Para predecir una epidemia, la evolución no puede ser ignorada

Para predecir una epidemia, la evolución no puede ser ignorada

Cuando los científicos intentan predecir la propagación de algo entre las poblaciones, desde un coronavirus hasta información errónea, utilizan modelos matemáticos complejos para hacerlo. Por lo general, estudiarán los primeros pasos en los que se propaga el tema, y ​​usarán esa tasa para proyectar qué tan lejos se extenderá la infección. Este valor se denomina r o tasa de crecimiento per cápita en los modelos de crecimiento clásicos, modelos que, fueron creados antes del nacimiento de la teoría de la evolución, y asumen que los individuos son (1) todos iguales y (2) no cambian.

Pero, ¿qué sucede si un patógeno muta o la información se modifica y cambia la velocidad a la que se propaga? En un nuevo estudio que aparece en la edición de esta semana de las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), un equipo de investigadores de la Universidad Carnegie Mellon muestra por primera vez la importancia de estas consideraciones. "Estos cambios evolutivos tienen un gran impacto", dice el miembro de la facultad de CyLab, Osman Yagan, profesor asociado de investigación en Ingeniería Eléctrica e Informática (ECE) y autor correspondiente del estudio. "Si no considera los posibles cambios a lo largo del tiempo, el modelo se equivocará al predecir el número de personas que se enfermarán o el número de personas que están expuestas a una información".

La mayoría de las personas están familiarizadas con las epidemias de enfermedades, pero la información en sí misma, que actualmente viaja a la velocidad de la luz en las redes sociales, puede experimentar su propio tipo de epidemia y "volverse viral" mientras se altera en cada paso “efecto de teléfono roto”. Si una información se vuelve viral o no puede depender de cómo se modifique el mensaje original. "Algunas informaciones erróneas son intencionales, pero otras pueden desarrollarse orgánicamente cuando muchas personas hacen pequeños cambios secuencialmente como un juego de 'teléfono roto'", dice Yagan. "Una información aparentemente aburrida puede convertirse en un Tweet viral, y debemos ser capaces de predecir cómo se propagarán estas cosas".

En su estudio, los investigadores desarrollaron una teoría matemática que toma en consideración estos cambios evolutivos. Luego probaron su teoría contra miles de epidemias simuladas por computadora en redes del mundo real, como Twitter para la difusión de información o un hospital para la propagación de enfermedades. En el contexto de la propagación de enfermedades infecciosas, el equipo realizó miles de simulaciones utilizando datos de dos redes del mundo real: una red de contacto entre estudiantes, maestros y personal de una escuela secundaria de EE. UU., Y una red de contacto entre personal y pacientes en un hospital en Lyon, Francia.

El tamaño epidémico esperado (S) y la fracción esperada de individuos infectados por cada cepa (S1 y S2) en redes sintéticas generadas por el modelo de configuración con (A) distribución de grados de Poisson y (B) distribución de grados de ley de potencia con corte exponencial. Los resultados de la simulación están muy de acuerdo con los resultados teóricos dados en Materiales y Métodos. Otros resultados.

Estas simulaciones sirvieron como banco de pruebas: la teoría que coincide con lo que se observa en las simulaciones resultaría ser la más precisa. "Demostramos que nuestra teoría funciona en redes del mundo real", dice el primer autor del estudio, Rashad Eletreby, que era un Ph.D. de Carnegie Mellon. estudiante cuando escribió el periódico. "Los modelos tradicionales que no consideran las adaptaciones evolutivas no pueden predecir la probabilidad de aparición de una epidemia". Si bien el estudio no es una bala de plata para predecir la propagación del coronavirus de hoy o la difusión de noticias falsas en el entorno político volátil de hoy con una precisión del 100%, uno necesitaría datos en tiempo real para rastrear la evolución del patógeno o la información para hacer eso, los autores dicen que es un gran paso.

"Estamos un paso más cerca de la realidad", dice Eletreby. Otros autores en el estudio incluyeron ECE Ph.D. estudiante Yong Zhuang, profesora del Instituto de Investigación de Software Kathleen Carley, y el profesor de Ingeniería Eléctrica de Princeton Vincent Poor.

Fuentes

College of Engineering, Carnegie Mellon University. (2020, March 2). To predict an epidemic, evolution can't be ignored. ScienceDaily. Retrieved March 9, 2020 from www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200302153551.htm

Rashad Eletreby, Yong Zhuang, Kathleen M. Carley, Osman Yağan, and H. Vincent Poor. The effects of evolutionary adaptations on spreading processes in complex networks. PNAS, 2020 DOI: 10.1073/pnas.1918529117

COVID-19 un recordatorio del desafío de las enfermedades infecciosas emergentes

COVID-19 un recordatorio del desafío de las enfermedades infecciosas emergentes

La aparición y el rápido aumento de los casos de enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19), una enfermedad respiratoria causada por un nuevo coronavirus, plantea desafíos complejos para las comunidades médicas, de investigación y de salud pública mundiales, escriben científicos federales del Instituto Nacional de Alergia de los NIH y Enfermedades infecciosas (NIAID) y de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC). Su comentario aparece en The New England Journal of Medicine.

El Director del NIAID, Anthony S. Fauci, MD, el Director Adjunto del NIAID para Investigación Clínica y Proyectos Especiales, H. Clifford Lane, MD, y el Director de los CDC, Robert R. Redfield, MD, compartieron sus observaciones en el contexto de un informe recientemente publicado sobre la transmisión temprana de COVID-19. El informe proporcionó información clínica y epidemiológica detallada sobre los primeros 425 casos que surgieron en Wuhan, provincia de Hubei, China.

En respuesta al brote, Estados Unidos y otros países establecieron restricciones temporales de viaje, lo que puede haber frenado un poco la propagación de COVID-19, señalan los autores. Sin embargo, dada la aparente eficacia de la transmisión del virus, todos deberían estar preparados para que COVID-19 se establezca en todo el mundo, incluso en los Estados Unidos, agregaron. Si la enfermedad comienza a extenderse en las comunidades de EE. UU., la contención ya no puede ser un objetivo realista y los esfuerzos de respuesta probablemente tendrán que pasar a varias estrategias de mitigación, que podrían incluir aislar a las personas enfermas en el hogar, cerrar las escuelas y alentar el teletrabajo, escriben los funcionarios.

Los Dres. Fauci, Lane y Redfield señalan los muchos esfuerzos de investigación ahora en curso para abordar COVID-19. Estos incluyen numerosos candidatos a vacunas que avanzan hacia ensayos clínicos en etapa temprana, así como ensayos clínicos que ya están en marcha para evaluar la terapéutica candidata, incluido un ensayo patrocinado por el NIAID del remdesivir experimental de medicamentos antivirales que comenzó a inscribir a los participantes el 21 de febrero de 2020.

"El brote de COVID-19 es un claro recordatorio del desafío actual de los patógenos infecciosos emergentes y reemergentes y la necesidad de vigilancia constante, diagnóstico rápido e investigación sólida para comprender la biología básica de los nuevos organismos y nuestra susceptibilidad a ellos, también para desarrollar contramedidas efectivas ", concluyen los autores.

Fuentes

AAS Fauci et al. COVID-19: Navigating the uncharted. The New England Journal of Medicine, 2020 DOI: 10.1056/NEJMp2002387

Qun Li, Xuhua Guan, Peng Wu, Xiaoye Wang, Lei Zhou, Yeqing Tong, Ruiqi Ren, Kathy S.M. Leung, Eric H.Y. Lau, Jessica Y. Wong, Xuesen Xing, Nijuan Xiang, Yang Wu, Chao Li, Qi Chen, Dan Li, Tian Liu, Jing Zhao, Man Liu, Wenxiao Tu, Chuding Chen, Lianmei Jin, Rui Yang, Qi Wang, Suhua Zhou, Rui Wang, Hui Liu, Yinbo Luo, Yuan Liu, Ge Shao, Huan Li, Zhongfa Tao, Yang Yang, Zhiqiang Deng, Boxi Liu, Zhitao Ma, Yanping Zhang, Guoqing Shi, Tommy T.Y. Lam, Joseph T. Wu, George F. Gao, Benjamin J. Cowling, Bo Yang, Gabriel M. Leung, Zijian Feng. Early Transmission Dynamics in Wuhan, China, of Novel Coronavirus–Infected Pneumonia. New England Journal of Medicine, 2020; DOI: 10.1056/NEJMoa2001316

NIH/National Institute of Allergy and Infectious Diseases. (2020, February 28). COVID-19 a reminder of the challenge of emerging infectious diseases. ScienceDaily. Retrieved March 7, 2020 from www.sciencedaily.com/releases/2020/02/200228142016.htm

Las nuevas características de imagen del coronavirus (COVID-19) se superponen con el SARS y el MERS

Las nuevas características de imagen del coronavirus (COVID-19) se superponen con el SARS y el MERS

Aunque las características de imagen de la nueva enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19) son variables e inespecíficas, los hallazgos informados hasta el momento muestran una "superposición significativa" con los del síndrome respiratorio agudo severo (SARS) y el síndrome respiratorio del Medio Oriente (MERS), según a un artículo previo a la impresión en el American Journal of Roentgenology (AJR).

Mujer de 79 años que presentó fiebre, tos seca y dolor en el pecho durante 3 días. Su esposo y su nuera habían sido diagnosticados recientemente con la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19). El paciente expiró 11 días después de la admisión (Cortesía de Song F, Centro Clínico de Salud Pública de Shanghai, Shanghai, China) Las imágenes de TC A, axial (A) y coronal (B) muestran múltiples áreas irregulares, periféricas y bilaterales de opacidad de vidrio esmerilado.

COVID-19 se diagnostica en presencia de síntomas de neumonía (p. Ej., Tos seca, fatiga, mialgia, fiebre, disnea), así como en viajes recientes a China o exposición conocida, y las imágenes de tórax juegan un papel vital en la evaluación de la extensión de la enfermedad. y seguimiento.

 

—Una mujer de 79 años que presentó fiebre, tos seca y dolor en el pecho durante 3 días. Su esposo y su nuera habían sido diagnosticados recientemente con la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19). El paciente expiró 11 días después de la admisión (Cortesía de Song F, Centro Clínico de Salud Pública de Shanghai, Shanghai, China) Las imágenes de TC B, axial (A) y coronal (B) muestran múltiples áreas irregulares, periféricas y bilaterales de opacidad de vidrio esmerilado.

Según su revisión de la literatura clínica actual sobre COVID-19, Melina Hosseiny, de la Universidad de California en Los Ángeles, concluyó: "La evidencia preliminar sugiere que las imágenes de tórax iniciales mostrarán anormalidades en al menos el 85% de los pacientes, con el 75% de los pacientes tener una afectación pulmonar bilateral inicialmente que con mayor frecuencia se manifiesta como áreas subpleurales y periféricas de opacidad y consolidación de vidrio esmerilado ".

Además, la "edad avanzada y la consolidación progresiva" pueden implicar un peor pronóstico general.

A diferencia del SARS y el MERS, donde las anormalidades iniciales de las imágenes de tórax son unilateralmente más frecuentes, es más probable que COVID-19 involucre a ambos pulmones en las imágenes iniciales.

"Hasta donde sabemos", Hosseiny et al. continuó, "no se ha informado derrame pleural, cavitación, nódulos pulmonares y linfadenopatía en pacientes con COVID-19".

En última instancia, los autores de este artículo de AJR recomendaron la TC para el seguimiento en pacientes que se recuperan de COVID-19 para evaluar el daño pulmonar a largo plazo o incluso permanente, incluida la fibrosis, como se observa en las infecciones por SARS y MERS.

 Fuentes

American Roentgen Ray Society. (2020, February 28). Novel coronavirus (COVID-19) imaging features overlap with SARS and MERS: COVID-19's imaging features are variable and nonspecific, but the imaging findings reported thus far do show. ScienceDaily. Retrieved March 7, 2020 from www.sciencedaily.com/releases/2020/02/200228142018.htm

Melina Hosseiny, Soheil Kooraki, Ali Gholamrezanezhad, Sravanthi Reddy, Lee Myers. Radiology Perspective of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19): Lessons From Severe Acute Respiratory Syndrome and Middle East Respiratory Syndrome. American Journal of Roentgenology, 2020; 1 DOI: 10.2214/AJR.20.22969

Los microbios en tu boca

Los microbios en tu boca

La mayoría de las personas saben que una buena higiene bucal (cepillado, uso de hilo dental y visitas regulares al dentista) está relacionada con la buena salud. Los investigadores de microbiomas de la Universidad Estatal de Colorado ofrecen nuevas pruebas para apoyar esa sabiduría convencional, al observar de cerca las comunidades invisibles de microbios que viven en cada boca.

El microbioma oral, la suma total de microorganismos, incluidas las bacterias y los hongos, que ocupan la boca humana, fue objeto de un estudio dirigido por la ciencia ciudadana de origen público por el laboratorio de investigación de Jessica Metcalf en CSU y el equipo de investigación de Nicole Garneau en el Museo de Naturaleza y Ciencia de Denver. Publicado en Scientific Reports, el estudio encontró, entre otras cosas, una correlación entre las personas que no visitaron al dentista regularmente y una mayor presencia de un patógeno que causa la enfermedad periodontal.

Para los experimentos, llevados a cabo por el equipo científico comunitario de Garneau en el Laboratorio de Genética del Gusto en el museo, una amplia muestra representativa de visitantes del museo se sometió a un hisopo en la mejilla y respondió preguntas simples sobre su demografía, estilos de vida y hábitos de salud. Los datos de secuenciación de ADN microbiano analizados por el grupo de Metcalf revelaron, en términos generales, que los hábitos de salud oral afectan a las comunidades de bacterias en la boca. El estudio subrayó la necesidad de pensar en la salud oral como fuertemente vinculada a la salud de todo el cuerpo.

"Nuestro estudio también mostró que el crowdsourcing y el uso de científicos de la comunidad pueden ser una muy buena manera de obtener este tipo de datos, sin tener que usar estudios grandes y de casos controlados", dijo Zach Burcham, investigador postdoctoral y autor principal del artículo. El autor principal Metcalf es profesor asociado en el Departamento de Ciencias Animales y miembro de la Red de Microbiomas de CSU.

Hisopos para mejillas

En 2015, la coautora de papel Garneau y su equipo capacitaron a científicos ciudadanos voluntarios para usar grandes hisopos para recolectar células de las mejillas de los visitantes del museo, una población naturalmente diversa, que dio su consentimiento para el estudio. Estos científicos ciudadanos capacitados ayudaron a recolectar hisopos de 366 individuos: 181 adultos y 185 jóvenes de 8 a 17 años.

El ímpetu original para el estudio fue determinar si y en qué medida el microbioma oral contribuye a cómo las personas prueban los dulces. Al recopilar estos datos, que también se informaron en el documento, los investigadores observaron puntos de datos más significativos sobre los hábitos de salud oral.

Para ayudar a traducir los datos, Garneau recurrió al equipo de expertos de Metcalf en CSU. Burcham y los científicos del microbioma emplearon sofisticadas herramientas de secuenciación y análisis para determinar qué microbios estaban presentes en qué bocas. La secuencia de los datos se realizó en colaboración con científicos del grupo de Rob Knight en la Universidad de California en San Diego. Un equipo de nutrición de la Universidad Estatal de Michigan también aportó experiencia en la importancia de las relaciones infantiles y maternas para el análisis de datos.

"Juntos, teníamos un equipo de ensueño para utilizar la ciencia comunitaria para responder preguntas complicadas sobre la salud y la nutrición humana, utilizando la secuencia y análisis microbianos de última generación", dijo Garneau.

Uso de hilo dental y cuidado dental regular

El estudio agrupó a las personas que usaron hilo dental o no usaron hilo dental (casi todos dijeron que se cepillaron, por lo que ese no era un punto de datos útil). Se descubrió que los participantes que usaban hilo dental tenían menor diversidad microbiana en la boca que los que no usaban hilo dental. Esto probablemente se deba a la eliminación física de bacterias que podrían estar causando inflamación o enfermedad.

Los adultos que habían ido al dentista en los últimos tres meses tenían una diversidad microbiana general más baja en la boca que aquellos que no habían ido en 12 meses o más, y tenían menos del patógeno oral causante de la enfermedad periodontal, Treponema. Esto, nuevamente, probablemente se debió a la limpieza dental que eliminó los taxones bacterianos más raros en la boca. Los jóvenes tendieron a haber tenido una visita dental más recientemente que los adultos.

Los microbiomas juveniles diferían entre hombres y mujeres, y por peso. Los niños considerados obesos según sus índices de masa corporal tenían microbiomas distintos en comparación con los niños no obesos. Los niños obesos también tienden a tener niveles más altos de Treponema, el mismo patógeno encontrado en adultos que no habían estado en el dentista en más de un año. En otras palabras, los investigadores vieron un posible vínculo entre la obesidad infantil y la enfermedad periodontal. "Esto fue muy interesante para mí, que pudimos detectar estos datos en una población tan general, con un grupo de personas tan variable", dijo Burcham.

Otros datos descubiertos: los microbiomas de los participantes más jóvenes, principalmente en el rango de 8 a 9 años, tenían más diversidad que los de los adultos. Sin embargo, los microbiomas adultos varían más de persona a persona. Los investigadores piensan que esto se debe a que los entornos y las dietas de los adultos son más amplios que los niños.

También vieron que las personas que vivían en el mismo hogar compartían microbiomas orales similares."Cuando observas a las familias que viven juntas, descubres que comparten más de esos taxones raros, las bacterias que no se encuentran con tanta frecuencia en las abundancias más altas", explicó Burcham. Fue un punto de datos que subrayó la relevancia del entorno construido en relación con las comunidades microbianas en nuestros cuerpos. Trabajar en el estudio de la boca fue fascinante, aunque fuera del alcance normal de Burcham; Por lo general, se centra en estudiar la ecología microbiana de la descomposición.

"Creo que nuestras vidas son impulsadas esencialmente por nuestros microbiomas y afectadas por nuestros microbiomas, es interesante, sin importar qué sistema estemos mirando", dijo Burcham. El estudio fue posible gracias a un Premio de Asociación de Educación Científica del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, Institutos Nacionales de Salud (Premio # R250D021909).

Referencias

1-  Zachary M. Burcham, Nicole L. Garneau, Sarah S. Comstock, Robin M. Tucker, Rob Knight, Jessica L. Metcalf. Patterns of Oral Microbiota Diversity in Adults and Children: A Crowdsourced Population Study. Scientific Reports, 2020; 10 (1) DOI: 10.1038/s41598-020-59016-0

2-  Colorado State University. (2020, March 2). The microbes in your mouth, and a reminder to floss and go to the dentist: Oral microbiome was subject of crowd-sourced study. ScienceDaily. Retrieved March 6, 2020 from www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200302162248.htm

Las moléculas complejas emergen sin evolución o diseño

Las moléculas complejas emergen sin selección natural o diseño

En biología, las proteínas plegadas son responsables de la mayoría de las funciones avanzadas. Estas proteínas complejas son el resultado de la evolución o diseño de los científicos. Ahora, un equipo de científicos dirigido por el profesor de química de sistemas de la Universidad de Groninga, Sijbren Otto, ha descubierto una nueva clase de moléculas plegables complejas que emergen espontáneamente de bloques de construcción simples. Los resultados fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society el 16 de enero.

El grupo de investigación Otto estudia cómo los bloques de construcción simples, en este caso una nucleobase unida al aminoácido ácido aspártico, pueden formar anillos. En investigaciones anteriores, Otto ha demostrado que tales anillos pueden formar pilas que pueden crecer y dividirse, y muestran un nivel de evolución química. Pero esta vez, sucedió algo diferente. Otto: 'Uno de mis estudiantes de doctorado, Bin Liu, notó que se formaron anillos muy grandes, polímeros de 15 bloques de construcción'. Eran extremadamente estables, por lo que finalmente la mayoría de los bloques de construcción se transformaron en estos anillos.

Patrones de plegamiento

Después de estudiar la estructura de los anillos con cristalografía de rayos X, quedó claro para el equipo que estaban plegados. 'Cuando los anillos forman pilas, hay interacción entre las moléculas. En este caso, la interacción tuvo lugar dentro de la molécula grande. Las partes hidrofóbicas del anillo se plegaban en el centro de la molécula, que también es lo que sucede con las proteínas en el agua. El patrón de plegado, sin embargo, es completamente diferente. Las proteínas son polímeros unidos por enlaces amina. En nuestras moléculas, los bloques de construcción están unidos exclusivamente por enlaces disulfuro. La diferencia en la estructura da como resultado un patrón de plegado diferente '.

Esta es la primera vez que se describe una estructura plegable compleja que es tan radicalmente diferente de las proteínas. "A pesar de décadas de investigación, todavía no tenemos reglas de diseño confiables que puedan predecir completamente el plegamiento de proteínas", explica Otto. Esto dificulta el diseño de nuevas enzimas. Una clase diferente de moléculas de plegamiento puede ayudarnos a comprender las reglas básicas del plegamiento molecular. 'Además, la molécula que describimos en nuestro artículo es solo la primera que hemos descubierto. El año pasado, descubrimos varios más

Origen de la vida

Las proteínas tienen dos estructuras plegables principales: las hélices alfa y la lámina beta. "En el diseño de proteínas, los científicos usan variaciones sobre estos temas, como agregar una hélice adicional", dice Otto. "Tienden a mantenerse cerca de lo que la naturaleza ha ofrecido". La nueva estructura plegable da como resultado cinco pilas de cinco anillos aromáticos. La molécula completa tiene una simetría de cinco bucles. "Sin embargo, las otras estructuras basadas en tioles que todavía estamos estudiando muestran otros tipos de plegamiento".

Una conclusión sorprendente del descubrimiento de esta nueva molécula plegable es que la complejidad puede surgir espontáneamente, sin la necesidad de la selección natural o de un diseño consiente. "Esto es interesante para la investigación del origen de la vida: aparentemente, puedes obtener estas moléculas complejas antes de que la evolución biológica haya comenzado". La formación de la nueva molécula está impulsada por el plegamiento, explica Otto. 'Eso es bastante especial. El nivel de energía de esta molécula es muy bajo. Esto impulsa el equilibrio de una mezcla "aleatoria" de anillos pequeños hacia este 15-mer específico muy estable”.

Diseño consiente

La nueva molécula plegada aumentará nuestra comprensión del plegamiento molecular, lo que debería estimular un diseño molecular racional alternativo basado al enlace peptídico. Aún no está claro si los polímeros a base al enlace tiol son tan útiles como los peptídicos para su uso en catálisis (como las proteínas en la naturaleza). "Sabemos que pueden unir otras moléculas, pero aún estamos tratando de descubrir si pueden tener propiedades catalíticas, como las enzimas". El plegado es importante para crear sitios activos en enzimas: “Se necesita un posicionamiento muy preciso de los residuos para crear un sitio activo. Esto no puede lograrse mediante enlaces químicos directos entre aminoácidos. Solo se puede lograr plegando la secuencia”.

El estudiante de doctorado Bin Liu, primer autor del artículo de JACS, ha jugado un papel muy importante en el estudio, dice Otto: descubrió la molécula plegada. “Los cristales para los estudios de difracción de rayos X fueron cultivados por Piotr Chmielewski en Polonia, con quien Liu ya colaboró ​​en su tesis de maestría. El laboratorio de Chmielewski también realizó los estudios de RMN. Los estudios de sincrotrón se realizaron con Ennio Zangrando y Nicola Demitri en Italia, y Liu viajó desde Groninga a Polonia y luego a Italia con las muestras”.

Referencias

University of Groningen. (2019, January 17). Complex molecules emerge without evolution or design. ScienceDaily. Retrieved October 24, 2019 from www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190117110824.htm

Liu, B., Pappas, C. G., Zangrando, E., Demitri, N., Chmielewski, P. J., & Otto, S. (2018). Complex molecules that fold like proteins can emerge spontaneously. Journal of the American Chemical Society, 141(4), 1685-1689.

Evolución rápida: nuevos hallazgos sobre sus mecanismos moleculares

Evolución rápida: nuevos hallazgos sobre sus mecanismos moleculares

Los mecanismos por los cuales surgen nuevas especies aún no se comprenden completamente. ¿Cuáles son los procesos evolutivos que impulsan la evolución de nuevas especies? Los biólogos evolutivos tradicionalmente asumieron que las barreras geográficas entre las poblaciones animales juegan un papel decisivo (especiación alopátrica): una especie se separa físicamente en dos o más poblaciones aisladas, evitando así el flujo de genes entre estos grupos. Las subpoblaciones se adaptan a sus respectivos hábitats y evolucionan en especies independientes con diferentes características.

Sin embargo, en los últimos años, el biólogo evolutivo Profesor Axel Meyer de la Universidad de Konstanz no solo ha podido demostrar que las nuevas especies pueden evolucionar a partir de una población fuente dentro de un hábitat compartido y en presencia de flujo de genes (especiación simpátrica), sino que también que este tipo de especiación podría ser mucho más común de lo que se pensaba anteriormente. Su laboratorio está investigando los mecanismos ecológicos y genéticos que facilitan la especiación simpátrica. En una publicación reciente en la revista científica Molecular Biology and Evolution, Axel Meyer y sus colegas Paolo Franchini, Peiwen Xiong, Carmelo Fruciano, Ralf Schneider, Joost Woltering y Darrin Hulsey identifican el papel decisivo que desempeña un tipo de interruptor genético, microRNAs. especiación simpátrica.

Evolución rápida en cíclidos

Los investigadores dirigidos por Axel Meyer analizan el pez cíclido Midas de los lagos de cráter volcánico de Nicaragua como un sistema modelo en su investigación. Los cíclidos son conocidos por su capacidad de adaptarse a nuevos entornos a un ritmo excepcionalmente rápido y de formar nuevas especies. Las nuevas especies de peces se originan en una población que se encuentra en los grandes lagos de Nicaragua, pero después de colonizar varios lagos de cráter muy pequeños y jóvenes, se adaptaron a nuevos nichos ecológicos, evolucionaron nuevas características (por ejemplo, un cuerpo más alargado o una mandíbula diferente) y evolucionaron en una variedad de nuevas especies en menos de 22,000 años.

Otra característica distintiva de estos cíclidos de Midas es que evolucionaron en diferentes especies dentro de la misma población, a veces repetidamente, adaptándose a diferentes nichos ecológicos dentro de sus pequeños lagos de cráter. Los cíclidos de Midas de Nicaragua son, por lo tanto, uno de los ejemplos más conocidos de especiación simpátrica. Dentro de un período de tiempo tan corto, es muy poco probable que ocurran nuevas mutaciones. Esto hizo que encontrar un mecanismo molecular que pueda producir diferentes formas corporales, adaptaciones y, por lo tanto, distintos nichos ecológicos, sea tan difícil e interesante. La evolución de los microARN y los nuevos sitios objetivo para que puedan regular la expresión de genes ofrece un mecanismo molecular potencial que puede provocar un cambio evolutivo muy rápido con muy pocas diferencias genéticas entre las especies extremadamente jóvenes.

Los microARN

Los biólogos de Konstanz llevaron a cabo análisis genéticos de cinco especies de cíclidos de Midas de los lagos del cráter Apoyo y Xiloá. Aquí, se centraron en particular en la función del llamado microARN, un ácido ribonucleico no codificante que tiene un efecto regulador sobre la expresión génica. Los investigadores encontraron una mayor actividad de microARN en peces jóvenes un día después de que eclosionaron durante una fase en la que se forman los cuerpos de los peces. Analizaron la interacción entre el microARN y la expresión génica, identificando pares específicos de microARN y genes que se influyen entre sí. El microARN suprime la expresión de los genes diana y, por lo tanto, tiene un efecto regulador sobre ellos: cuanto más activo es un microARN particular, más eficazmente se suprime o "apaga" el gen diana. "Los resultados de nuestra investigación proporcionan evidencia sólida de que la regulación de microARN de evolución extremadamente rápida contribuye a la especiación rápida y simpátrica de los cíclidos de Midas", dice Paolo Franchini.

Fuentes

University of Konstanz. (2019, August 14). Rapid evolution: New findings on its molecular mechanisms. ScienceDaily. Retrieved October 23, 2019 from www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190814105222.htm

Franchini, P., Xiong, P., Fruciano, C., Schneider, R. F., Woltering, J. M., Hulsey, C. D., & Meyer, A. (2019). MicroRNA gene regulation in extremely young and parallel adaptive radiations of crater lake cichlid fish. Molecular Biology and Evolution.

De la basura a un tesoro

Uno de los problemas de la lógica de las grandes industrias es el hecho de ver los materiales como bienes de consumo, que entre más rápido sean eliminados para comprar otros nuevos mejor, sin pensar cual es el destino de dichos materiales después de que han sido desechados. Se trata de un pensamiento lineal que ha traído graves problemas al medioambiente y a la salud pública. Los vertederos pueden sacar provecho de todos sus desechos putrefactos si les damos una oportunidad y los convertimos en un foco de investigación y una nueva patente explica exactamente cómo aprovechar al máximo los rellenos de basura apestosos. La descomposición de basura produce metano, un gas de vertedero que puede ser usado para producir electricidad o calor. Dado que el metano es un gas de efecto invernadero mucho más potente que el dióxido de carbono; y a que la mayoría de los vertederos no producen lo suficiente como para hacer que la producción de energía valga la pena, muchos basureros queman el metano para que el gas no escape a la atmósfera. Pero un proceso inventado por Russell Chianelli, Ph.D., un profesor de química en la Universidad de Texas en El Paso, muestra cómo los vertederos pueden aumentar su producción de metano para obtener beneficios.

"Estamos desperdiciando metano valioso quemándolo", dijo Chianelli. "Este proceso puede ayudar a los vertederos a hacer un montón de electricidad para obtener un beneficio económico vendiéndolo de nuevo a la compañía eléctrica". El proceso patentado consiste en capturar y reciclar el gas base. El gas puede utilizarse para calentar el relleno sanitario y para proporcionar condiciones de humedad adicionales, lo que puede aumentar la producción total de metano del vertedero. El dióxido de carbono que se encuentra dentro del gas de escape capturado también liberará metano adicional una vez reciclado dentro del vertedero. La invención lleva este proceso de refuerzo de metano un paso más allá, sugiriendo que parte del gas de escape reciclado se utilice para cultivar algas. Chianelli explicó: "Los que fabrican el metano en los vertederos son los organismos que se alimentan de los desechos que se descomponen, lo que necesitamos hacer es alimentarlos aún más para producir más metano" lo cual no solo purdice mas energía, sino que también acelera el proceso de descomposición. La mitad de las algas cultivadas pueden ser bombeadas dentro del vertedero para aumentar aún más la producción de metano, mientras que la otra porción de algas podría ir hacia la creación de combustibles de biodiesel. "Lo bueno de esto es que es un proceso limpio", dijo Chianelli. "Nada va a perder, es un sistema de descarga cero".

Los rellenos sanitarios también pueden ser vistos como minas de materiales que se hacen cada vez más caros como los plásticos, sin embargo las primeras tecnologías necesitaban usar agua para separar. Para evitar este desperdicio, Ak Inovex de México desarrolló una nueva tecnología verde que no requiere líquidos, y tiene la capacidad de procesar materiales como, poliestireno “icopor” y ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) usando el mismo tipo de maquinaria personalizable.  La tecnología desarrollada por Marco Adame, fundador de Ak Inovex, puede procesar más del 90 por ciento de cualquier tipo de plástico, evita el desperdicio de agua y reduce los costos de producción a la mitad sin reducir la calidad de los pellets evitando las etapas con severos cambios de temperatura. Marco Adame dijo que el proceso original de obtención de perlas recicladas implica el lavado y luego el rectificado de contenedores de plástico. Sin embargo, este tipo de plástico tiene la distinción de ser higroscópico (cuando entra en contacto con el agua que retiene la humedad a nivel molecular), por lo que tiene que ser deshidratado para que pueda ser cristalizado; esto implica aplicar calor a 180º C y luego enfriar el material con agua.

Sin embargo, el desarrollo de AK Inovex realiza todo este proceso sin agua, por lo que va directamente a la formación de perlas recicladas. Como resultado, el consumo de energía se reduce a la mitad, y también el espacio físico requerido para realizar la operación es menor porque el sistema es más compacto. Asimismo, la producción de perlas plásticas es de mejor calidad, situación que hace que el proceso de reciclaje sea más rentable. "Ak Inovex tiene un registro de patente pendiente de las tres tecnologías que integran el desarrollo, que son responsables de enfriar el plástico a través del contacto con paredes especiales y formar las cuentas de plástico", explicó el fundador de la compañía. La ventaja de esta tecnología es su capacidad para procesar cualquier tipo de plástico, como espuma de poliestireno, PET y ABS; la diferencia reside en el mecanismo, porque hay una pieza especial para cada tipo de material. La capacidad de producción de cuentas de plástico es de dos toneladas y el equipo está trabajando actualmente en aumentarlo a diez.

Para el 2016, la empresa quiere cambiar su estrategia de negocio y añadir una lavadora ecológica para plásticos que utiliza un biodetergente especial, lo que reducirá aún más el costo de operación. Marco Adame comentó que durante su participación en el Cleantech Challenge México, un concurso para promover el desarrollo de las empresas ecológicas, tuvo contacto con el grupo ALINSA, que se dedica a la fabricación de productos de limpieza ecológicos con productos químicos biodegradables. Después de la competencia, las dos empresas comenzaron a hablar y unieron esfuerzos con el objetivo de integrar el sistema de lavado ecológico utilizando sustancias plásticas degradables en menos de 28 días sin afectar el medio ambiente, reemplazando así la lejía, que es la sustancia utilizada actualmente para lavar los materiales .

Referencias 

Investigación y Desarrollo. (2015, January 4). Technology to recycle all type of plastics without using water. ScienceDaily. Retrieved September 3, 2017 from www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150104152309.htm

University of Texas at El Paso. (2015). How to make a profit from rotting garbage. ScienceDaily. Retrieved September 3, 2017 from www.sciencedaily.com/releases/2015/03/150331100859.htm 

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¿Hacia una química cuántica?

¿Las reacciones químicas son algo sencillo? O más bien el producto de un estilo de ciencia, es decir una ciencia en la que se buscaban crear modelos más simples que la realidad misma para poder bosquejar matemáticamente y obtener control sobre procesos simples, efectivos e industrializables. Sin embargo la naturaleza de la reacción química es algo un poco más complejo, y cualquiera que haya visto una red de reacciones metabólicas podrá darse cuenta de lo enmarañado que se pone. Y Hablando de reacciones biológicas, reconocer el mecanismo de acción de las enzimas, que son los catalizadores biológicos, ha sido un problema por décadas, debido a que las enzimas reaccionan por su topología no por su secuencia completa, sin embargo hasta el momento el estudio del plegamiento de las enzimas había sido difícil debido a la complejidad de los datos presentes.

Los especialistas esperan nada menos que una revolución tecnológica de los ordenadores cuánticos, que esperan pronto les permitirá resolver problemas que son actualmente demasiado complejos para los superordenadores clásicos. Las áreas de aplicación comúnmente discutidas incluyen encriptación y descifrado de datos, así como problemas especiales en los campos de la física, la química cuántica y la investigación de materiales; con lo cual se espera un nuevo nivel de entendimiento de las redes de reacciones y de sus mecanismos, especialmente en las reacciones biológicas que dependen de enzimas para que se den de manera efectiva.

Pero cuando se trata de preguntas concretas que sólo los ordenadores cuánticos pueden responder, los expertos han permanecido relativamente evasivos. Investigadores de ETH Zurich y Microsoft Research presentan ahora una aplicación específica por primera vez en la revista científica PNAS: evaluación de una reacción química compleja. Sobre la base de este ejemplo, los científicos muestran que las computadoras cuánticas de hecho pueden entregar resultados científicamente relevantes. Un equipo de investigadores liderados por los profesores de ETH Markus Reiher y Matthias Troyer utilizaron simulaciones para demostrar cómo una compleja reacción química podía ser calculada con la ayuda de una computadora cuántica. Para lograr esto, la computadora cuántica debe ser de un "tamaño moderado", dice Matthias Troyer, profesor de Física Computacional de ETH Zurich y actualmente trabaja para Microsoft. El mecanismo de esta reacción sería prácticamente imposible de evaluar con un supercomputador clásico - especialmente si los resultados son suficientemente precisos.

Una de las enzimas más complejas

Los investigadores eligieron una reacción bioquímica particularmente compleja como ejemplo para su estudio: gracias a una enzima especial conocida como nitrogenasa, ciertos microorganismos son capaces de dividir las moléculas de nitrógeno atmosférico para crear compuestos químicos con átomos de nitrógeno únicos, proceso conocido como fijación del nitrógeno y de la cual dependen casi todos los ecosistemas del planeta, mejorar su funcionamiento generaría una revolución agrícola comparable a la introducción de las semillas híbridas y los fertilizantes. Todavía se desconoce cómo funciona exactamente la reacción de la nitrogenasa. "Este es uno de los mayores misterios sin resolver en la química", dice Markus Reiher, profesor de química teórica en la ETH Zurich. Los ordenadores que están disponibles hoy en día son capaces de calcular el comportamiento de moléculas simples con bastante precisión. Sin embargo, esto es casi imposible para la enzima nitrogenasa y su centro activo, que es simplemente demasiado complejo, explica Reiher.

En este contexto, la complejidad es un reflejo de cuántos electrones interactúan entre sí dentro de la molécula a lo largo de distancias relativamente largas. Cuantos más electrones un investigador necesite tener en cuenta, más sofisticados serán los cálculos. "Los métodos existentes y los superordenadores clásicos se pueden utilizar para evaluar moléculas con aproximadamente 50 electrones que interactúan fuertemente, como máximo", dice Reiher. Sin embargo, hay un número significativamente mayor de tales electrones en el centro activo de una enzima nitrogenasa. Porque con las computadoras clásicas el esfuerzo requerido para evaluar una molécula se duplica con cada electrón adicional, se necesita una cantidad irreal de potencia computacional clásica.

Computadoras con una arquitectura diferente

Como lo demuestran los investigadores de ETH, los ordenadores cuánticos hipotéticos con sólo 100 a 200 bits cuánticos (qubits) potencialmente serán capaces de calcular subproblemas complejos dentro de unos días. Los resultados de estos cálculos podrían ser usados para determinar el mecanismo de reacción de la nitrogenasa paso a paso.  Que los ordenadores cuánticos son capaces de resolver tales tareas desafiantes en todo es parcialmente el resultado del hecho de que están estructurados de manera diferente a los ordenadores clásicos. En lugar de requerir dos veces más bits para evaluar cada electrón adicional, los ordenadores cuánticos simplemente necesitan un qubit más. Sin embargo, todavía queda por ver cuando tales computadoras cuánticas "moderadamente grandes" estarán disponibles. Las computadoras cuánticas experimentales actualmente existentes utilizan en el orden de 20 qubits rudimentarios, respectivamente. Tomará por lo menos otros cinco años, o más probablemente diez, antes de que tengamos computadoras cuánticas con procesadores de más de 100 qubits de alta calidad, estima Reiher.

Producción en masa y conectividad

Los investigadores hacen hincapié en el hecho de que los ordenadores cuánticos no pueden manejar todas las tareas, por lo que servirán como complemento de las computadoras clásicas, en lugar de reemplazarlas. "El futuro será moldeado por la interacción entre las computadoras clásicas y las computadoras cuánticas", dice Troyer. Con respecto a la reacción de la nitrogenasa, los ordenadores cuánticos serán capaces de calcular cómo los electrones se distribuyen dentro de una estructura molecular específica. Sin embargo, las computadoras clásicas todavía necesitarán decir a los ordenadores cuánticos qué estructuras son de particular interés y por lo tanto deben ser calculadas. "Las computadoras cuánticas necesitan ser pensadas más como un co-procesador capaz de asumir tareas particulares de las computadoras clásicas, permitiéndoles así ser más eficientes", dice Reiher. Explicar el mecanismo de la reacción de nitrogenasa requerirá también más que sólo información sobre la distribución de electrones en una estructura molecular única; De hecho, esta distribución debe determinarse en miles de estructuras. Cada cálculo toma varios días. "Para que los ordenadores cuánticos sean útiles para resolver este tipo de problemas, primero tendrán que ser producidos en masa, permitiendo que los cálculos se lleven a cabo simultáneamente en varios ordenadores", dice Troyer.

Referencias principales

Reiher, M., Wiebe, N., Svore, K. M., Wecker, D., & Troyer, M. (2017). Elucidating reaction mechanisms on quantum computers. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201619152.

Referencias secundarias

ETH Zurich. (2017, August 2). Clarifiying complex chemical processes with quantum computers. ScienceDaily. Retrieved August 2, 2017 from www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170802103051.htm

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