técnicas de horticultura son las utilizadas tradicionalmente en la agricultura occidental, en el que las variedades son desarrolladas por grandes empresas, y van dirigidas a su monocultivo en extensas plantaciones.

Sin embargo, el enfoque de este programa va mucho más allá, concentrándose en las necesidades de los pequeños productores, integrando los aspectos sociales, económicos y medioambientales, es decir, con el objetivo de conseguir la sostenibilidad del sistema productivo.

El éxito del programa es innegable: en 1998 apenas había dos viveros de éstos en Camerún, diez años después había varios cientos, dirigidos por, y para suministrar a, pequeños propietarios, con importantes beneficios que se quedan en las comunidades locales. Algunos agricultores han multiplicado sus beneficios por un factor de tres o más, lo que les ha permitido mejorar considerablemente su calidad de vida, e incluso ha animado a los jóvenes a quedarse en sus pueblos en vez de emigrar a las ciudades.

Para hacernos idea del cambio nos podemos centrar en el caso de Christophe Misse, a quien en los 90 su principal cultivo, el cacao, apenas le daba para mantenerse durante tres meses al año; ni con el sueldo extra de profesor a tiempo parcial conseguía muchas veces llegar a fin de mes. Pero tras asistir en 1999 a una sesión de formación montó un vivero con tres vecinos y en 2009 vendían más de 7.000 árboles al año. Sus cultivos de árboles autóctonos resultan mucho más rentables: los ciruelos africanos más fructíferos generan 20$ al año cada uno, cinco veces más que los arbustos del cacao, lo que ha permitido a Christophe construir una nueva casa y que sus dos hijos vayan a un colegio privado. Poco a poco va sustituyendo los arbustos de cacao por frutales, que además sirven de hábitat para la vida salvaje, y resisten mejor las sequías y otros cambios climáticos que los cultivos de maíz y mandioca. Cultivando diferentes especies de frutales se aseguran el futuro, evitando poner todos los huevos en la misma cesta.

Tan es así, que el éxito ha atraído a las grandes multinacionales. El Proyecto Novella es una colaboración de la multinacional Unilever, el Centro Agroforestal Mundial y la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (IUCN) entre otros, para promocionar la domesticación de Allanblackia, un grupo de árboles cuyas semillas contienen un aceite perfecto para hacer margarina. Unos 10.000 agricultores cultivaban en 2009 estos árboles en Ghana y Tanzania y se preveía llegar a los 200.000 agricultores y 25 millones de árboles en una década, alcanzando unos beneficios de 2.000 millones de dólares anuales, la mitad que la principal exportación agrícola del África Occidental, el cacao.

800px Allanblackia Seedlings at nursery La despensa de África

Viveros de Allanblackia en Ghana (Wikimedia Commons).

Frutales domesticables en África

Lo descrito hasta ahora es sólo una pequeña parte de un movimiento que podría cambiar las vidas de millones de africanos. África alberga más de 3.000 especies de frutales salvajes, muchas de las cuales están cerca de su domesticación. Bayas de chocolate, ciruelas de jengibre, naranjas de mono, gumvines, uvas de árbol… pueden jugar un papel importante en asegurar el suministro de alimento en áreas afectadas actualmente por la malnutrición.

Bayas de chocolate (Vitex spp.): Crecen por todo el África tropical, estos árboles producen gran cantidad de bayas negruzcas con aroma de chocolate.

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photo: Alex Popovkin, Bahia, Brazil

Aizen (Boscia senegalensis): Un flacucho matorral de las regiones más áridas y calurosas. Los habitantes del desierto comen sus frutos, semillas, raíces y hojas. Sus bayas amarillas del tamaño de una cereza son carnosas y dulces cuando están maduras y cuando se secan se transforman en una sustancia dulce similar al caramelo.

 La despensa de África

(Wikimedia Commons)

Fruta de ébano (Diospyros spp): Más conocido por su preciosa madera, el ébano también produce un fruto similar al caqui, grande, suculento con un delicado sabor dulce.

diospyros sandwicensis La despensa de África
photo: D.Eickhoff

Ciruelas de jengibre (varios géneros de la familia Chrysobalanaceae): Distribuido por todo el África Subsahariana, tiene el crujido de una manzana y el sabor de una fresa.

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photo: Alex Popovkin, Bahia, Brazil

Nísperos (Vangueria spp.): crecen bien terrenos áridos y los frutos cuando se secan huelen y saben como las manzanas secas.

800px Vangueria parvifolia IMG 3152 La despensa de África

(Wikimedia Commons)

Ciruela de azúcar (Uapaca spp.): habitante de los bosques, árboles con frutos jugosos con sabor que recuerda a la miel.

uapaca kirkiana La despensa de África
photo: tonrulkens

Detar dulce (Detarium senegalensis): Árbol leguminoso de las sabanas, sus vainas contienen una pulpa agridulce que se puede comer fresca o seca.

detarium senegalense La despensa de África
photo: liesvanrompaey

Otras posibilidades

Creo que las posibilidades de seguir aumentando la producción de recursos alimenticios a nivel global es todavía considerable. Acabamos de ver una experiencia en la que, usando técnicas tradicionales, se beneficia la comunidad directamente, se consigue una explotación medioambientalmente sostenible y que presenta grandes potencialidades. Esperemos que la entrada de las multinacionales no den al traste con la idea y acaben convirtiéndolo, como habitualmente, en la explotación incontrolada de los recursos y de las poblaciones locales, para beneficio de las grandes corporaciones.

Además de la domesticación y de la biotecnología, hay también posibilidad de mejorar la eficiencia de los sistemas productivos agrícolas convencionales. Actualmente estos sistemas se caracterizan por el cultivo de pocas especies, el alto consumo de combustibles fósiles y de fertilizantes, y por un alto impacto negativo en el medio ambiente. Algunos estudios muestran que la diversificación de cultivos mejoraría la calidad de los ecosistemas agrícolas y reduciría las necesidades de insumos (energía, agua, plaguicidas y fertilizantes) para mantener la productividad.

Otra corriente que intenta reformar los sistemas de producción agrícola es la agricultura Darwiniana, que propone mejorar tanto las variedades cultivadas como la combinación de cultivos y los agroecosistemas tomando como base las estrategias utilizadas por la evolución.

En definitiva, técnicas todas ellas complementarias, que permiten seguir aumentando la producción agrícola sin ocupar nuevas tierras ni aumentar el impacto negativo en el medio. Todo es cuestión de voluntad política, de visión a largo plazo y de seguir haciendo ciencia.

Referencias

  • “Evolution, consequences and future of plant and animal domestication”. Jared Diamond, NATURE, VOL 418, 8 August 2002.
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Almond
  • http://www.worldagroforestrycentre.org/
  • “Chocolate berries! Gingerbread plums!” Charlie Pye-Smith. 7 November 2009, NewScientist.
  • “Increasing Cropping System Diversity Balances Productivity, Profitability and Environmental”. Davis AS, Hill JD, Chase CA, Johanns AM, Liebman M (2012) Health. PLoS ONE 7(10): e47149. doi:10.1371/journal.pone.0047149.
  •  Darwinian Agriculture: How Understanding Evolution Can Improve Agriculture”. Denison, R. F. (2012) Princeton University Press: Princeton, NJ.

 

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El psicópata, ¿nace o se hace?

Cuando nos enteramos de sucesos como el de Cleveland, con secuestros que duran años, o asesinatos en masa, en serie o de especial crueldad, sin más motivos aparentes que la propia satisfacción de los autores del crimen, tras la sensación automática de repulsa, a continuación sentimos una intranquilidad, una sensación incluso de miedo porque nos cuesta entender que alguien para ser feliz necesite y sea capaz de generar tanto sufrimiento en sus semejantes, sin sentir un mínimo de empatía. Parece que cuando esa violencia se produce en un conflicto armado, “establecido formalmente”, limitado en el tiempo y en el espacio, y con causas “más o menos justificadas”, ya que son conflictos de intereses entre diferentes grupos humanos, aunque también sintamos repulsa, nos resulta más fácil entenderlos.

heeeres johnny El psicópata, ¿nace o se hace?

A diferencia de otras patologías del organismo, las deficiencias mentales y los trastornos psicológicos y del comportamiento siempre han tenido un componente especial, debido a su impacto sociológico en el entorno del afectado. Si a ello añadimos su complejidad, la dificultad de entender sus causas y sus consecuencias, nos encontramos con situaciones de marginación, desprecio, clasismo, racismo…

Esto mismo pasó cuando a mediados del siglo XX, se vio que algunas de estas enfermedades estaban provocadas por anormalidades en el número o en la morfología de los cromosomas. Por ejemplo, en los años 60, algunos estudios relacionaron el genotipo XYY, es decir, con un cromosoma masculino extra, con el comportamiento agresivo. De hecho, en algunos países fue utilizado por las defensas en casos de asesinato, aunque en ninguno llegó a aceptarse. Estudios realizados durante las décadas posteriores demostraron que este genotipo está asociado a alteraciones físicas y mentales pero no a un comportamiento agresivo.

La genética del comportamiento

El desarrollo en los últimos años de la genética molecular y de técnicas de imagen in vivo, han permitido empezar a conocer la relación entre genes y comportamiento. El salto dado en el conocimiento del genoma, con el descubrimiento de los genes implicados en la fisiología del cerebro, y el desarrollo de la imagen por resonancia magnética y por tomografía por emisión de positrones (PET), que permiten comprobar los cambios en la actividad del cerebro, han abierto un amplio abanico de posibilidades.

En este estudio publicado en febrero en The Lancet, se analizaron los datos de polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs, regiones del ADN utilizados para estudiar diferencias entre grupos de población) en 60.000 individuos entre controles y enfermos con cinco desórdenes psiquiátricos: autismo, déficit de atención-hiperactividad, trastorno bipolar, desorden depresivo mayor y esquizofrenia. Los resultados mostraron 4 zonas del ADN (loci) relacionadas con estas patologías, donde se encuentran genes que codifican las proteínas que van a formar los canales de calcio en las membranas celulares. Estos canales de calcio forman parte de las conexiones sinápticas de las neuronas. Hay casos de gemelos en los que uno sufre esquizofrenia mientras que el otro padece trastorno bipolar.

416px Dna SNP.svg El psicópata, ¿nace o se hace?

La molécula de ADN 1 difiere de la 2 en una sola base: polimorfismo C/T (David Hall para Wikimedia Commons).

La misma técnica de análisis de SNPs centrada en los genes que codifican para neurotransmisores, sus receptores y las enzimas que regulan su metabolismo, ha mostrado una relación entre los genes relacionados con la serotonina y el impulso agresivo; una mutación en el gen de la monoaminoxidasa A (MAO-A), la enzima que degrada los neurotransmisores dopamina, norepinefrina y serotonina, y que provoca un nivel anormalmente bajo de este último enzima, causa un síndrome que incluye impulsividad y violencia. A este gen se le ha llamado el “gen guerrero”. Las variantes de estos genes están asociadas a un riesgo elevado de comportamiento violento y delincuencia, pero solamente en individuos que han experimentado episodios violentos en su infancia y adolescencia.

El investigador investigado

James Fallon es neurocientífico y profesor de psiquiatría en la Universidad de California-Irvine. Entre sus áreas de investigación se encuentran las células madre, la neuroanatomía química, la función cerebral y las técnicas de imagen del cerebro. Algunos de sus descubrimientos exceden el campo de la neurología y la psiquiatría. Para los que hemos trabajado en biología celular nos resultan familiares los factores de crecimiento celular TGFα (Transforming Growth Factor α) y EGF (Epidermal Growth Factor), descubiertos por él. En su campo fue el primero en conseguir la estimulación a gran escala de células madre adultas en tejido cerebral dañado usando factores de crecimiento.

Ha hecho aportaciones al esclarecimiento de patologías mentales como la esquizofrenia, la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer; la relación entre hostilidad, género y adicciones a la nicotina y la cocaína; al estudio del metabolismo de la dopamina, norepinefrina, péptidos opiáceos en el cerebro; a la utilización de las técnicas de imagen por resonancia magnética y por tomografía por emisión de positrones.

Una de sus especialidades es encontrar las diferencias entre el cerebro de un asesino y el de una persona “normal”, ya que lleva casi 20 años estudiando cerebros de psicópatas. Pero fue hace unos pocos años cuando su visión de este campo de investigación cambió totalmente. Una típica conversación de las que se suelen tener con una madre de 88 años hizo que el investigador se convirtiera en investigado. Resultó que por línea paterna tenía varios asesinos muy violentos entre sus antepasados. En 1667, a uno de sus antepasados directos le colgaron por matar a su madre. Esa línea familiar dio otros 7 supuestos asesinos, incluida Lizzy Borden, quien en 1882 fue acusada y absuelta de matar a su padre y a su madrastra.

Aprovechando su experiencia estudiando cerebros de psicópatas decidió comprobar si alguien de su familia portaba el típico cerebro de asesino en serie. Dicho de forma sencilla, los individuos con baja actividad en el córtex orbital pueden ser tipos irresponsables o sociópatas. Esta parte del cerebro frena a la amígdala, que está implicada en respuestas emocionales, incluidas las agresivas. Cuando el córtex orbital no funciona bien por daño cerebral o por alteración genética, se alteran todos los comportamientos emocionales: ira, violencia, alimentación, sexualidad, alcoholismo…

439px Constudoverbrain El psicópata, ¿nace o se hace?

Vista frontal del cerebro (Wikimedia Commons-Original version was uploaded by RobinH at en.wikibooks)

Aunque nadie de su actual familia había tenido problemas de ese tipo, quería asegurarse. Convenció a 10 parientes cercanos para hacerles un PET y que le dieran una muestra de sangre como parte de un proyecto para ver si en su familia había riesgo de padecer enfermedad de Alzheimer. Su esposa, su madre, sus hermanos, sus hijos, todos tenían escáneres normales. Sólo el escáner de su cerebro mostraba un córtex frontal que parecía inactivo, al estilo del de los psicópatas. Hay que ser cautos a la hora de interpretar estos datos, ya que se lleva muy poco tiempo investigando esta zona del cerebro, pero Fallon tiene claro que algunos cerebros predisponen a la violencia y que algunas tendencias psicopátas pueden pasar de una generación a otra.

El siguiente paso de su investigación familiar fue comprobar 12 genes, entre ellos el gen guerrero de la MAO-A. ¿Adivinas quién era el único miembro de la familia que no tenía la variante no agresiva del gen MAO-A? Pues sí, las pruebas genéticas confirmaban que Jim Fallon tenía el patrón de riesgo exacto para convertirse en un asesino. Pero está claro que por alguna razón no ha desarrollado esa conducta, que hace falta algo más que una predisposición genética para que se desencadene ese comportamiento. Ese ingrediente que falta es haber padecido situaciones de extrema violencia en la infancia, algo que, afortunadamente, no pasó en el caso de Fallon. Nadie mejor que él para explicarlo:

A nadie se le escapa las consecuencias que el avance en esta línea de investigación puede llegar a tener el futuro. ¿Hasta qué punto puede llegar a influir en la defensa de un asesino? ¿Explicaría esto el hecho de que algunas zonas del planeta son más violentas que otras?

Para terminar dos recomendaciones:

  • ¿Locura o neurodiversidad? del blog “Neurociencia, neurocultura”, para ponerse al día en la clasificación y definiciones de las patologías mentales, los límites entre comportamiento extremo y patológico, etc., con reflexión incluida.
  • El mal del cerebro: Impresionante y emocionante recorrido por varios ejemplos de trastornos del cerebro, sus causas, terapias y el estado actual de la investigación. Un ejemplo de la importancia de la ciencia y la tecnología para poder entender la complejidad de este órgano y las posibilidades que se abren en el futuro. Un gran documental.

Bibliografía

biocarnaval 1 El psicópata, ¿nace o se hace?

“Este post participa en el Carnaval de Biología edición especial micro-BioCarnaval, que hospeda @ManoloSanchezA  en su blog Curiosidades de la Microbiología ” 

Este post participa en la V Edición del Carnaval de Humanidades acogido en el blog “Pero eso es otra historia y debe ser contada en otra ocasión“.

photo by: woordenaar

TIM, la enzima perfecta

Los pilares de la vida

Podemos definir la vida como un enorme conjunto de millones de reacciones químicas interconectadas. A primera vista, se observan dos grandes diferencias entre las reacciones químicas de la materia inerte y las que forman parte de los organismos vivos.

Por un lado, las moléculas que intervienen en las reacciones. Algunas coinciden con las que forman parte del sustrato físico de nuestro planeta: agua, minerales, oxígeno, dióxido de carbono… Sin embargo, las moléculas propias de la vida, conocidas como orgánicas, tienen una estructura basada en cadenas de átomos de carbono y pueden llegar a alcanzar una gran complejidad, si las comparamos con las que forman las rocas o la atmósfera: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, son las moléculas que soportan la vida, constituyendo los organismos y permitiéndoles desarrollarse y reproducirse.

Por otro lado, los seres vivos han sido capaces de ejecutar reacciones químicas que, en condiciones normales no se darían, o tardarían mucho en producirse. Y lo han hecho, además, sin necesidad de alterar las condiciones ambientales de temperatura y presión. Casi todas las reacciones químicas de las células vivas están mediadas por las enzimas, unos biocatalizadores eficaces y específicos que transforman unas sustancias en otras, a veces en fracciones de segundo, sin cambiar ellas mismas al hacerlo. En todas las células ocurren cada segundo de forma ordenada miles de reacciones químicas, que permiten el desarrollo de todas las funciones de la vida.

Cada enzima reconoce su(s) sustrato(s) de entre los miles de sustancias que hay en el interior de una célula, y, tras unirlo(s) a una parte de su molécula conocido como centro activo, lo convierte en uno o varios productos determinados.

Casi todas las enzimas son proteínas, aunque también el ácido ribonucleico, ARN, puede actuar como biocatalizador. Se han descrito con detalle más de 3.000 enzimas diferentes, pero se sospecha que puede haber hasta 10.000. La rubisco, ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa oxigenasa, es la enzima encargada de fijar el dióxido de carbono atmosférico en la plantas, permitiendo la síntesis de azúcares como la glucosa. Su abundancia en las hojas de las plantas la convierten en la enzima y la proteína más abundante del planeta.

ovejas cerezos TIM, la enzima perfecta

La vida no sería posible sin las enzimas, y sin la rubisco las plantas no podrían sintetizar los azúcares que necesitan los seres vivos.

Funcionamiento de las enzimas

Las enzimas pueden acelerar las reacciones químicas en un factor de cientos a un billón de veces (108-1012), lo que significa que una reacción que tarda un segundo en producirse en un organismo vivo, en condiciones normales necesitaría varios miles de años. La vida no puede existir sin las enzimas.

Para que una reacción química se produzca, las sustancias originales deben alcanzar un estado determinado para el que necesitan una cierta cantidad de energía denominada energía de activación. Esto se puede conseguir aumentando la temperatura o la presión, pero dado que esto es imposible en el interior de una célula, lo que hacen las enzimas es disminuir la energía de activación, también conocida como entalpía de activación libre o de Gibbs, Gº’.

 

carbonic anhydrase reaction in tissue enzyme activation energy graphic TIM, la enzima perfecta

Energía de los estados de una reacción química. Los reactantes o sustratos, en este caso dióxido de carbono y agua, necesitan una cantidad de energía para llegar a un estado de transición antes de convertirse en productos. La enzima estabiliza el estado de transición, reduciendo la energía necesaria para formar los productos. (Wikipedia)

Cómo consiguen esto es un proceso complejo. Primero es necesario que la enzima se encuentre con lo(s) sustrato(s), y tras unirse a su centro activo, ciertos grupos de átomos del centro activo reaccionan con lo(s) sustrato(s) transformándolos en sustancias diferentes, los productos. En ese momento, conocido como estado de transición, la enzima puede cambiar su forma para facilitar el contacto de esos grupos de átomos con los de los sustratos. Cuando estas reacciones terminan, la enzima recupera su forma y estado originales. 

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(Imagen Wikimedia)

Como hemos visto, la mayoría de las enzimas son proteínas, y por tanto están compuestas por cadenas de cientos de aminoácidos, siendo la secuencia de estos aminoácidos lo que diferencia a unas proteínas de otras. Pero esta secuencia además determina la configuración tridimensional, la forma que va a tener la proteína, debido a las interacciones entre los átomos de las cadenas laterales de los aminoácidos. Así, dentro de una proteína podemos ver tramos con forma de espiral, hélice α, la más común; hebras con forma de láminas plegadas, hoja β; y uniendo estos dos tipos de conformaciones suele haber cadenas de aminoácidos  dobladas formando giros.

 

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Diferentes formas de representar las estructuras hélice α, hoja β y los giros de la enzima triosa fosfato isomerasa, TIM o TPI. (Wikimedia)

Cinética enzimática

Hay muchos ejemplos de la perfección a la que han llegado las enzimas como catalizadores. Por ejemplo, la reacción espontánea de decarboxilación de la orotidina 5’-monofosfato (ácido orotidílico, componente del metabolismo de los ácidos nucleicos) puede necesitar 78 millones de años. En presencia de la orotidina 5’-fosfato decarboxilasa, el proceso dura 25 milisegundos.

La velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas depende de las condiciones del medio y de la concentración de los sustratos. Un medio adecuado supone disponer de las condiciones de temperatura, pH y concentración salina dentro de un rango determinado, ya que en caso contrario, se puede alterar la composición de los grupos químicos de las cadenas laterales de aminoácidos y pueden perder su configuración tridimensional. Por otra parte, a medida que crece la concentración de los sustratos aumenta la velocidad de la reacción hasta llegar a un punto de saturación. En ese momento, todas las moléculas de enzima se encuentran unidas al sustrato.

En las condiciones normales de las células, la velocidad de las reacciones enzimáticas están dadas por el tipo de unión enzima-sustrato y el número de moléculas de sustrato que se pueden procesar en un centro activo por segundo, y se denomina constante de especificidad. El máximo teórico de esta constante se llama límite de difusión, y es aproximadamente 108- 109 M-1s-1. A las enzimas con esta propiedad se les conoce como catalítica o cinéticamente perfectas.

Triosa Fosfato Isomerasa (TPI o TIM), el secreto está en el barril

La Triosa Fosfato Isomerasa es una enzima ubicua que cataliza uno de los pasos de la glucólisis, la ruta metabólica que descompone los carbohidratos (azúcares) para la obtención de energía. También forma parte de otros procesos metabólicos como la gluconeogénesis y la síntesis de ácidos grasos. La deficiencia de TIM provocada por una enfermedad hereditaria recesiva puede provocar desde anemia hemolítica crónica, incrementando la susceptibilidad a infecciones, hasta disfunción neurológica, incluso la muerte en la infancia. Recientemente también se ha visto que este enzima puede estar alterada en la enfermedad de Alzheimer.

Su perfección catalítica es debido a que la velocidad de la reacción se controla por difusión, es decir, el producto se forma con tanta rapidez como la enzima y el sustrato puedan colisionar en el medio celular. ¿Cómo llega la TIM a esta eficiencia? Pues parece que el secreto está en el barril, o mejor dicho, en la estructura tridimensional con forma de barril de esta enzima.

 TIM, la enzima perfecta

Dibujo esquemático del barril β de la TIM (Proteopedia)

Ya hemos visto que la secuencia de aminoácidos de las proteínas hace que determinados tramos adquieran forma de hélice α o de hoja β. Pues la TIM fue la primera proteína en la que se observó la presencia de una estructura formada por ocho hebras α/β, el llamado dominio α/β, y que adquiría la forma de un barril en el centro de la proteína. Hoy en día, gracias a técnicas como la cristalografía de rayos X, se conoce muy bien tanto la geometría del barril como la formación del complejo enzima-sustrato de la TIM, y se sabe qué grupos de átomos se encuentran implicados en el proceso: el carbono terminal de las ocho hebras β paralelas. La estructura del dominio α/β facilita la reacción de los sustratos disminuyendo la energía de activación necesaria para que tenga lugar la reacción.

 TIM, la enzima perfecta

TIM (Proteopedia)

El origen del barril y su utilidad

La estructura del barril α/β es la más común y se estima que el 10% de las enzimas tienen este dominio. Estas enzimas catalizan reacciones muy diferentes, por lo que son de gran interés para la ingeniería de proteínas. Por otro lado, resulta intrigante que, a pesar de presentar una estructura tridimensional similar hay muy poca similitud en la secuencia de aminoácidos. El conocimiento de la historia evolutiva de las proteínas con el barril α/β es esencial para el entendimiento de las relaciones entre la secuencia de aminoácidos y la estructura tridimensional, así como para ayudar a diseñar moléculas con nuevas funciones. Aproximadamente el 50% de la secuencia de aminoácidos de la TIM es la misma en las bacterias que en los humanos y la similitud aumenta mucho más si nos fijamos en los aminoácidos que forman el centro activo.

No se conoce con seguridad el origen evolutivo de estas enzimas, si vienen de un ancestro común o, por el contrario, enzimas con estructuras diferentes han evolucionado hasta converger en el barril α/β. Aunque algunos datos sugieren un mismo origen, todavía no se ha podido identificar el ancestro común. Algunas enzimas de este tipo presentan una doble simetría, lo que indica que la proteína ancestral evolucionó con una fusión de dos módulos con forma de medio barril. Y todas estas enzimas están implicadas en el metabolismo energético o molecular, las funciones biológicas más antiguas; además, están presentes en todos los reinos de la vida. Es sorprendente la diversidad de secuencias y de funciones de las enzimas barril como la TIM.

El futuro está en el barril

Asimismo, se ha visto que la especificidad del sustrato y la especificidad catalítica de las enzimas barril se puede cambiar mediante mutaciones en los residuos catalíticos activos del extremo de la estructura del barril sin comprometer su estabilidad. Esto supone que, a pesar de que la predicción de las funciones bioquímicas de un dominio barril α/β es muy complicada, en el futuro, mediante experimentos de evolución dirigida, se podrá disponer de enzimas barril con actividades catalíticas completamente nuevas para usos industriales y médicos.

Las enzimas son muy superiores como catalizadores a cualquiera de los procesos químicos industriales por su alta especificidad, selectividad, mínimos requerimientos energéticos y respeto al medio ambiente. Pero para hacer frente a las necesidades humanas a escala industrial, además se necesita eficiencia catalítica, disponibilidad de grandes cantidades, bajo precio, baja inhibición por el producto, y alta actividad y estabilidad en las condiciones de producción. La estrategia más común para conseguir enzimas con las propiedades deseadas son la evolución dirigida y el diseño racional. La unión de estudios cristalográficos con la enzimología va a permitir a corto plazo crear enzimas nuevas con la estructura de barril útiles para multitud de usos, desde la obtención de bioetanol hasta fármacos antivirales.

Referencias

 

Este post participa en la “XXII edición del Carnaval de Biología”, que hospeda @CEAmbiental en su blog ”Consultoría y Educación Ambiental

xxiii carnavalquc3admica logo TIM, la enzima perfecta

14 años después la historia continúa

El pasado 12 de noviembre el INSTITUTE FOR RESEARCH IN BIOMEDICINE de Barcelona hizo público el descubrimiento de que la capacidad de las células del cáncer de colon para metastatizar, es decir, para invadir otro órgano, depende de las células que rodean el tumor. Este conjunto de células se denomina estroma, y está formado por células endoteliales (recubren el interior de los vasos sanguíneos), fibroblastos (responsables de sintetizar los componentes estructurales de los tejidos), y macrófagos y leucocitos (responsables de la inmunidad y la protección).

Según este estudio, cuando las células tumorales llegan al hígado, una de las dianas preferidas de este tumor para metastatizar, secretan TGF-beta. Esta proteína, el factor de crecimiento transformante beta, controla la proliferación y diferenciación (especialización de una célula en un tipo determinado) de la mayoría de las células. Pertenece a la familia de las citocinas, proteínas que regulan el funcionamiento y la intercomunicación de las células. Su desregulación suele estar relacionado con deficiencias del sistema inmune, cáncer, trastornos cardíacos, diabetes, SIDA, etc.

Según la nota de prensa del IRB, se sospechaba desde hace tiempo que el estroma estaba implicado en este proceso, pero ésta es la primera vez que se observa cómo las células sanas juegan un papel fundamental facilitando la metástasis de un tipo determinado de tumor.

El estudio se ha realizado con 345 pacientes en tres hospitales de Barcelona y los investigadores han encontrado que, como respuesta al TGF-beta, las células del estroma liberan una serie de moléculas. Una de ellas es la interleucina 11 (IL 11), otra citocina, que hace que las células tumorales sufran una serie de cambios que les permitan sobrevivir en otro órgano.

El conocimiento de este proceso permitirá desarrollar nuevas formas de diagnóstico y tratamiento de este tipo de cáncer, y para dentro de 5 años esperan disponer de un test que identifique los pacientes con mayor riesgo de metástasis, permitiendo a los médicos afinar sus tratamientos.

Uno de los colaboradores en este trabajo es el barcelonés Joan Massagué, del Memorial Sloan Kettering Cancer Center de Nueva York, que es además director adjunto del IRB Barcelona. Este investigador está reconocido internacionalmente como una autoridad en TGF-beta, por haber descrito su papel en la enfermedad.

Mi granito de arena

El próximo 30 de noviembre se cumplen 14 de años de la presentación de mi tesis doctoral: “Implicación de las Células Estrelladas Hepáticas en la regulación de la neoangiogénesis, migración y adhesión tumorales durante el proceso metastásico del melanoma B16”. Alguno puede pensar que si el titulo era tan largo, cómo sería el contenido, pero bueno, no era para tanto.

En la facultad de Medicina de la Universidad del País Vasco utilizábamos para nuestras investigaciones un tipo de melanoma de ratón muy agresivo, denominado B16. Son líneas celulares adaptadas al cultivo en el laboratorio para facilitar los experimentos in vitro e in vivo. Estudiábamos las interacciones de las células tumorales con las células del estroma del hígado de ratas y ratones. Aunque el melanoma no es un tipo de tumor que metastatice frecuentemente en el hígado, era un modelo de fácil manejo en el laboratorio, y suficiente para poder conocer las líneas básicas de este proceso.

Mientras otros compañeros se dedicaban a estudiar las interacciones del tumor con las células endoteliales y con las células del sistema inmune, a mí me tocó pelear con las Células Estrelladas Hepáticas, los fibroblastos del hígado que almacenan y metabolizan la vitamina A. Digo pelear, porque en aquel momento era muy difícil aislar estas células de los hígados de ratas, y por lo tanto, de obtener el principal material para realizar los experimentos.

Se sabía que cuando las células tumorales llegaban al hígado y se asentaban produciendo la metástasis, las células estrelladas “se activaban,” iban perdiendo poco a poco su forma triangular y las vesículas de vitamina A, alargándose y transformándose en miofibroblastos, con características similares a los fibroblastos musculares. Una transformación parecida se produce en la cirrosis y la hepatitis. Se veía que los fibroblastos activados estaban infiltrados entre las células tumorales de las metástasis.

Con los resultados de los experimentos pudimos confirmar que en las metástasis los fibroblastos activados aumentaban su número con respecto al tejido sano, y asociado al aumento de la densidad de fibroblastos activados aparecían nuevos vasos sanguíneos (neoangiogénesis) que favorecían el desarrollo del tumor. Por otra parte, también vimos que cuando añadíamos a las células estrelladas en cultivo el medio de cultivo de las células tumorales, se aceleraba el proceso de transformación, lo que sugería que las células tumorales secretaban moléculas que desencadenaban la transformación.

En resumen, todo apuntaba a que las células tumorales desencadenaban la activación de los fibroblastos hepáticos, para que con su transformación secretaran las moléculas necesarias que permitieran a las células tumorales asentarse en el hígado y generar nuevos vasos sanguíneos que permitieran a la metástasis crecer y, posteriormente seguir extendiéndose a otros órganos. Estas moléculas eran citocinas (este melanoma producía mucho TGF-beta), factores de crecimiento, factores angiogénicos, proteasas, proteínas estructurales, etc.

El proceso de metástasis

El mecanismo de la metástasis se suele explicar por la analogía con la semilla y la tierra (“seed and soil”). No todos los tumores, ni todas las células dentro del tumor tienen la misma capacidad de producir metástasis, es decir, de generar tumores en órganos diferentes al original. Sólo las células tumorales que sean capaces de alterar las células del tejido hospedador (fertilizar el suelo) podrán adherirse y convertirse en las semillas de un nuevo tumor. Por eso algunas veces, aunque se elimine el tumor primario, el original, si las células tumorales se han extendido por el torrente sanguíneo, las posibilidades de que surjan tumores en otros órganos son muy altas. De ahí que el conocimiento de todos los factores implicados en este proceso es muy importante para poder encontrar la forma de interrumpirlo y evitar sus consecuencias.

Un gran paso adelante

Visto desde fuera del mundo de la ciencia puede parecer que los dos estudios obtienen resultados parecidos y que no se ha avanzado mucho en estos 14 años. Pero hay una gran diferencia, el estudio de Barcelona está hecho en personas, con casos reales, mientras que mi tesis se basaba en experimentos in vitro con células animales en cultivo e in vivo con animales. No se pueden extrapolar directamente los resultados obtenidos in vitro y con animales al ser humano, puesto que en el primer caso se trabaja con células aisladas, no integradas en un órgano completo; y en el segundo caso, aunque puede ser muy parecida, la fisiología animal no es idéntica a la humana. Los modelos in vitro y con animales simplifican las condiciones reales para ir poco a poco identificando las claves de la enfermedad. La acumulación de conocimientos en estas fases permite finalmente diseñar los estudios en humanos como último paso para desarrollar los tratamientos adecuados.

En definitiva, otro importante paso adelante, y que me hace sentirme orgulloso de haber aportado mi granito de arena.

 14 años después la historia continúa

Célula Estrellada Hepática (Fibroblasto hepático) tras 48 horas en cultivo. Se pueden observar las vesículas de vitamina A alrededor del núcleo celular.

 

  14 años después la historia continúa

Célula Estrellada Hepática (Fenotipo miofibroblástico) tras 48 horas en cultivo en presencia del medio de cultivo del melanoma. Se puede observar el cambio de forma. La mayoría de las vesículas de vitamina A han desaparecido.

 

Bibliografía

Actualización 15/3/2013: “Nuestro otro cerebro” (Ver comentarios al post)