Un nou probiòtic activa la microbiota contra el càncer de fetge

Click here for the english version:  A new probiotic modulates gut microbiota against hepatocellular carcinoma

13 juliol 2016

Els darrers anys s’han anat desvetllant els efectes beneficiosos de la microbiota intestinal humana sobre diversos marcadors de la salut, com la inflamació, la resposta immune, les funcions metabòliques i el pes, així com la importància que tenen aquests bacteris simbiòtics nostres. En relació a la nostra microbiota vegeu per exemple aquests altres posts del meu blog: “Els clostridis bons ens eviten al·lèrgies“, “Bacteris controlant el que mengem” o “Bacteris de la llet materna“.

Al mateix temps s’ha vist que els probiòtics poden ser una bona solució per a moltes malalties amb la microbiota intestinal afectada. Efectivament, s’ha demostrat el paper beneficiós dels probiòtics per tal de reduir la inflamació gastrointestinal i prevenir el càncer colorectal.

Ara bé, recentment s’ha observat que els probiòtics poden tenir efectes beneficiosos en altres parts del cos més enllà del tracte gastrointestinal, en concret amb efectes immunomoduladors sobre un carcinoma hepatocel·lular (CHC). En efecte, investigadors de la Universitat de Hong Kong, juntament amb altres de la Universitat de Finlàndia Oriental, han publicat un estudi (Li et al, PNAS, 2016) en aquest sentit, en el qual han vist reduccions del 40% del pes i mida del tumor CHC del fetge de ratolins als que se’ls havia administrat un nou producte barreja de probiòtics, “Prohep”.

El carcinoma hepatocel·lular (CHC) és el tipus més usual de càncer de fetge, és el 2n càncer més mortal, i força abundant en llocs amb taxes altes d’hepatitis. A més, el fàrmac més utilitzat per reduir la proliferació del tumor, el sorafenib, és caríssim. El cost d’aquest inhibidor multiquinasa és de 3400€, per a les 112 pastilles de 200 mg del tractament recomanat de 4 pastilles al dia durant un mes. En canvi, qualsevol tractament amb probiòtics que s’arribés a demostrar que fos eficaç i pogués substituir aquest fàrmac, seria molt més econòmic.

La nova barreja de probiòtics Prohep està compost per diversos bacteris: Lactobacillus rhamnosus GG (LGG), Escherichia coli Nissle 1917 (EcN), i el conjunt inactivat pel calor VSL#3 (1:1:1), que conté Streptococcus thermophilus, Bifidobacterium breve, Bf. longum, Bf. infantis, Lb. acidophilus, Lb. plantarum, Lb. paracasei, i Lb. delbrueckii.

En el treball esmentat, Li et al. (2016) van alimentar ratolins amb el Prohep durant una setmana abans d’inocular-los un tumor al fetge, i van observar una reducció del 40% del pes i mida del tumor en comparació als animals control. Com veiem a la Figura 1, l’efecte és significatiu als 35 dies, i també per als que se’ls administra el Prohep el mateix dia de la inoculació del tumor. Lògicament, l’efecte de reducció és molt més manifest en administrar un compost antitumoral com Cisplatina.

Aquests investigadors van veure que la reducció del tumor era degut a la inhibició de l’angiogènesi, el procés que fa generar nous vasos sanguinis a partir dels existents, cosa essencial per al creixement tumoral. Relacionat amb la reducció tumoral, van trobar nivells alts del GLUT-1+ hipòxic, o sigui, que al tumor hi havia hipòxia causada pel menor flux sanguini, ja que aquest era un 54% menor, respecte als controls.

 

Fig 1 Li-Fig1B tumor size - days tumor

Figura 1. Variació de mida del tumor. ProPre: administració de Prohep 1 setmana abans d’inoculació del tumor; ProTreat: administració de Prohep el mateix dia d’inoculació del tumor; Cisplatin: administració d’aquest antitumoral. (Fig 1 B de Li et al, 2016).

 

També van determinar que hi havia una menor quantitat del factor angiogènic proinflamatori IL-17 i de les cèl·lules Th17 del sistema immune, que s’associen també al càncer. La menor inflamació i angiogènesi limiten el creixement del tumor.

I a més a més, aquests investigadors van establir que aquests efectes beneficiosos de l’administració dels probiòtics estava relacionats amb l’abundància de bacteris beneficiosos de la microbiota intestinal pròpia dels ratolins, que analitzaren per metagenòmica. O sigui, que els probiòtics modulen la microbiota, afavorint alguns bacteris propis, que són els que produeixen metabòlits antiinflamatoris com la citoquina IL-10 i que suprimeixen la diferenciació de les cèl·lules Th17.

 

Fig 2 gut microbiota Eye of Science

Figura 2. Bacteris de la microbiota intestinal humana al microscopi electrònic de rastreig (SEM) (Imatge colorejada, de Eye of Science / Science Source)

 

Alguns d’aquests bacteris de la microbiota identificats per metagenòmica als ratolins que se’ls havia administrat el Prohep són Prevotella i Oscillibacter. El primer és un bacteri gram-negatiu bacteroidal, que és abundant a la microbiota de nen africans rurals amb dietes riques en carbohidrats. Oscillibacter és un gram-positiu clostridial, que es coneix als humans com a productor del neurotransmissor GABA. Són un exemple més de la importància d’alguns bacteroidals i clostridials en la microbiota intestinal, ja que en són majoria, i malgrat que no són ni molt menys utilitzats com a probiòtics, cada cop se’ls troba més funcions positives, com per exemple evitant al·lèrgies (Els clostridis bons ens eviten al·lèrgies).

Se sap que aquests bacteris produeixen metabòlits antiinflamatoris i per tant serien els principals implicats en regular l’activitat de les cèl·lules immunes que propicien el creixement del tumor. La reducció del tumor observada en aquests experiments amb ratolins seria efecte de l’acció combinada dels mateixos bacteris probiòtics administrats junt amb la microbiota pròpia afavorida per aquests. Veiem un possible esquema d’aquestes accions a la Figura 3.

 

Fig 3 Sung fig 2

Figura 3. Diagrama simplificat dels possibles mecanismes dels bacteris intestinals influint sobre la polarització de les cèl·lules Th17 de la làmina pròpia de la mucosa intestinal. Els bacteris de la microbiota activarien les cèl·lules dendrítiques, les quals segreguen citoquines (IL-22, IL-23, IL-27). Els bacteris poden promoure la immunitat de Th17 induint IL-23, que pot estar involucrada mitjançant la senyal de lligands TLR, o ATP extracel·lular o l’amiloide A sèric (SAA). Mentrestant, algunes soques probiòtiques podrien inhibir el desenvolupament de Th17 per la via de la producció de IL-12 i IL-27, a banda d’afavorir el creixement i colonització dels bacteris propis que indueixen Th17 (Sung et al 2012, Fig. 2).

 

Encara que ja sabem que la progressió dels càncers és un procés molt complex, i que als microambients del tumor hi ha una infiltració de molts diversos tipus de cèl·lules del sistema immunitari com cèl·lules T, neutròfils, cèl·lules killer, macròfags, etc, la subpoblació de cèl·lules helper Th17 sembla que és prevalent en la progressió dels tumors, i per tant, aquests efectes dels probiòtics i la microbiota obren bones perspectives.

Encara és aviat per dir si aquests descobriments contribuiran a un tractament del càncer de fetge humà, i per tant calen investigacions en humans per veure si aquests probiòtics podrien ser utilitzats com a tal o en tàndem amb algun fàrmac, en funció del estadi i mida del tumor. En qualsevol cas, s’obre un nou ventall de possibilitats de recerca dels mecanismes moleculars dels efectes beneficiosos dels probiòtics més enllà del tracte intestinal.

 

Bibliografia

El-Nezami H (2016 april 27) HKU develops novel probiotic mixture “Prohep” that may offer potential therapeutic effects on liver cancer. The University of Hong Kong (HKU) 27 Apr 2016

El-Nezamy H, Lee PY, Huang J, Sung YJ (2015) Method and compositions for treating cancer using probiotics. Patent WO 2015021936 A1

Li J, Sung CYJ, Lee N, Ni Y, Pihlajamäki J, Panagiotou G, El-Nezami H (2016) Probiotics modulated gut microbiota suppresses hepatocellular carcinoma growth in mice. PNAS E1306-E1315

Oelschlaeger TA (2010) Mechanisms of probiotic actions – A review. Int J Med Microbiol 300, 57-62

Packham C (2016) Probiotics dramatically modulate liver cancer growth in mice. Medical Press, Med Research 23 Feb 2016

Silgailis M (2016) Treating some cancers with probiotics in the future ? Probiotic Prohep. Lacto Bacto: Health, Microbes and More 23 Feb 2016

Sung CYJ, Lee NP, El-Nezami H (2012) Regulation of T helper by bacteria: an approach for the treatment of hepatocellular carcinoma. Int J Hepatology ID439024, doi:10.1155/2012/439024

UEF News and Events (2016) A novel probiotic mixture may offer potential therapeutic effects on hepatocellular carcinoma. University of Eastern Finland 1 Mar 2016

 

L’efecte accelerat del canvi climàtic a l’ecosistema àrtic

12 febrer 2016

Click here for the english version: The effect of rapid climate change in the Arctic ecosystem

 

L’oceà Àrtic o l’Àrtida

Curiosament i casualment, “àrtic” prové de la paraula grega αρκτος -arctos-, que vol dir “ós”, i és una referència a la constel·lació Óssa Menor, on hi ha l’estrella Polar, que assenyala el pol nord geogràfic.

L’Àrtic, o també anomenat Àrtida, constitueix un ecosistema únic de la Terra, format per una extensa banquisa, o sigui un oceà cobert de gel, a vegades considerat com la part nord de l’oceà Atlàntic, i que està envoltat per terra que és permagel (permafrost), amb absència absoluta d’arbres. La vida a l’Àrtida consta d’organismes adaptats al gel, incloent zooplàncton i fitoplàncton, peixos, mamífers marins, ocells, animals terrestres, plantes i societats humanes totalment adaptades a les condicions extremes de l’entorn.

Degut a l’escalfament global, les isotermes estan avançant en direcció nord a un ritme superior als 50 km per dècada durant els últims 30 anys, de manera que si definim l’àrtic a partir de la temperatura o de la línia d’arbres la seva extensió està disminuint, cosa de la qual l’efecte més visible és la reducció de la banquisa.

 

Canvi climàtic antropogènic: Escalfament global i especialment a l’Àrtic

Doncs sí: el canvi climàtic ja és aquí i és generat per les activitats humanes, o sigui és antropogènic. A la Terra hi han hagut prèviament oscil·lacions de la temperatura global causades per fenòmens naturals, normalment variacions cícliques i de llarga durada. Per exemple les glaciacions des de fa uns 2 milions d’anys es repeteixen cada 100.000 anys i la última època glacial va acabar fa 15.000 anys. Per tant ara vivim es un període interglacial i la propera glaciació podria esdevenir no abans d’uns 50.000 anys. La causa d’aquest cicle de glaciacions sembla que són les variacions orbitals de la Terra, que donen lloc a una menor insolació a les latituds altes de l’hemisferi Nord durant els períodes glacials.

L’activitat solar, com la d’altres estrelles, també té cicles i aproximadament cada 600 anys hi ha uns períodes de molt poca activitat (molt poques taques i absència d’aurores), amb menor emissió d’energia, que es corresponen amb períodes freds en el clima terrestre. El darrer mínim fou els anys 1645-1715, i per tant des de mitjans del segle XVIII gaudim d’un màxim d’activitat, amb petits cicles de màxims i mínims de 11 anys.

Descomptant aquestes variacions naturals, és evident que al llarg del segle XX i sobretot des dels anys 1960 hi ha hagut un increment constant de la temperatura mitjana global (Figura 1), fins assolir quasi 1ºC més que a l’inici del segle XX. Als primers anys d’aquest segle XXI la tendència s’està agreujant. Els últims 10 anys han estat els més calorosos des que es porten registres i les prediccions són a seguir augmentant. La majoria dels experts estan d’acord en què els humans exerceixen un impacte directe sobre aquest procés d’escalfament, conegut com a efecte d’hivernacle. Els causants d’aquest efecte són els components gasosos de l’atmosfera, i sobretot el CO2, que ha anat augmentant en paral·lel a la pujada de temperatures, des d’unes 300 ppm a inicis del s. XX fins als quasi 400 ppm actuals. Aquest CO2 i altres gasos com el mateix vapor d’aigua, el metà i altres exclusivament antropogènics, absorbeixen la radiació i el resultat és que l’atmosfera s’escalfa encara més.

Fig 1 gistemp_preI_2015 reg Temp

Figura 1. Increment de la temperatura mitjana global respecte l’inici del segle XX (tret de GISTEMP).

 

Aquest escalfament global és especialment manifest a l’Àrtida. Els increments de temperatura son més elevats a les latituds nòrdiques, especialment als 60-70º N, on aquest desembre passat (Figura 2) han arribat a ser fins 9ºC superiors a la mitjana en grans extensions del nord d’Amèrica i Euràsia. És el que s’anomena amplificació d’escalfament polar (PWA, Polar Warming Amplification). La causa d’aquest sobreescalfament de l’Àrtida respecte la resta de la Terra en part és degut a la pèrdua de neu i gel (un efecte retroactiu, com un peix que es mossega la cua) perquè la major superfície de terra i aigua absorbeix més energia solar que el blanc del gel (efecte albedo), però també s’està veient que el PWA és degut en part al transport dinàmic atmosfèric, que transporta energia tèrmica i núvols des de les regions subtropicals cap al nord (Taylor et al 2013).

Fig 2 GISTEMP planisferi.png

Figura 2. Anomalia tèrmica registrada aquest desembre 2015 respecte la mitjana 1951-1980 (tret de GISTEMP).

 

A banda de les conseqüències que aquest escalfament està tenint sobre el gel de l’Àrtic que tot seguit comentarem, un altre problema greu és la fosa del permagel (permafrost), ja que aleshores s’allibera el gas metà atrapat sota el terra gelat, i les quantitats ingents de metà alliberat, com a gas d’efecte hivernacle, contribuiran encara més a accelerar l’escalfament global.

 

Cada cop menys gel a l’Àrtic

Les tendències linears de l’extensió del gel marí o banquisa de l’Àrtic des del 1979 fins ara són negatives any rere any, per a qualsevol mes que es consideri, però és més manifest comparant els setembres, al final de l’estiu quan es va fonent la banquisa (Figura 3). Dels aproximadament 7 milions km2 mínims del setembre (el màxim al mars són uns 16 milions), s’han fos uns 100.000 km2 per any, quasi un 9% cada 10 anys (Serreze et al 2007), de tal manera que ara hi ha pràcticament la meitat que el 1979 (Figura 4).

Fig 3 seaice1979vs2012 The Cryosphere Today

Figura 3. Comparació de l’extensió de la banquisa (en color roig) de setembre 1979 amb la de 2012 (tret de The Cryosphere Today).

Fig 4 fig 7 Reeves mod

Figura 4. Extensió mitjana mensual del mar de gel àrtic des de 1979 (Reeves et al 2013).

 

A més de la reducció en superfície de la banquisa, cal tenir en compte la reducció en volum, que representa que actualment és un terç del que hi havia el setembre 1979.

Hi ha una gran diferència entre els diferents models de predicció sobre la desaparició del mar de gel àrtic. La meitat d’ells en preveuen la total o pràctica desaparició el setembre del 2100. Les prediccions es mouen des del setembre del 2040 les menys optimistes, fins ben passat el 2100 les altres (Serreze et al 2007).

Uns altres problemes derivats de la desaparició de la banquisa són per un costat el trànsit de vaixells, que podrien escurçar distàncies dels trajectes entre els ports dels països septentrionals, i per un altre costat l’explotació de camps petrolífers i altres combustibles fòssils i minerals, ja que a l’Àrtida hi ha una bona part de les reserves mundials (Figura 5).

Fig 5 reeves figs 4 i 5

Figura 5. Esquerra: previsió de les rutes de vaixells de mar obert (en blau) i per a trencaglaços mitjans (en vermell) per a 2040-2059. Dreta: Distribució de les principals reserves de petroli i gas, tant les regions possibles (groc), com les llicències (vermell) i els pous en explotació o per explotar (negre). La línia discontínua senyala el límit CAFF de conservació de fauna i flor àrtica declarada pel Grup de Treball del Consell Àrtic (www.arctic-council.org). Imatges de Reeves et al 2013.

 

Conseqüències ecològiques de la desaparició de la banquisa de gel àrtic

Hi ha molts organismes vinculats a la banquisa. Els óssos blancs vagaregen sobre la banquisa àrtica, per la qual cosa es tem pel seu destí, i molts peixos, foques i crustacis (krill) formen una cadena tròfica que arrenca de les algues que creixen sota el glaç, en un ambient molt constant i enriquit en nutrients, especialment favorable per a la vida marina (Figura 6 A). La banquisa flotant a l’estiu és un corredor de dispersió de vertebrats terrestres (les guineus àrtiques per exemple) i plantes.

La progressiva desaparició de la banquisa i l’escalfament a la costa àrtica comporta una sèrie de desequilibris ecològics (Figura 6 B). Veiem per exemple com les morses obligades a romandre agrupades a terra tenen més predisposició de transmissió de malalties. La pèrdua de banquisa disminueix els corredors de dispersió i aleshores les poblacions terrestres queden més aïllades, amb la qual cosa es restringeix el flux genètic. Els óssos polars i altres predadors que cacen a la banquisa ho tenen molt més difícil i les seves poblacions perillen. La productivitat del fitoplàncton disminueix notablement, amb la qual cosa es redueix el zooplàncton, i aleshores tota la cadena tròfica (peixos, foques, etc.) es veu afectada (Post et al 2013).

Fig 6 Post F1.large

Figura 6. Interaccions ecològiques influïdes pel gel marí. A: La distribució i estacionalitat de la banquisa influeix en l’abundància, distribució i interaccions de tot l’ecosistema en equilibri. B: La major durada del període sense gel i la menor extensió de la banquisa tenen conseqüències nefastes en l’equilibri de l’ecosistema (Post et al 2013).

 

L’ós blanc es busca la vida

L’ós blanc o polar (Ursus maritimus) es considera un animal en perill d’extinció. Només en queden uns 25.000 exemplars en tot el món. L’impacte del canvi climàtic afecta al seu hàbitat exclusiu de les regions polars i les previsions apunten que amb pocs anys el gel de la banquisa àrtica es pot fondre permanentment i l’ós polar pot extingir-se a causa de l’escalfament de la zona.

L’ós blanc és bàsicament carnívor, a diferència dels altres óssos com els bruns, i subsisteix sobretot caçant foques a la banquisa. Amb la desaparició progressiva del gel, té més problemes per trobar preses, i alguns han començat a aprendre a agafar els salmons dels rius, com veiem a les imatges (Figura 7).

Fig 7a maxresdefault

Fig 7b Videos-de-Animales-oso-polar-cazando-salmon

Figura 7. Ós blanc dedicant-se a la pesca de salmons per tal de subsistir (www.youtube.com/watch?v=9m_Q9Ojbcmw).

 

També s’han vist grups d’óssos blancs en alta mar pescant (vegeu el vídeo) capbussant-se i emergint alternativament igual que si fossin dofins o marsopes. Malgrat aquestes petites adaptacions, aquesta alimentació és molt minsa i està clar que les seves poblacions estan minvant molt ràpidament.

 

Les orques prosperen cap al nord

La desaparició de la banquisa boreal és un canvi ecològic dràstic que està provocant la desaparició d’algunes espècies com l’ós blanc, però amb aquests desequilibris curiosament algunes altres espècies en surten beneficiades. És el cas de l’orca (Orcinus orca), que està prosperant cada cop més al nord (Figura 8).

Fig 8a killer-whale-mother-calf-antarctica-820x473

Fig 8b Young 2011 Polar Res Fig1

Figura 8. Llocs (senyalats amb números) de l’Àrtic canadenc on s’han fotografiat grups d’orques repetidament entre 2004 i 2009 (Young et al 2011).

 

Els esquimals inuit, habitants de tot l’Àrtic americà (des del Quebec a Alaska incloent la badia de Hudson i les illes adjacents) i la costa occidental de Groenlàndia, són els primers testimonis des de mitjans del segle XX de l’observació d’orques en les seves aigües, desconegudes abans. A més a més, aquests darrers anys els científics n’han fet nombrosos albiraments, s’han fotografiat individualment (Young et al 2011) i s’han seguit els seus recorreguts mitjançant bioacústica (Ferguson et al 2010) i altres tècniques.

Fig 9a Narwhals_breach-1024x651

Fig 9b narwhal_hunt_top_image-e1415394076242

Figura 9. (Dalt): Narvals amb el característic gran ullal que donà lloc al mite de l’unicorn. (Baix): Grup d’orques atacant els narvals arraconats a la platja. Vegeu el vídeo de PBS Nature.

Des de fa uns anys els atacs de les orques sobre els narvals (com a la Figura 9) han estat observats repetidament pels esquimals inuits i estudiats en detall per diversos científics. Laidre et al (2006) observaren que abans d’acostar-se les orques, els narvals tendeixen a agrupar-se i nadar més silenciosament i molt a prop de la platja, en aigües poc fondes. Durant l’atac, els narvals es dispersen notablement però tanmateix, la mortalitat és molt elevada. Després de la depredació, que pot durar algunes hores, s’han observat taques olioses a la superfície marina provinents del greix dels narvals depredats (Figura 10).

Fig 10 orques greix

Figura 10. Grup d’orques envoltades per taques d’oli a la superfície marina, provinents del greix dels narvals que han depredat (Laidre et al 2006).

Els atacs de les orques sobre els narvals són tan freqüents i eficaços que ja comencen a afectar la seva població. Els efectes encara són pitjors en altres cetacis amb menor població com les balenes de Groenlàndia (Balena mysticetus, bowhead), que pràcticament ja són en extinció. (Figura 11).

Fig 11 orques prey Ferguson 2010

Figura 11. Esquema de les proporcions de preses d’un grup d’orques de la badia de Hudson (Ferguson et al 2010).

 

En conclusió, el canvi climàtic antropogènic està afectant severament l’ecosistema àrtic (i tots els altres), i malgrat que se’n va prenent consciència, les mesures polítiques efectives per disminuir les emissions del CO2 i altres gasos hivernacle són tan minses, que difícilment arribaran a temps. Estem portant al planeta Terra a una extinció massiva d’espècies i uns canvis ecològics mai vistos en la història dels humans.

Fig 0 polar-bear

La imatge ho diu tot: l’ós blanc o polar s’està quedant sense hàbitat.

 

Bibliografia

Arctic Council: http://www.arctic-council.org

Ferguson S.H., Higdon J.W. & Chmelnitsky E.G. (2010) The rise of killer whales as a major Arctic predator. In S.H. Ferguson, et al. (eds.): A little less Arctic: top predators in the world’s largest northern inland sea, Hudson Bay. Pp. 117–136. New York: Springer

GISTEMP, Goddard Institute for Space Studies Surface Temperature Analysis (NASA-GISS): http://data.giss.nasa.gov/gistemp/

Hawkings E (2014) nov 28: http://www.climate-lab-book.ac.uk/2014/hiatuses-in-the-rise-of-temperature/

Laidre KL, Heide-Jørgensen MP, Orr J (2006) Reactions of narwhals, Monodon monoceros, to killer whale, Orcinus orca, attacks in the Eastern Canadian Arctic. Can. Field Nat., 120, 457–465

Morell V (2012) Killer whale menu finally revealed. http://www.sciencemag.org/news/2012/01/killer-whale-menu-finally-revealed

PBS Nature: http://www.pbs.org/wnet/nature/invasion-killer-whales-killer-whales-attack-pod-narwhals/11165/

Post et al. (2013) Ecological Consequences of Sea-Ice Decline. Science. DOI: 10.1126/science.1235225: http://www.carbonbrief.org/knock-on-effects-for-wildlife-as-the-arctic-loses-ice

Reeves RR et al (2014) Distribution of endemic cetaceans in relation to hydrocarbon development and commercial shipping in a warming arctic. Marine Policy 44, 375-389

Serreze MC, Holland MM, Stroeve J (2007) Perspectives on the Arctic’s shrinking sea-ice cover. Science 315, 5818, 1533–6.

Taylor PC, Cai M, Hu A, Meehl J, Washington W, Zhang GJ (2013) Decomposition of feedback contributions to Polar Warming Amplification. J Climate 26, 7023-43

The Cryosphere Today: http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/

Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Climate_change

Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Arctic

Young BG, Jeff W. Higdon JW, Steven H. Ferguson SH (2011) Killer whale (Orcinus orca) photo-identification in the eastern Canadian Arctic. Polar Research Vol 30

Microbiota de la pell humana, en part compartida amb el gos de casa

Click here for the english version: Human skin microbiota partly shared with the dog

17 novembre 2015

Diversitat de la microbiota humana a les diferents parts del cos i entre individus

Com havia comentat en altres posts anteriors d’aquest blog (Clostridis bons del budell 1 març 2015; Bacteris controlant el que mengem 8 set 2014; Bacteris de la llet materna 26 gener 2013), cada cop es fa més patent la importància que té la microbiota del nostre cos, o sigui el conjunt de microorganismes, sobretot bacteris, amb els quals convivim.

La microbiota humana varia d’un individu a un altre, en relació a la dieta, l’edat i les característiques fenotípiques i genètiques de cadascú. I a més, com que no vivim aïllats, també hi influeix l’entorn, o sigui les altres persones amb les que interactuem, i és clar, els altres animals amb que convivim, com els gossos i altres animals domèstics. Tots plegats també tenen microbiota pròpia.

El cos humà és la llar de molts microorganismes diferents, amb bacteris (i arquees), fongs i virus que viuen a la pell, a l’intestí i en diversos altres llocs en el cos (Figura 1). Si bé molts d’aquests microbis són beneficiosos als seus hostes humans, sabem poc sobre la majoria d’ells. Les primeres investigacions es van centrar en la comparació dels microorganismes que es troben en individus sans amb els que es troben en les persones que pateixen d’una malaltia en particular. Més recentment els investigadors s’han interessat en les qüestions més generals, com entendre com s’estableix aquesta microbiota i conèixer les causes de les similituds i diferències entre la microbiota de diferents individus.

 

Fig 1 Marsland

Figura 1. Proporcions de tipus de microorganismes que habiten a les diferents parts del cos humà: bacteris (cercles grans), fongs (cercles petits dreta) i virus (cercles petits esquerra) (Marsland & Gollwitzer 2014)

 

Ara ja se sap que les comunitats de microorganismes que es troben en els intestins de les persones relacionades genèticament tendeixen a ser més similars que els de les persones que no estan relacionades. D’altra banda, les comunitats microbianes que es troben en els intestins dels adults no relacionats que viuen a la mateixa llar són més similars que les dels adults no relacionats que viuen en diferents llars (Yatsunenko et al 2012). No obstant això, tots aquests estudis s’han centrat en l’intestí, i poc se sap sobre l’efecte de la relació, la convivència i l’edat en la microbiota en altres parts del cos, com és el cas de la pell.

 

Microbiota de la pell humana

La pell és un ecosistema d’uns 1,8 m2 de diversos hàbitats, amb plecs, invaginacions i nínxols especialitzats que acullen molts tipus de microorganismes. La funció principal de la pell és com a barrera física, protegint el cos d’assalts potencials per part d’organismes estranys o substàncies tòxiques. Com que també és la interfase amb l’ambient extern, està colonitzat per diversos microorganismes, incloent bacteris, fongs, virus, així com àcars (Figura 2). A la superfície destaquen proteobacteris, propionibacteris i estafilococs i alguns fongs com Malassezia (un basidiomicet amb un estadi unicel·lular i un altre micelià). Els àcars (en anglès mites) com Demodex folliculorum viuen al voltant dels fol·licles pilosos. Molts d’aquests microorganismes són innocus i a vegades aporten funcions vitals que el genoma humà no ha adquirit evolutivament. Els microorganismes simbiòtics protegeixen front a altres microbis patogènics o nocius. (Grice & Segre 2011).

Fig 2 Grice

Figura 2. Esquema de secció de pell humana amb els diversos microorganismes presents (Grice & Segre 2011).

 

En conseqüència amb la comentada diversitat de la microbiota, aquesta també és molt variada segons la regió de la pell que considerem (Figura 3), i per tant segons els diversos microambients, que com veiem poden ser de 3 característiques diferents: sebacis o oliosos, humits i secs.

Fig 3 Grice

Figura 3. Distribució topogràfica dels tipus de bacteris en diferents llocs de la pell (Grice & Segre 2011)

 

La pell és un complex entramat estructural, hormonal, nerviós, immunològic i microbià i en aquest sentit s’ha comprovat que la microbiota resident col·labora amb el sistema immune, especialment en la reparació de les ferides (Figura 4). Com veiem, en concret l’àcid lipoteicoic (LTA), integrant de la paret cel·lular bacteriana, alliberat per Staphylococcus epidermidis, estimula els receptors tipus Toll (Toll-Like Receptor) TLR2, que indueixen la producció de pèptids antimicrobians, i també s’estimulen els queratinòcits de l’epidermis via els TLR3 per desencadenar l’inflamació, amb producció d’interleucina i atracció de leucòcits (Heath & Carbone 2013). Tot plegat per assegurar la protecció homeostàtica i la defensa enfront possibles patògens. Més informació també a la revisió de Belkaid & Segre (2014).

Fig 4 Heath Fig1 ni.2680-F1

Figura 4. Contribució de la microbiota resident a la immunitat i la reparació de ferides (Heath & Carbone 2013)

 

A casa compartim microbiota, i amb el gos

Com dèiem al principi, l’entorn influeix en la microbiota d’un individu, i per tant, individus que viuen junts tendeixen a compartir part de la microbiota. Efectivament, això fou recentment estudiat per Song et al (2013), amb 159 persones i 36 gossos de 60 famílies (unitats conjugals amb nens i/o gossos). Els van estudiar la microbiota intestinal, de la llengua i de la pell. Van extreure el DNA d’un total de 1076 mostres, amplificant-ne la regió V2 del gen 16S rRNA amb encebadors específics, i van procedir a una seqüenciació multiplex d’alt rendiment (High-Throughput Sequencing) amb un equip Illumina GA IIx. En van obtenir un total d’uns 58 milions de seqüències, amb una mitjana de 54.000 per mostra, que van ser analitzades contrastant amb les bases de dades per saber quins tipus bacterians i en quines proporcions.

Els resultats foren que les comunitats microbianes eren més similars entre sí en individus que viuen junts, i sobretot les de la pell, més que no les intestinals o de la llengua. Això era cert per a totes les comparacions, incloent parelles d’humans, i parelles gos-humà. Com veiem a la Figura 5, el nombre de tipus bacterians compartits és més gran entre diferents parts (front, palmells de les mans i polpes dels dits del gos) de la pell del l’humà i el seu propi gos (barres blaves), que no de l’humà amb gossos d’altres famílies (barres vermelles), o dels gossos amb persones que no en tenen (barres verdes). També veiem que el nombre de tipus bacterians compartits és molt menor en comparar mostres fecals o la llengua (Song et al 2013).

Fig 5 Song

Figura 5. Nombres de filotipus (tipus filogenètics) bacterians compartits entre adults i els seus gossos (blau), els adults amb gossos d’altres (vermell) i adults que no tenen gossos amb gossos. Es comparen (gos-humà) fronts, mans, polpes de les potes, i també mostres fecals (stool) i llengües. Significativitat de ser diferents: *p<0.05, **p<0.001 (Song et al 2013)

 

Això suggereix que els humans probablement adquireixen molts dels microorganismes en la pell per contacte directe amb el seu entorn, i que els éssers humans tendeixen a compartir més microbis amb els individus, incloent a les seves mascotes, amb els que estan en contacte freqüent. Song et al. (2013) també van descobrir que, a diferència del que passa a l’intestí, les comunitats microbianes en la pell i la llengua dels lactants i els nens eren relativament similars a les dels adults. En general, aquestes troballes suggereixen que les comunitats microbianes que es troben a l’intestí canvien amb l’edat d’una manera que difereix significativament dels que es troben a la pell i la llengua.

Encara que no és el motiu principal d’aquest post, breument es pot comentar que globalment la microbiota intestinal dels gossos no és molt diferent de la dels humans en nombres (1011 per gram) i diversitat, si bé amb més proporció de Gram-positius (aprox. 60% clostridials, 12% lactobacils, 3% bifidobacteris i 3% corinebacteris) i menys Gram-negatius (2% bacteroides, 2% proteobacteris) (García-Mazcorro & Minamoto 2013).

 

Menys asma als infants que conviuen amb gossos

I encara que no s’ha acabat de demostrat la relació amb el que hem comentat de la microbiota, darrerament s’han trobat evidències dels beneficis de tenir gos per a la salut física, i no només psíquica. Uns investigadors suecs (Fall et al 2015) han fet un estudi amb tots els nadons nascuts (1 milió) a Suècia de 2001 al 2010, comptant els que patien asma als 6 anys. Com que els suecs tenen registre de tots els gossos també des de 2001, aquests investigadors han pogut relacionar la presència de gos a casa durant el primer any del nadó amb l’aparició d’asma o no als infants, i han arribat a la conclusió que els nens tenen un risc menor d’asma (un 50% menys) si s’han criat en presència d’un gos.

Resultats semblants s’han obtingut per a nens criats en granges o en ambients rurals, i per tant amb contacte amb altres animals. Tot plegat estaria d’acord amb l’anomenada “hipòtesi de la higiene”, segons la qual la menor incidència d’infeccions als països occidentals, i sobretot als “urbanites”, seria la causa de l’augment de malalties autoimmunes i al·lèrgies (Okada et al 2010). En línia amb hipòtesi, es creu que el sistema immune humà es beneficia de la convivència amb gossos o altres animals degut al fet de compartir part de la microbiota. Tanmateix, en aquests nens suecs que convivien amb gossos i tenien menys risc d’asma es detectà un lleuger risc de malaltia pneumòccica, cosa que lliga amb la hipòtesi esmentada: més infeccions i menys al·lèrgies (Steward 2015), però amb l’avantatge de què les infeccions són més fàcils de tractar, o prevenir amb vacunes.

Fig 0 stray-dog-saves-baby

 

Bibliografia

Belkaid Y, Segre JA (2014) Dialogue between skin microbiota and immunity. Science 346, 954-959

Fall T, Lundholm C, Örtqvist AK, Fall K, Fang F, Hedhammar A et al (2015) Early exposure to dogs and farm animals and the risk of childhood asthma. JAMA Pediatrics 69, 11, e153219

García-Mazcorro JF, Minamoto Y (2013) Gastrointestinal microorganisms in cats and dogs: a brief review. Arch Med Vet 45, 111-124

Heath WR, Carbone FR (2013) The skin-resident and migratory immune system in steady state and memory: innate lymphocytes, dendritic cells and T cells. Nature Immunology 14, 978-985

Marsland BJ, Gollwitzer ES (2014) Host–microorganism interactions in lung diseases. Nature Reviews Immunology 14, 827-835

Okada H, Kuhn C, Feillet H, Bach JF (2010) The “hygiene hypothesis” for autoimmune and allergic diseases: an update. Clin Exp Immunol 160, 1-9

Song SJ, Lauber C, Costello EK, Lozupone, Humphrey G, Berg-Lyons D, et al (2013) Cohabiting family members share microbiota with one another and with their dogs. eLife 2, e00458, 1-22

Steward D (2015) Dogs, microbiomes, and asthma risk: do babies need a pet ? MD Magazine, Nov 03

Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, Trehan I, Dominguez-Bello MG, Contreras M, et al. 2012. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature 486, 222–7

 

 

El panda gegant és herbívor però té una microbiota intestinal de carnívor

Click here for the english version: The giant panda is herbivore but has the gut microbiota of a carnivore

26 agost 2015

El panda gegant (Ailuropoda melanoleuca, literalment en grec “peu de gat negre i blanc”) és una de les espècies de mamífers més intrigants evolutivament. Malgrat la seva dieta exclusivament herbívora, filogenèticament és com un ós, ja que és de la família Úrsids, dins l’ordre Carnívors. La seva dieta és 99% de bambú i l’altre 1% és mel, ous, peix, taronges, plàtans, nyams i fulles d’arbusts.

Viu en algunes serralades de la Xina central, principalment a la província de Sichuan, i també a les províncies de Shaanxi i Gansu. Degut a la construcció de granges, desforestació i altres desenvolupaments, el panda ha estat foragitat de les terres baixes on havia viscut. És una espècie en perill d’extinció que necessita protecció. Hi han uns 300 en captivitat i uns 3000 en llibertat. Malgrat que els nombres estan augmentant, segueix en perill d’extinció, sobretot pel seu espai limitat (uns 20.000 km2) i l’hàbitat molt específic (boscos de bambú).

Fig0 panda bamboo

Així doncs, el panda gegant té una dieta quasi exclusiva de diferents espècies de bambú, sobretot de fulles i tiges, molt fibroses, i els brots tendres a la primavera i estiu. És per tant una dieta de poca qualitat digestiva, amb poca proteïna i molta fibra i contingut de lignina. Es passen unes 14 h al dia menjant, i poden arribar a ingerir uns 12 kg de bambú al dia.

La majoria d’herbívors tenen modificacions del tracte digestiu que ajuden a la retenció de l’aliment en procés de digestió, i contenen poblacions microbianes que els permeten utilitzar com a menja exclusiva els materials vegetals rics en polisacàrids complexos, com la cel·lulosa i hemicel·lulosa. Aquestes especialitzacions poden ser la compartimentació de l’estómac, típica dels remugants i altres no remugants (cangurs, hàmster, hipopòtams i alguns primats) o bé l’engrandiment de l’intestí gros, característic dels èquids, alguns rosegadors i els lagomorfs (conills i llebres).

En canvi, i malgrat el seu règim exclusivament herbívor, sorprenentment el panda gegant té un tracte gastrointestinal típic dels carnívors, anatòmicament similar als del gos, el gat o l’ós rentador, amb un estómac simple, té el cec degenerat i el còlon és molt curt. El tracte gastrointestinal dels pandes és unes 4 vegades la mida del cós, com altres carnívors, mentre que als herbívors és unes 10-20 vegades el cós, per tal de digerir eficientment grans quantitats de farratge. Amb això, el temps del trànsit intestinal del panda és molt curt, menys de 12 h. Tot això limita molt la capacitat de possibilitats fermentatives dels materials vegetals (Williams et al. 2013).

Per aquests motius, la digestió del bambú per al panda és molt ineficient, malgrat la seva dependència. Els pandes consumeixen l’equivalent al 6% del seu pes corporal per dia, amb una digestibilitat de la matèria seca del bambú del 20%. D’aquest, un 10% correspon a la poca proteïna que conté el bambú, i la resta és dels polisacàrids, en concret amb uns coeficients de digestió del 27% per a les hemicel·luloses i del 8% per a la cel·lulosa.

Sembla com si el panda gegant s’hagués especialitzat en el consum d’una planta amb alt contingut en fibra, sense haver modificat l’aparell digestiu, a base d’una masticació eficient, ingerint-ne grans quantitats, digerint els continguts cel·lulars enlloc de les parets cel·lulars vegetals, i excretant ràpidament els residus no digerits (Dierenfield et al. 1982).

A més a més, tenir una dependència d’un sol tipus de planta com és el bambú pot comportar mancances nutricionals segons els cicles estacionals de la planta. En aquest sentit, recentment (Nie et al. 2015) s’han estudiat les concentracions de calci, fòsfor i nitrogen de les diferents parts del bambú que mengen una població de pandes lliures. Han vist que els pandes dins del seu hàbitat fan una migració estacional en dues zones de diferent alçada al llarg de l’any i que s’alimenten de dues espècies diferents de bambú. Ambdues espècies tenen més calci a les fulles i més fòsfor i nitrogen a les tiges. Com que la variació estacional d’aparició i caiguda de fulles de les 2 espècies és diferent a causa de la diferent alçada, quan els pandes són en una de les zones mengen les fulles d’una de les espècies i les tiges de l’altre, mentre que ho fan al revés quan són a l’altra zona. O sigui, que els pandes sincronitzen les seves migracions estacionals per tal de treure’n el màxim rendiment nutricional d’ambdues especies de bambú.

Un altre inconvenient de la dependència del bambú és la seva floració. És un fenomen natural que passa cada 40-100 anys, i quan el bambú floreix, es mor, reduint la disponibilitat de menjar per als pandes. Pels anys 1970-1980 hi hagués dues floracions a gran escala a l’hàbitat dels pandes, i hi van haver més de 200 morts per aquesta raó. Tanmateix, i donat que segurament els pandes s’han trobat en la seva evolució amb moltes altres floracions massives, quan s’hi troben cerquen altres espècies de bambú o recorren llargues distàncies per cobrir les seves necessitats alimentàries (Wei et al. 2015).

En compensació, i com a adaptació a aquest menjar tant específic, el panda gegant té una sèrie de característiques morfològiques úniques, com unes fortes mandíbules i molars molt poderosos, i sobretot un pseudo-polze, com si tingués 6 dits, que és l’ós sesamoide radial engrandit, fent com un polze oposable, que li serveix per agafar millor les canyes de bambú (Figura 1).

Fig1 panda's thumb

Figura 1. El pseudo-polze del panda gegant. Imatge treta de Herron & Freeman (2014).


I cóm és que el panda va passar a ser herbívor ?

S’ha estimat que el precursor del panda gegant, omnívor com altres úrsids, va començar a menjar bambú com a mínim fa 7 milions d’anys (Ma), i va esdevenir completament dependent del bambú entre 2 i 2,4 Ma. Aquest canvi de dieta probablement va anar lligat a diverses mutacions al seu genoma, donant lloc a defectes del metabolisme de la dopamina en relació a l’apetència per la carn, i sobretot de la pseudogenització del gen Tas1r1 (Figura 2), del receptor del gust d’umami (Jin et al. 2011). L’umami és un dels 5 gustos bàsics, junt amb el dolç, salat, àcid i amarg, i ve a ser com el gust “saborós”, que normalment recorda la carn, i està relacionat amb el L-glutàmic, abundant a la carn. Aquesta mutació que feia prescindir al panda del gust umami afavorí la pèrdua d’apetit del panda per la carn i reforçà el seu estil de vida herbívor. Tanmateix, probablement altres factors addicionals devien estar implicats, ja que el gen Tas1r1 està intacte en herbívors com el cavall i la vaca (Zhao et al. 2010).

Fig2 Zhao F1 large

Figura 2. Arbre filogenètic d’alguns carnívors amb les dates per al panda gegant deduïdes dels fòssils (en blau) i de l’estudi molecular del gen TasTr1 fet per Zhao et al. (2010).


La microbiota intestinal del panda

Com era d’esperar, en fer la seqüenciació del genoma complet del panda gegant (Li et al. 2010) no s’han trobat gens específics responsables de la digestió de la cel·lulosa i hemicel·luloses. Lògicament, la possible digestió d’aquests polisacàrids complexos de les fibres del bambú aniria a càrrec dels microorganismes cel·lulolítics del tracte intestinal. Cal estudiar per tant si hi són al panda.

En estudiar les seqüències del 16S ribosomal de les microbiotes fecals dels diversos mamífers s’observa en general un augment de la diversitat bacteriana en sentit carnívors – omnívors – herbívors (Ley et al. 2008). Aquesta diversitat és menor en els pandes que als herbívors, i com veiem a la Figura 3, els pandes queden agrupats amb els carnívors (cercles vermells) malgrat ser herbívors del punt de vista de dieta.

Fig3 Ley

Figura 3. Anàlisi de components principals (PC) de les comunitats bacterianes fecals de mamífers amb diferents colors segons la dieta predominant (Ley et al. 2008)


La microbiota intestinal de la majoria dels herbívors conté sobretot bacteris anaerobis dels grups de Bacteroides, Clostridials, Fibrobacterals i Espiroquetals, que tenen les capacitats enzimàtiques per degradar els materials fibrosos vegetals i així proveeixen de nutrients als seus hostes. Al contrari, els omnívors i sobretot els carnívors tenen una microbiota predominant d’anaerobis facultatius, com les Enterobacteriaceae, a banda d’alguns Firmicutes, que inclouen Clostridials i alguns Lactobacil als, i Bacteroides.

En quant al panda gegant, els primers estudis fets amb mètodes tradicionals dependents de cultiu i anàlisi dels gens 16S rRNA amplificats (Wii et al. 2007) van identificar les Enterobacteriaceae i Streptococcus com a predominants en la microbiota intestinal. Per tant, aquest estudi suggeria que la microbiota del panda és molt semblant a la dels carnívors, com veiem en l’estudi comentat comparatiu de diversos mamífers (Ley et al. 2008), i per tant amb molt poca capacitat d’utilitzar cel·lulosa o hemicel·lulosa.

Tanmateix, un estudi posterior fet amb tècniques de seqüenciació del 16S (Zhu et al. 2011) a partir de mostres fecals de 15 pandes gegants va arribar a unes conclusions ben diferents i semblava que van trobar per primer cop proves de la digestió de cel·lulosa per la microbiota del panda gegant. En analitzar 5500 seqüències, van trobar 85 tàxons diferents, dels quals el 83% eren Firmicutes (Figura 4), i entre aquests n’hi havia 13 tàxons de Clostridium (7 d’ells exclusius dels pandes), i alguns d’aquests amb capacitat de digestió de cel·lulosa. A més, amb anàlisi metagenòmica d’alguns dels pandes van trobar alguns gens putatius per a enzims per digerir cel·lulosa, beta-glucosidasa i xilan-1,4-beta-xilosidasa per a aquests Clostridium. Tot plegat, van concloure que la microbiota del panda gegant tenia una moderada capacitat de degradació dels materials cel·lulòsics.

Fig4 Zhu 2011-Fig1C

Figura 4. Percentatges de seqüències dels principals grups bacterians trobats a les mostres fecals d’individus de panda gegant salvatges (W1-W7) i en captivitat (C1-C8) segons Zhu et al. (2011). Sota cada individu s’indica el n. de seqüències analitzades.


Però, tot just fa dos mesos s’ha publicat un treball (Xue et al. 2015) que sembla tornar enrere, concloent que la microbiota intestinal del panda gegant és molt semblant a la dels carnívors i poca cosa té d’herbívora. És un treball exhaustiu de seqüenciació massiva d’última generació del 16S rDNA amb mostres fecals de 121 pandes de diferents edats al llarg de tres estacions de l’any. Han obtingut unes 93000 seqüències, corresponents a 781 tàxons diferents.

Han trobat una predominança de Enterobacteriaceae i de Streptococcus (vermell fosc i blau fosc respectivament, Figura 5 A), i molts pocs representants dels probables cel·lulolítics com els Clostridials. A més, aquests no es veuen augmentats quan hi ha més fulles i tiges de bambú disponibles (fase T3). Aquests resultats es corresponen amb el que ja se sabia del baix nombre de gens de cel·lulases i hemicel·lulases, un 2%, fins i tot menor que al microbioma dels humans. Aquesta negligible contribució de la microbiota a la digestió de la cel·lulosa, junt amb el fet comentat que el panda és força ineficient digerint el bambú, contradiu la hipotètica importància de la digestió per part de la microbiota que s’havia suggerit pocs anys abans, com hem vist abans.

A més, en aquest treball s’ha vist molta varietat de composició de microbiota entre individus (Figura 5 B).

Fig5 Xue F1 large

Figura 5. Composició de la microbiota intestinal de 121 pandes gegants, amb (A) els gèneres dominants a totes les mostres i (B) la contribució relativa dels gèneres dominants a cada individu, agrupats per edat i temps de mostreig (Xue et al. 2015).


En aquest treball, quan han fet l’anàlisi comparativa entre la composició de la microbiota intestinal del panda gegant amb la d’altres mamífers de les diferents dietes, han confirmat que el panda s’agrupa altre cop amb els carnívors i queda ben lluny dels herbívors (Figura 6).

Fig6 Xue Fig4

Figura 6. Anàlisi de components principals de les comunitats de les microbiotes de mostres fecals de 121 pandes gegants (formes en blanc), en comparació amb les d’altres herbívors (verd), omnívors (blau) i carnívors (vermell). Les diferents formes corresponen a diferents treballs: els cercles són de Xue et al. (2015), el treball d’on s’ha tret la Figura.


Tot plegat, les característiques peculiars de la microbiota del panda gegant contribueixen al perill d’extinció que pateix. Al contrari que la majoria d’altres espècies de mamífers que han evolucionat les seves microbiotes i anatomies digestives optimitzant-les per a les seves dietes específiques, l’aberrant coevolució del panda, la seva microbiota i la seva dieta particular, és ben bé enigmàtica. Per aclarir-ho i saber com preservar aquest animal amenaçat, caldrà seguir estudiant-ho combinant metagenòmica, metatranscriptòmica, metaproteòmica i meta-metabolòmica per conèixer bé la estructura i el metabolisme de la microbiota intestinal i la seva relació amb les funcions digestives i l’estatus nutritiu del panda gegant (Xue et al. 2015).

Referències

Dierenfield ES, Hintz HF, Robertson JB, Van Soest PJ, Oftedal OT (1982) Utilization of bamboo by the giant panda. J Nutr 112, 636-641

Herron JC, Freeman S (2014) Evolutionary Analysis, 5th ed. Benjamin Cummings

Jin K, Xue C, Wu X, Qian J, Zhu Y et al. (2011) Why Does the Giant Panda Eat Bamboo? A Comparative Analysis of Appetite-Reward-Related Genes among Mammals. PLos One 6, e22602

Ley RE, Hamady M, Lozupone C, Turnbaugh PJ, Ramey RR et al. (2008) Evolution of Mammals and Their Gut Microbes. Science 320, 1647-1651

Li R, Fan W, Tian G, Zhu H, He L et 117 al. (2010) The sequence and de novo assembly of the giant panda genome. Nature 463, 311–317

Nie Y, Zhang Z, Raubenheimer D, Elser JJ, Wei W, Wei F (2015) Obligate herbivory in an ancestrally carnivorous lineage: the giant panda and bamboo from the perspective of nutritional geometry. Functional Ecology 29, 26–34

Rosen M (2015) Pandas’ gut bacteria resemble carnivores. Science News 19/05/2015

Wei G, Lu H, Zhou Z, Xie H, Wang A, Nelson K, Zhao L (2007) The microbial community in the feces of the giant panda (Ailuropoda melanoleuca) as determined by PCR-TGGE profiling and clone library analysis. Microb Ecol 54, 194–202

Wei F, Hu Y, Yan L, Nie Y, Wu Q, Zhang Z (2014) Giant Pandas Are Not an Evolutionary cul-de-sac: Evidence from Multidisciplinary Research. Mol Biol Evol 32, 4-12

Williams CL, Willard S, Kouba A, Sparks D, Holmes W et al. (2013) Dietary shifts affect the gastrointestinal microflora of the giant panda (Ailuropoda melanoleuca). J Anim Physiol Anim Nutr 97, 577-585

Xue Z, Zhang W, Wang L, Hou R, Zhang M et al. (2015) The bamboo-eating giant panda harbors a carnivore-like gut microbiota, with excessive seasonal variations. mBio 6(3), e00022-15

Zhao H, Yang JR, Xu H, Zhang J (2010) Pseudogenization of the Umami Taste Receptor Gene Tas1r1 in the Giant Panda Coincided with its Dietary Switch to Bamboo. Mol Biol Evol 27(12), 2669–2673

Zhu LF, Wu Q, Dai JY, Zhang SN, Wei FW (2011) Evidence of cellulose metabolism by the giant panda gut microbiome. Proc Natl Acad Sci USA 108, 17714–17719.

Els bacteris de la vinya i del “terroir”, i presència d’Oenococcus als raïms del Priorat

Click here for the english version: Bacteria of vineyard and terroir, and presence of Oenococcus in Priorat (South Catalonia) grapes

22 abril 2015 

Els viticultors creuen que la terra en la qual creixen les vinyes dóna una qualitat única als seus vins, i d’això en diuen el terroir, o terrer si ho traduïm al català. Es pot considerar que la resposta fisiològica de les vinyes al tipus de sòl i les condicions climàtiques, juntament amb les característiques de la varietat i la forma de cultiu, donen lloc a unes propietats organolèptiques del vi que defineixen el seu terroir (Zarraonaindia et al 2015). Ara bé, no es coneix gaire si hi podria haver una microbiota específica de cada terroir, ja que aquest tema s’ha estudiat relativament poc.

Els microorganismes vínics als raïms ? Saccharomyces no hi és o no se’l troba

Els principals protagonistes de les fermentacions víniques, la alcohòlica (Saccharomyces cerevisiae) i la malolàctica (Oenococcus oeni) normalment no apareixen fins que el most està fermentant, ja doncs al celler. En condicions normals de raïms sans, pràcticament no es troba S. cerevisiae.

Oenococcus oeni als raïms ? Em sembla que nosaltres l’hem trobat !

En quant a O. oeni, fins ara s’ha publicat molt poc sobre la seva presència i aïllament en els raïms. En diversos treballs, com Sieiro et al (1990), o més recentment Bae et al (2006), ja havien aïllat alguns bacteris làctics de la superfície de raïms, però no O. oeni. Només Garijo et al (2011) van aconseguir aïllar una colònia (una només) d’O. oeni a partir de raïms de la Rioja. D’altra banda, s’ha detectat el DNA d’O. oeni en alguna mostra de raïms de Bordeus (Renouf et al 2005, Renouf et al 2007) per PCR-DGGE del gen rpoB, encara que no van aïllar cap bacteri d’aquesta espècie.

Em plau poder comentar que recentment al nostre grup hem aconseguit aïllar O. oeni dels raïms i tipificar-ne diverses soques, i justament estem elaborant una publicació al respecte (Franquès et al 2015). Efectivament, l’equip de recerca de bacteris làctics BL-URV, junt amb els companys de llevats del mateix grup de Biotecnologia Enològica (Facultat d’Enologia de la Universitat Rovira i Virgili a Tarragona) estem treballant en un projecte europeu, el “Wildwine” (FP7-SME-2012 -315065), que té per objectius analitzar els microorganismes autòctons (d’aquí lo de “wild”) del sistema vitivinícola del Priorat, i seleccionar-ne soques amb potencial enològic. Al projecte també hi participen la DOQ Priorat i el celler Ferrer-Bobet, així com grups de recerca i associacions de cellers de Bordeus, el Piemont i Grècia. En el marc d’aquest projecte vam prendre mostres de raïms (garnatxa i carinyena) de diverses finques del Priorat (Figura 1), així com també de vins realitzant la fermentació malolàctica, i en vam obtenir uns 1900 aïllats de bacteris làctics. Vam optimitzar l’aïllament a partir dels raïms a partir de la polpa i del most amb diversos mètodes d’enriquiment, i així vam obtenir uns 110 aïllats de raïms, identificats com O. oeni per tècniques moleculars específiques. Un cop tipificats, hem comprovat que els seus perfils moleculars no coincideixen amb soques comercials i per tant són autòctones. A més, alguns d’aquests aïllats dels raïms també els hem trobat als vins fets als cellers corresponents.

Fig 1 garna-cari Priorat

Figura 1. Prenent mostres de garnatxa (esquerra) i carinyena (dreta) de finques del Priorat per tal d’aïllar bacteris làctics com Oenococcus (Fotos Albert Bordons).


La microbiota dels raïms

Els raïms tenen una ecologia microbiana complexa que inclou llevats, fongs micelials i bacteris. Alguns només es troben als raïms, com els fongs paràsits i els bacteris ambientals, i altres tenen la capacitat de sobreviure i créixer als vins: sobretot llevats, bacteris làctics i bacteris acètics. La proporció de tots plegats depèn de l’estat de maduració del raïm i de la disponibilitat de nutrients.

Quan els fruits són intactes, la microbiota predominant són els llevats basidiomicets com Cryptococcus i Rhodotorula, però quan són més madurs, comencen a tenir microfisures que faciliten la disponibilitat de nutrients i expliquen la predominança just abans de la verema d’ascomicets lleugerament fermentatius com Candida, Hanseniaspora, Metschnikowia i Pichia. Quan la pell ja està més danyada poden aparèixer llevats perjudicials com Zygosaccharomyces i Torulaspora, i bacteris acètics. Entre els fongs filamentosos poden haver-hi ocasionalment alguns molt perjudicials com Botrytis (la podridura) o Aspergillus productors d’ocratoxina, que encara que només són actius a la vinya, els seus productes poden afectar la qualitat del vi.

D’altra banda, a la superfície dels raïms s’han aïllat bacteris ubics ambientalment com diversos enterobacteris, Bacillus, i estafilococs, però cap d’ells pot créixer al vi (Barata et al 2012).

Tornant a la possible microbiota específica del terroir, s’ha vist que alguns compostos volàtils que contribueixen a l’aroma del vi, com 2-metil-butanoic o 3-metil-butanol, són produïts per microorganismes aïllats a les vinyes, com el bacteri grampositiu Paenibacillus, o el fong basidiomicet Sporobolomyces o l’ascomicet Aureobasidium. Per tant, podria haver una relació entre algunes de les espècies microbianes trobades a la vinya i alguns aromes detectats al vi, procedents del most, és clar (Verginer et al 2010).

La metagenòmica com a eina analítica de la microbiota dels raïms

Donat que els mètodes clàssics d’aïllament i cultiu dels microorganismes són lents, laboriosos i alguns dels microbis no s’aconsegueix fer-los créixer en els medis d’aïllament, actualment es recorre als mètodes de seqüenciació massiva o metagenòmica. Aquests consisteixen en analitzar el DNA present i a partir de les seqüències, deduir amb les bases de dades quins són els microorganismes presents a la mostra. En el cas dels bacteris sovint s’utilitza el DNA amplificat del fragment V4 del gen 16S RNA (Caporaso et al 2012).

S’ha utilitzat en mostres de vins botrititzats (Bokulich et al 2012) i s’han trobat proporcions de diversos bacteris làctics (però no Oenococcus), inclosos alguns no associats normalment a vi. També s’ha utilitzat per veure la microbiota resident als cellers i com canvia segons les estacions, comprovant que a les superfícies dels dipòsits i maquinària del celler hi ha una majoria de microorganismes no relacionats amb el vi ni tampoc perjudicials (Bokulich 2013).

Amb aquesta tècnica Bokulich et al (2014) també han analitzat els raïms i han vist diferències clares entre les proporcions dels diversos grups bacterians (i de fongs) entre diferents llocs, diferents varietats, i també segons les condicions ambientals o biogeogràfiques. Per exemple, en analitzar 273 mostres de mostos de raïms de Califòrnia, les 3 varietats (Cabernet, Chardonnay i Zinfandel) queden bastant discriminades en una anàlisi de components principals respecte a les comunitats bacterianes trobades a cada mostra (Figura 2).

Així doncs, els grups o taxons bacterians dominants en una varietat o ambient determinat podrien aportar unes característiques específiques en aquells vins, i això podria explicar alguns patrons regionals o de terroir en les propietats organolèptiques d’aquests vins (Bokulich et al 2014).

Fig 2 ACP Bokulich 2014

Figura 2. Anàlisi de components principals de les comunitats bacterianes de mostres de mostos de raïms de Sonoma (Califòrnia) de 3 varietats diferents (Cabernet en vermell, Chardonnay en verd i Zinfandel en blau) (Bokulich et al 2014).


Nosaltres també hem realitzat un estudi de seqüenciació massiva amb les mostres de raïms de les quals hem obtingut aïllats d’O. oeni, com he comentat abans (Franquès et al 2015), i en més 600.000 seqüències del rRNA 16S analitzades hem trobat sobretot Proteobacteris i Firmicutes. Entre aquests grampositius, hem trobat seqüències de bacteris làctics (un 15%) i d’aquests hem pogut confirmar amb èxit la presència d’O. oeni en un 5% de les seqüències. Per tant, hem aïllat O. oeni dels raïms i n’hem detectat el seu DNA en força mostres.

La microbiota bacteriana de tota la vinya i del sòl

Com veiem, s’ha estudiat una mica la microbiota dels raïms i dels vins, però molt menys la microbiota dels sòls, la qual pot definir més bé el terroir, que està influït pel clima local i les característiques de la vinya.

Veiem a la Figura 3 un resum dels principals gèneres trobats a les diferents parts de la vinya i al sòl (Gilbert et al 2014).

Fig 3 Gilbert 2014

Figura 3. Principals bacteris i fongs associats als òrgans i sòl de Vitis vinifera (Gilbert et al 2014)


Recentment s’ha publicat un treball interessant (Zarraonaindia et al 2015) sobre aquest tema, amb l’objectiu de veure si el sòl podria ser la principal font de bacteris que colonitzen els raïms. Han agafat mostres de sòl, arrels, fulles, raïms i flors de Merlot, de diferents terrenys i anys, de Suffolk, Nova York, i n’han analitzat el DNA dels bacteris presents mitjançant seqüenciació del 16S rRNA. Han trobat que un 40% de les espècies trobades són presents a totes les mostres de sòls i arrels, mentre que en fulles i fruits hi ha més variabilitat, i a més un 40% de les trobades en fulles i fruits també apareixen a les mostres de sòls. Tot plegat suggereix que molts dels bacteris s’originen al sòl.

En quant als tipus de bacteris presents, com veiem (Figura 4), predominen els Proteobacteris (sobretot Pseudomonas i Methylobacterium), principalment a les parts aèries de la planta. També hi han Firmicutes lògicament, i Acidobacteria i Bacteroides.

Fig 4 microbiota vineyard

Figura 4. Composició de la comunitat bacteriana, a nivell taxonómic de fílum, en mostres de diferents òrgans de la vinya i el seu sòl (Zarraonaindia et al 2015).


Encara que s’observen variacions en totes les mostres en funció de l’any (poden tenir diferents condicions climàtiques) i en funció de factors edàfics diferents (pH, C:N, humitat), com veiem (Figura 5) les anàlisis de components principals demostren que els tipus de mostres (sòl, arrels, fulles, raïms) es diferencien força bé, i mostres de mostos abans de fermentar queden semblants a les de raïms.

Fig 5 distribució grups mostres OTUs

Figura 5. Anàlisi de components principals mostrant les semblances en quant a la composició dels grups taxonòmics presents, entre tots els tipus de mostres, incloent-ne de mostos (Zarraonaindia et al 2015).


Això suggereix que la comunitat bacteriana present als raïms roman relativament estable fins al most, i si més no, més estable que les diferències entre òrgans. Al mateix temps, una part important dels representants dels fílums bacterians dels raïms vindrien del sòl. Això es pot explicar perquè en fer la verema manual els raïms sovint són situats en caixes que es deixen a terra, o bé si es fa verema mecànica, la maquinària utilitzada remou el terra i genera pols, que pot colonitzar els raïms.

Per tant, la microbiota del sòl és una font de bacteris associats a la vinya i pot tenir un paper en el most, i per tant en la vinificació, i potencialment en la formació de les característiques del terroir. Alguns d’aquest bacteris poden tenir papers no coneguts de productivitat o de resistència a malalties de la planta, o contribuir a les característiques organolèptiques del vi (Zarraonaindia et al 2015).

A banda d’això, i pensant en els microorganismes vínics, responsables de les fermentacions, com he comentat, al nostre laboratori hem pogut confirmar que als raïms hi ha algunes soques d’Oenococcus oeni i ho hem corroborat amb la detecció del seu DNA als mateixos raïms.


Bibliografia

Bae S, Fleet GH, Heard GM (2006) Lactic acid bacteria associated with wine grapes from several Australian vineyards. J Appl Microbiol 100, 712-727

Barata A, Malfeito-Ferreira M, Loureiro V (2012) The microbial ecology of wine grapes (Review). Int J Food Microbiol 153, 243-259

Bokulich NA, Joseph CML, Allen G, Benson AK, Mills DA (2012) Next-generation sequencing reveals significant bacterial diversity of botrytized wine. Plos One 7, e36357

Bokulich NA, Ohta M, Richardson PM, Mills DA (2013) Monitoring seasonal changes in winery-resident microbiota. Plos One 8, e66437

Bokulich NA, Thorngate JH, Richardson PM, Mills DA (2014) Microbial biogeography of wine grapes is conditioned by cultivar, vintage, and climate. PNAS nov 25, E139-E148

Caporaso JG, Lauber CL, Walters WA, Berg-Lyons D, Huntley J, Fierer N, Owens SM, Betley J, Fraser L, Bauer M, Gormley N, Gilbert JA, Smith G, Knight R (2012) Ultra-high-throughput microbial community analysis on the Illumina HiSeq and MiSeq platforms. ISME J 6, 1621–1624

Franquès J, Araque I, Portillo C, Reguant C, Bordons A (2015) Presence of autochthonous Oenococcus oeni in grapes and wines of Priorat in South Catalonia. Article en elaboració.

Garijo P, Lçopez R, Santamaría P, Ocón E, Olarte C, Sanz S, Gutiérrez AR (2011) Eur Food Res Technol 233, 359-365

Gilbert JA, van der Lelie D, Zarraonaindia I (2014) Microbial terroir for wine grapes. PNAS 111, 5-6

Renouf V, Claisse O, Lonvaud-Funel A (2005) Understanding the microbial ecosystem on the grape berry surface through numeration and identification of yeast and bacteria. Aust J Grape Wine Res 11, 316-327

Renouf V, Claisse O, Lonvaud-Funel A (2007) Inventory and monitoring of wine microbial consortia. Appl Microbiol Biotechnol 75, 149-164

Sieiro C, Cansado J, Agrelo D, Velázquez JB, Villa TG (1990) Isolation and enological characterization of malolactic bacteria from the vineyards of Northwestern Spain. Appl Environ Microbiol 56, 2936-2938

Verginer M, Leitner E, Berg G (2010) Production pf volatile metabolites by grape-associated microorganisms. J Agric Food Chem 58, 8344-8350

Tenim clostridis bons al budell i alguns eviten les al·lèrgies

 Click here for the english version: We have good clostridia in the gut and some of them prevent allergies 

1 març 2015

Clostridis: qui són ?

Els clostridis o clostridials, amb el gènere Clostridium i altres relacionats, són bacteris grampositius esporulats anaerobis estrictes, del fílum taxonòmic Firmicutes. Aquest fílum inclou a més dels clostridis, els aerobis esporulats bacil·lals (Bacillus, Listeria, Staphylococcus i altres) i els anaerobis aero-tolerants lactobacil·lals (o sigui els meus amics bacteris làctics: Lactobacillus, Leuconostoc, Oenococcus, Pediococcus, Lactococcus, Streptococcus etc). Tots els Firmicutes tenen formes regulars de coc o bacil i constitueixen la branca evolutiva de bacteris grampositius amb contingut baix de G+C al seu DNA. L’altra gran branca evolutiva de bacteris grampositius són els Actinobacteris, d’alt G+C i de formes més irregulars, que inclou Streptomyces, Corynebacterium, Bifidobacterium i Propionibacterium entre altres.

flora_cover

 

 

Com són anaerobis, els clostridis tenen un metabolisme fermentatiu, tant de carbohidrats i d’aminoàcids, essent els principals responsables de la descomposició anaeròbica de les proteïnes, coneguda com a putrefacció. Poden viure en hàbitats molt diversos, però sobretot al sòl i sobre material vegetal i animal en descomposició. Com veurem tot seguit, també formen part de la microbiota intestinal humana i d’altres vertebrats.

Els clostridis més coneguts són els dolents (Figura 1): a) C. botulinum, que produeix la botulina del botulisme, encara que avui dia té aplicacions mèdiques i cosmètiques, com sabeu (Botox); b) C. perfringens, agent de la gangrena; c) C. tetani, que causa el tètanus; i d) C. difficile, causa de diarrea postantibiòtica i algunes colitis hospitalàries.

clostridium_bacteria

Figura 1. Les 4 espècies més patògenes de Clostridium. Imatge treta de http://www.tabletsmanual.com/wiki/read/botulism

 

Clostridis a la microbiota intestinal

Tal com comentava a un post anterior (Bacteris de l’intestí ……) d’aquest mateix blog, al tracte gastrointestinal humà hi ha un ecosistema complex, i divers segons els individus i l’edat, amb un total de 1014 microorganismes. La majoria d’aquests són bacteris, a banda d’alguns arquees metanògens (un 0.1%) i algun eucariota (llevats i fongs filamentosos). Quan es fan aïllaments clàssics microbiològics a partir de mostres del colon i es cultiven els aïllats s’obtenen unes 400 espècies microbianes i els grups més assenyalats són proteobacteris (sobretot enterobacteris, com E. coli), firmicutes com Lactobacillus i alguns Clostridium, actinobacteris com Bifidobacterium, i alguns Bacteroides. Entre tots aquests aïllats s’han reconegut alguns amb efecte positiu sobre la salut i que són emprats com a probiòtics, com Bifidobacterium i Lactobacillus, bacteris considerats GRAS (Generally Recognized As Safe).

Però des de fa uns 10 anys les tècniques moleculars independents de cultiu, de seqüenciació dels gens del RNA ribosomal, han revelat moltes més espècies, arribant a ser unes 1000. Com veiem a la Figura 2, treta de la bona revisió de Rajilic-Stojanovic et al (2007), hi ha dos grups que tenen molts més representants dels que es pensava: Bacteroides i els clostridials.

 

Rajilic 2007 Fig 1

 

Figura 2. Arbre filogenètic basat en les seqüències gèniques del 16S rRNA dels diversos filotipus trobats al tracte gastrointestinal humà. La proporció de filotipus cultivables o no cultivables de cada grup està representada pel color des del blanc (cultivables) passant pel gris fins al negre (no cultivables). Per a cada grup filogenètic s’indiquen el nombre de filotipus diferents (Rajilic-Stojanovic et al 2007)

 

En estudis més recents relacionats amb la dieta com el fet per Walker et al (2011) amb mostres fecals de voluntaris s’han estimat les poblacions dels diversos grups mitjançant PCR quantitativa del DNA del 16S rRNA. Els grups més nombrosos, amb un 30% cadascun, han estat Bacteroides i els clostridials. Entre aquests destaquen Faecalibacterium prausnitzii (11%), Eubacterium rectale (7%) i Ruminococcus (6%). Com veiem el grup dels clostridials inclou nombrosos gèneres diferents del conegut Clostridium.

De fet, si considerem la població de cada espècie present al tracte gastrointestinal humà, la més abundant sembla ser un clostridial: F. prausnitzii (Duncan et al 2013).

 

Beneficis d’alguns clostridials

Aquests darrers anys s’ha anat veient que precisament són algunes espècies de clostridials, del gèneres Faecalibacterium, Eubacterium, Roseburia i Anaerostipes (Duncan et al 2013), les que més contribueixen a la producció dels àcids grassos de cadena curta (AGCC, SCFAs en anglés) al colon. Els clostridials fermenten els carbohidrats de la dieta que s’escapen de la digestió produint els AGCC, bàsicament acetat, propionat i butirat, que es detecten a la femta (50-100 mM), i que són absorbits a l’intestí. L’acetat és metabolitzat sobretot pels teixits perifèrics, el propionat és gluconeogènic, i el butirat és la principal font d’energia de l’epiteli del colon. Els AGCC en total arriben a ser el 10% de l’energia obtinguda per l’hoste humà. Alguns d’aquests clostridials com Eubacterium i Anaerostipes també utilitzen com a substrat el lactat produït per altres bacteris com els làctics i Bifidobacterium, per produir igualment els AGCC (Tiihonen et al 2010).

 

Els clostridis de la microbiota protegeixen de la sensibilització per al·lèrgens dels aliments

Efectivament, això és el que han demostrat Stefka et al (2014) en un recent treball excel·lent, com a darrera troballa dels aspectes positius dels clostridis de la microbiota. En administrar al·lèrgens (Ara h) del cacauet (Arachis hypogaea) a ratolins que havien estat tractats amb antibiòtics o a ratolins sense microbiota (Germ-free, criats en ambient estèril), observaven que hi havia una hiperreactivitat al·lèrgica sistèmica, amb inducció de immunoglobulines específiques, o sigui, una sensibilització.

En els ratolins tractats amb antibiòtics s’observava una reducció significativa de la microbiota en el nombre de bacteris (analitzant els gens del 16S rRNA) a l’íleon i a la femta, i a més s’alterava la biodiversitat, de tal manera que els Bacteroides i clostridials predominants en condicions normals quasi desapareixien i en canvi augmentaven només els lactobacils.

Per veure el paper d’aquests grups predominants a la microbiota, Stefka et al. van colonitzar l’intestí de ratolins sense microbiota amb Bacteroides, i altres amb clostridis. Això és el que se’n diuen animals gnotobiòtics, o sigui animals dels que se sap exactament quins tipus de microorganismes contenen.

Doncs bé, Stefka et al. han demostrat que la colonització selectiva de ratolins gnotobiòtics amb clostridis els confereix una protecció enfront els al·lèrgens del cacauet, cosa que no passa amb Bacteroides. Per a la colonització amb clostridis, van utilitzar una suspensió d’espores extretes de mostres fecals de ratolins sans, i van confirmar que les seqüències gèniques d’aquest extracte corresponien sobretot a membres dels clostridials.

Així doncs, en efecte, els ratolins colonitzats amb clostridis presentaven menors nivells de l’al·lergen al sèrum (Figura 3), tenien menor contingut d’immunoglobulines, no hi havia inflamació del cec, i la temperatura corporal es mantenia. Els ratolins tractats amb antibiòtics que havien presentat la reacció hiperal·lèrgica en administrar-los els antígens també reduïen la reacció en colonitzar-los amb els clostridis.

 

fig 4 skefta

Figura 3. Nivells de l’al·lergen “Ara h” del cacauet en sèrum després de la ingesta de cacauets, en ratolins sense microbiota (Germ-free), colonitzats amb Bacteroides (B. uniformis) i colonitzats amb clostridis (Clostridia). Tret de Stefka et al (2014).

 

A més, en aquest treball exhaustiu, Stefka et al. han realitzat una anàlisi transcriptòmica amb microarrays de les cèl·lules de l’epiteli intestinal dels ratolins i han trobat que els gens de producció de la citoquina IL-22 estan induïts als animals colonitzats amb clostridis, i que aquesta citoquina redueix la captació de l’al·lergen per part de l’epiteli i per tant n’evita l’entrada a la circulació sistèmica, contribuint també a la protecció enfront la hipersensibilització. Tots aquests mecanismes han estat revisats per Cao et al (2014) i en veiem un esquema a la Figura 4.

En conclusió, amb això s’obren noves perspectives d’estudis per prevenir les al·lèrgies alimentàries mitjançant la modulació de la composició de la microbiota intestinal. Tot plegat, afegint aquestes qualitats antiinflamatòries a més de les esmentades de producció de butirat i altres AGCC, i del consum de lactat, caldrà anar pensant en la possible utilització de clostridials per a candidats com a probiòtics, a banda dels reconeguts Lactobacillus i Bifidobacterium.

 

fig 4 Cao b

 

Figura 4. Esquema de la inducció dels clostridis sobre la producció de citoquines per les cèl·lules epitelials de l’intestí, així com la producció d’àcids grassos de cadena curta (SCFAs) pels clostridis (Cao et al 2014).

 

Bibliografia

Cao S, Feehley TJ, Nagler CR (2014) The role of commensal bacteria in the regulation of sensitization to food allergens. FEBS Lett 588, 4258-4266

Duncan SH, Flint HJ (2013) Probiotics and prebiotics and health in ageing populations. Maturitas 75, 44-50

Rajilic-Stojanovic M, Smidt H, de Vos WM (2007) Diversity of the human gastrointestinal tract microbiota revisited. Environ Microbiol 9, 2125-2136

Rosen M (2014) Gut bacteria may prevent food allergies. Science News 186, 7, 4 oct 2014

Russell SL, et al. (2012) Early life antibiotic-driven changes in microbiota enhance 
susceptibility to allergic asthma. EMBO Rep 13(5):440–447

Stefka AT et al (2014) Commensal bacteria protect against food allergen sensitization. Proc Nat Acad Sci 111, 13145-13150

Tiihonen K, Ouwehand AC, Rautonen N (2010) Human intestinal microbiota and healthy aging. Ageing Research Reviews 9:107–16

Walker AW et al (2011) Dominant and diet-responsive groups of bacteria within the human colonic microbiota. The ISME J 5, 220-230

Els bacteris de l’intestí ens controlen el què mengem

Click here for the english version: Bacteria in the gut are controlling what we eat

Sembla que és així: els microbis del nostre tracte gastrointestinal (TGI) influeixen en la nostra tria de menjar. No és estrany: els microbis, bacteris bàsicament, són presents al TGI en quantitats importants, més de 10 cèl.lules bacterianes per cadascuna de les nostres, un total de 1014 (el cós humà té unes 1013 cèl.lules). Això equival a uns 1-1.5 kg de pes. I aquest bacteris conviuen amb nosaltres des de sempre, ja que tots els mamífers en tenen, amb la qual cosa han anat evolucionant amb els nostres precursors i per tant estan molt ben adaptats al nostre ambient intern. Com que per a ells els nostres cossos són el seu hàbitat, doncs millor si poden controlar el que els arriba a l’intestí. I cóm ho poden fer ? Doncs donant ordres al cervell per menjar tal cosa o tal altra que els vagin bé als microbis.

 

Fig 1 comandament

Figura 1. “Centre de comandament del tracte gastro-intestinal” (muntatge propi, Albert Bordons)

 

Bé, doncs anat seriosament, hi ha alguns treballs previs en aquest sentit, d’una relació entre les preferències per una dieta determinada i la composició microbiana del TGI (Norris et al 2013). De fet, és una interacció bidireccional, una més dels molts aspectes de mutualisme simbiòtic entre nosaltres i la microbiota que ens habita (Dethlefsen et al 2007).

Hi ha moltes proves que la dieta influeix en la microbiota. Un dels exemples més vistosos és que s’ha vist que els nens africans alimentats quasi exclusivament en sorgo tenen més microbis cel.lulolítics que altres nens (De Filippo et al 2010).

El cervell també pot influir indirectament en la microbiota entèrica per canvis en la motilitat, secreció i permeabilitat gastrointestinals, o directament alliberant molècules al lumen del digestiu des de cèl.lules (del sistema immune o neurones) subepitelials (Rhee et al 2009).

El TGI és un ecosistema complex on diferent espècies de bacteris i altres microorganismes han de competir i col.laborar entre ells i amb les cèl.lules de l’hoste. El menjar ingerit per l’hoste (humà o altres mamífers) és un factor important en la selecció contínua d’aquests microbis i la naturalesa d’aquest menjar està sovint determinada per les preferències de l’hoste. Els bacteris que puguin manipular aquestes preferències tindran avantatges sobre els que no ho facin (Norris et al 2013).

Recentment Alcock et al (2014) han recollit en una revisió les evidències en aquest sentit. Els microbis poden manipular la conducta alimentària de l’hoste en benefici propi a través de diverses estratègies possibles. Veiem-ne a continuació alguns exemples relacionats amb l’esquema de la Figura 2.

 

Fig 2 human microbiome behaviour appetite

Figura 2. Com si els microbis fossin titellaires i els humans fóssim les titelles, els microbis poden controlar el que volem menjar mitjançant una sèrie de mecanismes senyalats. Adaptat de Alcock et al 2014.

 

Les persones que tenen “desitjos” de xocolata tenen diferents metabòlits microbians a l’orina que les persones indiferents per a la xocolata, malgrat tenir la mateixa dieta.

La disfòria, o sigui, el malestar en l’humà fins que mengem aliments que milloren el “benestar” microbià, pot ser deguda a l’expressió de gens bacterians de virulència i la percepció de dolor per l’hoste. Això és perquè la producció de toxines sovint és desencadenada per una baixa concentració de nutrients limitants del creixement. La detecció de sucres i altres nutrients regula la virulència i el creixement de diversos microbis. Aquests lesionen directament l’epiteli intestinal quan alguns nutrients són absents. D’acord amb aquesta hipòtesi, s’ha demostrat que proteïnes de virulència bacteriana activen els receptors de dolor. S’ha vist que el dejuni en ratolins augmenta la percepció del dolor per un mecanisme del nervi vagal.

Els microbis també poden alterar les preferències alimentàries dels hostes canviant l’expressió dels receptors del gust a l’hoste. En efecte, per exemple s’ha vist que ratolins lliures de microbis prefereixen més els dolços i tenen un major nombre de receptors del dolç a la llengua i a l’intestí que els ratolins amb una microbiota normal.

La conducta alimentària de l’hoste també pot ser manipulada pels microbis mitjançant el sistema nerviós, pel nervi vague, que conecta les 100 milions de neurones del sistema nerviós entèric des de l’intestí a la base del cervell via medul.la. Els nervis entèrics tenen receptors que reaccionen amb la presència de determinats bacteris i dels metabòlits bacterians, com els àcids grassos de cadena curta. El nervi vague regula la conducta alimentària i el pes corporal. S’ha vist que l’activitat del nervi vague de rates estimulades amb norepinefrina fa que malgrat estar saciades segueixin menjant. Això suggereix que els microbis del TGI produeixen neurotransmissors que poden contribuir a la sobrealimentació.

Els neurotransmissors produïts pels microbis són anàlegs de les hormones dels mamífers relacionades amb l’estat d’ànim i el comportament. Més del 50% de la dopamina i la majoria de serotonina del cos tenen un origen intestinal. Molts habitants transitoris i persistents de l’intestí, incloent E. coli, diversos Bacillus, Proteus i Staphylococcus secreten dopamina. A la Taula 1 veiem un resum dels diversos neurotransmissors produïts per microbis del TGI. Al mateix temps, s’ha vist que enzims de l’hoste com l’amino-oxidasa poden degradar neurotransmissors produïts pels microorganismes, la qual cosa demostra les interaccions evolutives entre microbis i hostes.

 

Taula 1. Diversitat de neurotransmissors aïllats de diverses espècies microbianes (Roschchina 2010)

Neurotransmissor Gènere
GABA (àcid gamma-amino-butíric) Lactobacillus, Bifidobacterium
Norepinefrina Escherichia, Bacillus, Saccharomyces
Serotonina Candida, Streptococcus, Escherichia, Enterococcus
Dopamina Bacillus, Serratia
Acetilcolina Lactobacillus

 

 

 

 

 

 

 

Alguns bacteris indueixen a què els seus hostes els proveeixin els seus nutrients preferits. Per exemple, Bacteroides thetaiotaomicron es troba al mucus intestinal, on s’alimenta dels oligosacàrids secretats per les cèl.lules caliciformes de l’intestí, i aquest bacteri indueix el seu hoste mamífer a augmentar la secreció d’aquests oligosacàrids. Al contrari, Faecalibacterium prausnitzii, un no degradador de mucus, que es troba associat amb B. thetaiotaomicron, inhibeix la producció de mucus. Per tant, ens trobem en un ecosistema amb múltiples agents que interaccionen entre sí i amb l’hoste.

Com que la microbiota és fàcilment manipulable pels prebiòtics, probiòtics, antibiòtics, trasplantaments fecals, i canvis en la dieta, el control i l’alteració de la nostra microbiota ofereix un mètode viable als problemes altrament insolubles de l’obesitat i la mala alimentació.

 

Bibliografia

Alcock J, Maley CC, Aktipis CA (2014) Is eating behavior manipulated by the gastrointestinal microbiota? Evolutionary pressures and potential mechanisms. BioEssays 36, DOI: 10.1002/bies.201400071

De Filippo C, Cavalieri D, Di Paola M, Ramazzotti M, et al (2010) Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc Natl Acad Sci USA 107:14691–6

Dethlefsen L, McFall-Ngai M, Relman DA (2007) An ecological and evolutionary perspective on human-microbe mutualism and disease. Nature 449:811-818

Lyte M (2011) Probiotics function mechanistically as delivery for neuroactive compounds: Microbial endocrinology in teh design and use of probiotics. BioEssays 33:574-581

Norris V, Molina F, Gewirtz AT (2013) Hypothesis: bacteria control host appetites. J Bacteriol 195:411–416

Rhee SH, Pothoulakis C, Mayer EA (2009) Principles and clinical implications of the brain–gut–enteric microbiota axis. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology 6:306-314

Roschchina VV (2010) Evolutionary considerations of neurotransmitters in microbial, plant, and animal cells. In Lyte M, Freestone PPE, eds; Microbial Endocrinology: Interkingdom Signaling in Infectious Disease and Health. New York: Springer. pp. 17–52

 

 

Sorprenent: bacteris de l’acne humana a la vinya !!

Click here for the english version: Surprising: bacteria of human acne passed to the vineyard !! 

Realment sorprenent, però això sembla: uns investigadors italians i austríacs han publicat un treball (Campisano et al. 2014) on demostren que bacteris de l’espècie Propionibacterium acnes, relacionada amb l’acne humana, es troben com a endòfits obligats als teixits de l’escorça de Vitis vinifera, la vinya.

Alguns bacteris patògens dels humans, com Salmonella, són capaços de colonitzar teixits vegetals però de forma oportunista i temporalment (Tyler & Triplett 2008). De fet, hi ha un benefici mutu temporal entre plantes i bacteris, de manera que alguns d’aquests enterobacteris no patògens per a les plantes hi viuen endofíticament i poden ser beneficioses per a elles. Aquests patògens per als humans, en el seu cicle biològic utilitzen les plantes com a hostes alternatius per sobreviure al medi ambient, passant-hi mitjançant aigües de regadiu contaminades. Per tant, alguns bacteris sovint són hostes endòfits temporals de les plantes.

Però d’altra banda, són relativament rars els casos de bacteris que canviïn d’hoste i acabin adaptant-se al nou hoste, essent finalment endòfits fixos. Aquesta transferència horitzontal passa sobretot entre hostes propers evolutivament, com bacteris simbiòtics d’insectes àfids que s’ha demostrat que han passat a altres espècies d’àfids (Russell & Moran 2005). També s’ha suggerit la transferència horitzontal en bacteris làctics beneficiosos del tracte intestinal de vertebrats com Lactobacillus reuteri, del qual es troben soques semblants en diverses espècies de mamífers i aus.

Doncs bé, anant més enllà, en el treball de Campisano et al. objecte d’aquest comentari, es conclou que un tipus d’aquests bacteris relacionats amb l’acne humana haurien passat a la vinya, o sigui, els bacteris haurien fet una transferència horitzontal interregne, des d’animals mamífers a plantes.

 

Propionibacterium acnes tipus Zappae

L’acne, com sabeu, és una afecció humana consistent en un excès de secreció de les glàndules pilosebàcies de la pell causada per canvis hormonals, sobretot als adolescents. Les glàndules s’acaben inflamant, obstruint-se els porus i apareixent erupcions cutànies. El microorganisme associat a aquestes infeccions és el bacteri oportunista comensal P. acnes, bacil grampositiu anaeròbic aerotolerant, que s’alimenta dels àcids grassos del sèu produït per les glàndules.

fig1 Akne-jugend

Jove amb acne (Wikimedia, públic)

fig2

Propionibacterium acnes al microscopi electrònic de rastreig (esquerra) i tenyit amb cristall violeta (dreta). Tret de Abate ME (2013) Student Pulse 5, 9, 1-4.

 

Curiosament, altres espècies del mateix gènere Propionibacterium molt conegudes en biotecnologia microbiana industrial són les utilitzades per a la producció d’àcid propiònic, vitamina B12, i els formatges suïssos tipus Emmental o Gruyère.

Campisano et al. han fet un estudi de l’endomicrobioma de la vinya mitjançant la tècnica de seqüenciació (Roche 454) amplificant la regió hipervariable V5-V9 dels rDNA 16S bacterians presents als teixits vegetals de la planta. En 54 de les 60 plantes analitzades, entre un 0,5% i un 5% de les seqüències trobades corresponen a bacteris de l’espècie Propionibacterium acnes. Això ho han confirmat per observacions d’hibridació fluorescent in situ (FISH) amb fluorcroms i sondes específiques de P. acnes.

fig 3 FISH P acnes escorça vinya

Localització de P. acnes (taques blavoses fluorescents) a l’escorça d’una tija de vinya mitjançant microscòpia FISH amb sondes específiques d’aquest bacteri (Campisano et al 2004).

 

Els autors d’aquest treball proposen per a aquest bacteri trobat el nom de P. acnes Zappae, recordant l’excèntric músic i compositor Frak Zappa, per subratllar l’inesperat i gens convencional hàbitat d’aquest tipus de P. acnes.

 

fig 4 Frank Zappa

Frank Zappa (1940-1993), l’excèntric i satíric cantant, guitarrista i compositor. Foto: Frank Zappa reviews.

 

 

I cóm va passar aquest bacteri d’origen humà a la vinya ?

Per resoldre aquest enigma, Campisano et al. han agafat les seqüències 16S rDNA i d’altres gens (recA i tly), dels P. acnes Zappae que han trobat i les han comparat amb les dels P. acnes d’origen humà de les bases de dades. Comparant les filogènies i els clusters que es dedueixen, han arribat a concloure que P. a. Zappae s’ha diversificat evolutivament dels altres molt recentment. Estudiant-ne en detall les seqüències del gen recA de P. a. Zappae, i tenint en compte la seva taxa de mutació probable i el seu temps de generació (unes 5 h), dedueixen que la diversificació respecte als altres P. acnes es va produir fa uns 6000-7000 anys.

Aquesta data coincideix amb la domesticació coneguda de la vinya pels humans, que es creu que va tenir lloc fa uns 7000 anys a la regió meridional del Caucas, entre el mar Negre i el Caspi, entre les actuals Turquia, Georgia, Armenia i Iran (Berkowitz 1996). La vinya té l’origen en una subespècie silvestre de Vitis que va sobreviure l’Era glacial i va ser domesticada. De la planta originària en sortiren tres subespècies, i una d’elles, Vitis vinifera pontica,a la zona esmentada i més al sud a Mesopotàmia s’acabaria escampant per Europa gràcies alsfenicis.

Per tant, la conclusió és que P. a. Zappae es va originar a partir del P. acnes humà fa uns 7000 anys, pel contacte de les mans humanes amb els raïms i altres parts de la vinya en veremar-la i traginar-la. Tal com diuen els autors, aquest cas seria la primera evidència de transferència horitzontal interregne, des dels humans a les plantes, d’un bacteri simbiont obligat. A més, això fa més remarcable l’extrema adaptabilitat dels bacteris i que llur capacitat d’explotar nous hàbitats pot tenir impactes imprevistos en l’evolució de la relació hoste-simbiont o fins i tot hoste-patogen.

fig 5 m_so_america_hands_close

 Veremant a mà a Xile (Fine Wine and Good Spirits)

 

 

Bibliografia

Berkowitz M (1996) World’s earliest wine. Archaeology 49, 5, sept/oct.

Campisano Aet al. (2014) Interkingdom transfer of the acne-causing agent, Propionibacterium acnes, from human to grapevine. Mol Biol Evol 31, 1059-1065.

Gruber K (4 march 2014) How grapevines got acne bacteria. Nature News 4 march 2014.

Russell JA, NA Moran (2005) Horizontal transfer of bacterial symbionts: heritability and fitness effects in a novel aphid host. Appl Environ Microbiol 71, 7987-7994.

Tyler HL, EW Triplett (2008) Plants as a habitat for beneficial and/or human pathogenic bacteria. Ann Rev Phytopathol 46, 53-73.

Wikipedia, per descomptat: Propionibacterium acnes, Vitis, …

Walter J, RA Britton, S Roos (2011) PNAS 108, 4645-4652.

Síntesi d’aminoàcids als impactes dels cometes i altres coses de l’origen de la vida

Click here for the english version:  Synthesis of amino acids by impacts of comets, and other things related with life’s origin

Fa uns dies vaig veure el titular següent al “Recercat” (el Butlletí electrònic de la recerca a Catalunya): “Científics descobreixen com es formen les molècules bàsiques de la vida”.    Vaja titular !!!   Em va sorprendre molt, lògicament, i com que aquest tema de l’origen de la vida sempre m’ha apassionat, vaig anar ràpidament a llegir-ho amb calma, i buscar l’article original.

Doncs un cop vist en detall, està clar que el titular és molt, però molt exagerat, com era de suposar a primera vista. Abans de comentar el perquè és exagerat, vull esmentar un altre detall d’aquest titular que crec que no calia:  perquè dir lo de científics ? qui pot estar treballant en l’estudi de la formació de les molècules bàsiques de la vida a banda de científics ?  Els polítics potser ?  o els economistes o els bisbes potser ?  Es evident que han de ser científics, i per tant no calia dir-ho. El titular seria suficient dient “S’ha descobert com es formen ….”. O si de cas, es podria dir d’on són els científics: “Científics anglesos, o americans, o japonesos, o d’on siguin, … descobreixen …”

Bé, anant al descobriment en concret, i tal com el mateix Recercat resumeix, uns investigadors britànics i nordamericans (Martins et al. 2013) han publicat  a Nature Geoscience el seu treball de laboratori, on han simulat l’impacte de cometes sobre la superfície d’un planeta, tot disparant un projectil amb una pistola d’aire comprimit a velocitats de 7 km/s (25000 km/h). Han vist que a causa de l’impacte i amb la calor generada, se sintetitzen aminoàcids a partir d’aigua, CO2 i amoni. Això és el que en diuen “síntesi de xoc”. Entre els aminoàcids detectats, han trobat glicina, D-alanina, L-alanina, aminoisobutíric, isovalina, norvalina i altres compostos precursors d’aminoàcids, tant els isòmers D com els L. Les quantitats detectades foren entre nanograms i algun microgram.

Aquest procès de síntesi mostra que, amb un mecanisme senzill, com és l’impacte dels cometes sobre la superfície rocosa d’un planeta, es pot passar de molècules inorgàniques bàsiques a molècules orgàniques més complexes, com són els aminoàcids, que són els monòmers de les proteïnes, constituents bàsics de tots els sers vius. I per tant, aquesta síntesi de xoc podria haver estat un pas en l’aparició de la vida terrestre.

Ara bé, que potser aquest treball és el primer en demostrar la possible formació de molècules bàsiques de la vida ? Doncs rotundament NO !!  Aquest treball té el seu valor però no es mereix aquest titular tan exagerat.

Per això, anem a repassar breument el que ja se sap, ja que fa més de 50 anys que molt diversos investigadors han treballat en aquest tema i han anat descobrint aspectes que reforcen les hipòtesis científiques de l’abiogènesi. Aquesta, també coneguda com biopoiesi, és el procés natural pel qual els sers vius es van originar a la Terra a partir de molècules senzilles fa uns 3.700 milions d’anys.

Biopoiesi, el procés d’aparició dels sers vius a la Terra

Aquest procès de biopoiesi implicà sens dubte diferents etapes:

1) La formació o aparició de les molècules orgàniques bàsiques dels sers vius, que són els monòmers com els aminoàcids, monosacàrids, àcids grassos i bases nitrogenades.

2) A partir dels monòmers anteriors, la formació de macromolècules biogèniques, o sigui polisacàrids, polipèptids, lipoides etc, per polimerització, segurament sobre suports inorgànics, com argiles o minerals de ferro.

3) I la formació dels primers protobionts, precursors de totes les cèl.lules, a partir de les macromolècules. Aquesta etapa clau, la més difícil de demostrar, probablement va anar lligada a l’adquisició en paral.lel de les 3 propietats bàsiques dels sers vius: una estructura embolcall (membrana) de consistència lipídica, unes reaccions transformadores de nutrients i energia (metabolisme rudimentari) i una capacitat de transferir les característiques a la descendència (mecanisme hereditari) amb alguna molècula portadora d’informació, probablement el RNA.

Deixem de moment les etapes 2 i 3, per reflexionar-hi potser més endavant en un altre post, i centrem-nos en l’etapa 1, relacionada amb l’article que comentava. Aquesta formació o aparició de compostos orgànics a la Terra primitiva pot haver estat per tres mecanismes: a) producció in situ; b) aportacions de l’exterior: i c) síntesi a causa d’impactes.

Aquestes tres categories de mecanismes ja eren plantejades com l’inventari possible dels orígens de la vida el 1992 en un article de Nature d’en Christopher Chyba i en Carl Sagan, el conegut pioner de l’exobiologia i divulgador científic, molt popular per l’extraordinària sèrie de TV Cosmos, autor de la frase “Som pols d’estrelles”, i que casualment fou el primer marit de Lynn Margulis, la que va difondre la teoria endosimbiòtica de l’origen bacterià de mitocondris i cloroplasts.

Síntesi endògena de compostos orgànics a la Terra primitiva

Doncs com deia, ja fa força anys que s’han anat demostrant les possibilitats de la formació de molècules orgàniques in situ, o sigui síntesi endògena sense aportacions externes, a la Terra primitiva. La hipòtesi de Oparin de què les condicions anaeròbiques reductores de l’atmosfera primitiva, junt amb l’energia solar, haurien afavorit la síntesi de molècules orgàniques formant la “sopa prebiòtica”, fou demostrada com a possible pels coneguts experiments de Miller i Urey:

El 1952 l’estudiant de doctorat Stanley Miller amb el seu professor Harold Urey introduiren una barreja d’aigua, hidrogen, metà i amoni en un recipient cíclic, on s’hi aplicaven espurnes elèctriques. Una setmana després, en analitzar els components, trobaren que un 15% del carboni procedent del metà ara era en forma de compostos orgànics diversos, inclosos 5 aminoàcids, tant D- com L-.

1 aqa_chem_miller-urey

Esquema dels experiments de Miller i Urey. Tret de GCSE-Bitesize (BBC).

Recentment (Parker et al 2011) s’han tornat a analitzar els vials dels extractes originals dels experiments de Miller i Urey amb les tècniques analítiques i equipaments actuals i s’han descobert molts més compostos que els detectats originalment els anys 1950, en concret s’han trobat 23 aminoàcids.

La síntesi d’aquestes molècules orgàniques a la Terra primitiva probablement fou facilitada per fonts d’energia d’activitat atmosfèrica com les descàrregues elèctriques que s’utilitzaven als experiments de Miller i Urey, però també n’hi hagué d’altres possibles, com la mateixa radiació solar, amb més radiació UV que l’actual (no hi havia capa d’ozò, formada posteriorment a partir de l’oxigen), més activitat volcànica i més radioactivitat en una Terra més jove, i més impactes de meteòrits o cometes, cosa que lliga amb el treball comentat de Martins et al. (2013).

Una altra aportació important en la recerca de la síntesi orgànica prebiòtica fou la demostració feta pel lleidatà Joan Oró treballant a la NASA (Oró 1961) de què l’adenina pot ser sintetitzada calentant solucions de cianur amònic. De manera similar, recentment s’ha demostrat la síntesi de pirimidines (citosina i uracil), adenina i triazines (unes altres bases nitrogenades) a partir d’urea mitjançant cicles de congelació-descongelació i amb descàrregues elèctriques (Menor-Salván et al. 2007).

2 adenina Oró

Tal com va demostrar en Joan Oró, amb 5 molècules de cianhídric es pot sintetitzar adenina, molècula clau per a la vida, ja que forma part dels àcids nucleics i del ATP.

Aportació de molècules orgàniques mitjançant objectes extraterrestres

Ara bé, a més de la síntesi de compostos orgànics in situ a la Terra primitiva, aquests també podrien haver vingut de fora. L’aportació de molècules orgàniques mitjançant objectes extraterrestres, cometes o meteòrits o altres, cada cop es fa més evident científicament. Els estudis més recents suggereixen que l’anomenat bombardeig massiu que va tenir lloc fa 3,5 milers de milions d’anys va aportar una quantitat de compostos orgànics comparable a la produïda in situ.

3 Lluvia-de-meteoritos

Simulació de pluja de meteòrits. Tret de AZ-Revista de Educación y Cultura

S’ha demostrat que els compostos orgànics són relativament comuns a l’espai extraterrestre, sobretot al sistema solar extern on els compostos volàtils no són evsporats pel calor solar. Molts cometes tenen una capa externa d’un material amb apariència de quitrà, que conté compostos orgànics formats per reaccions provocades per les radiacions, sobretot la UV. A banda que feia temps que se n’havien detectat per espectrografia de telescopi, fa pocs anys es va identificar per primer cop in situ l’aminoàcid glicina al cometa Wild-2 en mostres preses per la sonda Stardust de la NASA (Dolmetsch 2006).

El meteòrit Murchison, d’uns 100 kg, va caure a Austràlia el 1969 i es va disgregar en diversos fragments que han estat ben estudiats. Aquest meteòrit és del tipus condrites carbonàcies, que són rics en carboni, i efectivament, conté aminoàcids, tant comuns (glicina, alanina i glutàmic) com dels més inusuals (isovalina, pseudoleucina), amb concentracions de fins a 60 ppm (Kvenvolden et al. 1970). També conté hidrocarburs alifàtics i aromàtics, alcohols i altres compostos orgànics com fullerens i àcids carboxílics.

4 Murchison_crop

Un fragment del meteòrit Murchison, caigut a Austràlia el 1969, del tipus condrites carbonàcies, que conté aminoàcids i altres compostos orgànics. Imatge de wikipedia.

Recentment s’ha vist que la proporció d’isòtops 12C/13C de l’uracil i altres compostos orgànics del Murchison indica un origen no terrestre (Martins et al. 2008). De fet, a més del Murchison, les anàlisis fetes amb força més meteòrits demostren que els compostos orgànics es poden formar a l’espai exterior.

Els estudis de models fets amb ordinador suggereixen que els compostos orgànics prebiogènics es poden haver format al disc protoplanetari de pols que envoltava el Sol abans de la formació de la Terra, i que el mateix procés pot succeir al voltant d’altres estrelles (Moskowitz 2012).

És més, en estudis dels espectres d’emissions d’infraroig (Kwok & Zhang 2011) de la pols còsmica s’ha arribat a la conclusió que a les estrelles tipus supernova es produeixen molècules orgàniques complexes, i que aquestes són expulsades a l’espai interestel.lar per efecte de l’explosió de l’estrella. Sorprenentment, aquesta pols orgànica és similar als compostos trobats als meteòrits. Com que els meteòrits són els romanents del sistema solar primitiu, es pot suggerir que compostos orgànics que ara trobem als meteòrits s’haguessin format en estrelles llunyanes.

5 espectre 111026143721-large

Espectre d’infrarroig de compostos orgànics, superposat a una imatge de la nebulosa Orion on s’han trobat aquests compostos orgànics complexos (amb les fórmules). Imatge treta de NASA (C.R. O’Dell and S.K. Wong, Rice University).

Els darrers anys, s’ha fet un gran avanç en la detecció de molècules orgàniques a l’espai galàctic gràcies als radio-telescopis com el Green Bank (de 100 m de diàmetre) a West Virginia, USA, o el ALMA (Atacama Large Millimeter Array, a 5000 m d’alçada al desert d’Atacama, nord de Xile) que són 66 antenes de 12 m diàmetre conectades entre sí amb fibra òptica. Aquests radio-telescopis o interferòmetres astronòmics capten longituds d’ona al voltant del mm.

Amb aquests telescopis, com comentava en Pere Brunet fa un mes al seu post “Som pols d’estrelles?” (del blog Fractal de Ara-Ciència), s’han detectat al voltant d’altres estrelles compostos com propenal, ciclo-propenona, acetamida, i glicol-aldehid (CHO-CH2OH). Aquest darrer és força significatiu, ja que és el sucre més senzill possible i és necessari per a la formació de RNA, i l’han detectat amb l’ALMA al voltant d’una estrella jove binària tipus solar (IRAS 16293-2422), a 400 anys-llum de la Terra, relativament a prop, dins la Via Làctia (Jørgensen et al. 2012).

Síntesi de compostos orgànics per causa dels impactes

Finalment, ens queda aquest tercer mecanisme, relacionat amb l’article objecte inicial d’aquest post (Martins et al. 2013).  Doncs bé,  com hem dit abans, aquesta possibilitat ja fou revisada per Chyba & Sagan (1992), perquè ja s’havien efectuat experiments en aquest sentit fa força anys. En Sagan mateix amb altres autors (Bar-Nun et al. 1970) ja havien demostrat que en aplicar un xoc tèrmic, simulant impactes de cometes i micrometeòrits, a una barreja de gasos similars a l’atmosfera primitiva, hi apareixien aminoàcids.

Tanmateix, quan es pensa en impactes de cossos extraterrestres el primer que es pensa és justament el contrari, que són antagonistes de la vida a la Terra, ja que recordem els impactes que han causat cataclismes i extincions, com l’asteroide de fa 65 milions d’anys al cràter de Chicxulub al Yucatán, o a una escala molt menor, el meteòrit de 2013 a Chelyabinsk, Rússia, amb l’aparença de boles de foc. Doncs bé, encara que aquestes col.lisions poden causar efectes negatius sobre els sers vius a on cauen, al mateix temps l’energia alliberada pel xoc pot ser una font de reaccions que generen compostos orgànics prebiogènics, com demostra el treball de Martins et al. (2013).

Al mateix temps, s’ha demostrat que els compostos biològics que fossin presents al meteòrit poden “sobreviure” als impactes. En efecte, s’ha vist que aquests compostos poden quedar capturats en els porus de material carbonaci dins el material fos per la temperatura i pressió de l’impacte, en concret en anàlisis fetes amb material del cràter Darwin a Tasmània, d’un meteòrit  que hi va impactar fa 800.000 anys (Howard et al. 2013).

A més de Martins et al., altres treballs també han simulat els efectes dels impactes. Furukawa et al. (2009) van simular l’impacte d’un meteòrit tipus condrita en un oceà primitiu. Van utilitzar una pistola propulsora per crear un impacte d’alta velocitat en una barreja de carboni, ferro, níquel, aigua i nitrogen, i tot seguit van recuperar diverses molècules orgàniques, incloent àcids grassos, amines i un aminoàcid.

Així doncs, aquests experiments suggereixen que els impactes freqüents de cossos extraterrestres a la Terra primitiva devien resultar en una bona contribució a la formació de molt diversos compostos orgànics, i com ja he comentat, afegint-se a l’aportació dels que ja hi venien prèviament sintetitzats a l’espai exterior, i a la síntesi in situ a la mateixa Terra.

Bibliografia

Bar-Nun A, Bar-Nun N, Bauer SH, Sagan C. 1970. Shock synthesis of amino acids in simulated primitive environments. Science 168, 470-472.

Chyba C, Sagan C. 1992. Endogenous production, exogenous delivery and impact-shock synthesis of organic molecules: an inventory for the origins of life. Nature 355, 125–32

Dolmetsch C. 2006. NASA Spacecraft Returns With Comet Samples After 2.9 Bln Miles. Bloomberg.com. 2006-01-15

Editorial. 2013. The upside of impacts. Nature Geoscience 6, 987.

Furukawa Y, Sekine T, Oba M, Kakegawa T, Nakazawa H. 2009. Biomolecule formation by oceanic impacts on early Earth. Nature Geoscience 2, 62–66

Generalitat de Catalunya. 2014. “Científics descobreixen com es formen les molècules bàsiques de la vida”. Recercat 94, gener 2014.

Howard KT et 12 al. 2013. Biomass preservation in impact melt ejecta. Nature Geoscience 6, 1018-1023.

Jørgensen JK, Favre C, Bisschop SE, Bourke TL, van Dishoeck EF, Schmalzl M. 2012. Detection of the simplest sugar, glycolaldehyde, in a solar-type protostar with ALMA. Astrophysical Journal Letters 757, L4, 1-13.

Kvenvolden KA, Lawless J, Pering K, Peterson E, Flores J, Ponnamperuma C, Kaplan IR, Moore C. 1970. Evidence for extraterrestrial amino-acids and hydrocarbons in the Murchison meteorite. Nature 228, 923–926

Kwok S, Zhang Y. 2011. Mixed aromatic–aliphatic organic nanoparticles as carriers of unidentified infrared emission features. Nature, DOI:10.1038/nature10542

Martins Z, Botta O, Fogel ML, Sephton MA, Glavin DP, Watson JS, Dworkin JP, Schwartz AW, Ehrenfreund P. 2008. Extraterrestrial nucleobases in the Murchison meteorite. Earth and Planetary Science Letters 270, 130–136

Martins Z, MC Price, N Goldman, MA Sephton, MJ Burchell. 2013. Shock synthesis of amino acids from impacting cometary and icy planet surface analogues. Nature Geoscience 6, 1045-1049.

Moskowitz C. 2012. Life’s Building Blocks May Have Formed in Dust Around Young Sun. Space.com

Menor-Salván C, Ruiz-Bermejo DM, Guzmán MI, Osuna-Esteban S, Veintemillas-Verdaguer S. 2007. Synthesis of pyrimidines and triazines in ice: implications for the prebiotic chemistry of nucleobases. Chemistry 15, 4411–8.

Oparin A. 1952. The origin of life. New York: Dover.

Oró J. 1961. Mechanism of synthesis of adenine from hydrogen cyanide under possible primitive Earth conditions. Nature 191, 1193–4.

Parker ET, Cleaves HJ, Dworkin JP et al. 2011. Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment. PNAS 108, 5526–31.

Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Abiogenesis  (Molt bona revisió de l’origen de la vida i les diverses hipòtesis)

Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Murchison_meteorite

Un llac “habitable” a Mart fa 3800 milions d’anys

Click here for the english version:   An”habitable” lake in Mars 3800 million years ago

Com comentava en aquest blog (30 agost 2012 “Hi ha vida a Mart ?”), ara fa un any i mig l’astromòbil Curiosity va començar a passejar per Mart, en concret dins el cràter Gale, carregant els seus sofisticats instruments per tal d’analitzar roques, terra i atmosfera, o sigui un laboratori de geoquímica ben avançat analitzant la superfície d’un altre planeta per primer cop. Podeu veure un vídeo de 2 minuts del 1r any del Curiosity clicant aquí. Com sabeu, un dels objectius d’aquestes anàlisis és trobar proves de si van existir condicions propícies per a la vida a Mart, encara que fos en èpoques molt pretèrites.

1 Mars-Gale-Crater-locator-400x400

L’astromòbil Curiosity es passeja dins el cràter Gale, a l’est de Syrtis Major, la major prominència marciana visible amb telescopi. Imatge de NASA/ESA/Hubble.

Mart és un planeta amb algunes característiques semblants a la Terra, com per exemple la duració del dia, una mica més de 24 hores, però la major distància al Sol i la molt tènue atmosfera fan que la temperatura mitjana sigui -63ºC, amb oscil·lacions diàries des de +20ºC a -140ºC. En no tenir oceans, la superfície de terra marciana és equivalent a la de la Terra, ja que Mart és més petit.

2 Mars_Earth_Comparison

Comparativa de la Terra i Mart. El diàmetre de Mart de 3400 km és aprox la meitat del de la Terra, però exclosos els oceans, la superfície sòlida és semblant als dos planetes. Imatge treta de T.E. Harrison, New Mexico State University.

Malgrat les dificultats de provar l’existència actual d’aigua líquida a Mart, ja fa temps que s’han anat trobant proves que n’hi havia hagut a la superfície marciana, i es va confirmant que durant el primer miler de milions d’anys hi havia força aigua a Mart (Recordem que tant la Terra com Mart tenen uns 4,5 milers de milions d’anys).

3 marsnetwork

Aspecte d’una regió de Mart que indica el flux d’aigua en el passat remot. Imatge treta de T.E. Harrison, New Mexico State University.

4 History_of_water_on_Mars

Història de l’aigua a Mart, en milers de milions d’anys. Imatge treta de T.E. Harrison, New Mexico State University.

El Curiosity demostra un llac “habitable” fa 3800 milions d’anys

Així doncs, l’astromòbil Curiosity ha anat prenent mostres de diverses maneres (vegeu a la Figura següent els forats de 5 cm de la presa d’unes mostres) i analitzant-les. Estudiant les dades obtingudes, els científics han pogut elaborar una sèrie de treballs que han anat essent publicats a Science i altres revistes de prestigi.

5 drill holes

Forats de 5 cm fets pel Curiosity prenent mostres a la Yellowknife Bay del Cràter Gale de Mart. (NASA/JPL-Caltech/MSSS)

Entre altres articles, ja al maig passat se’n va publicar un (Williams et al 2013) amb observacions que el material extret de la Yellowknife Bay del Cràter Gale presenta textures típiques dels conglomerats sedimentaris fluvials, amb còdols arrodonits que indiquen abrasió fluvial, i per les seves característiques s’ha deduït un cabal aquós de quasi 1 metre per segon, amb fondàries també properes al metre. Per tant, quan es va formar aquest terreny les condicions climàtiques, amb cursos fluvials abundants, devien ser molt diferents de l’actual ambient hiperàrid i molt fred.

Ara fa unes setmanes, el 9 desembre, Science ha tret un número extraordinari online dedicat a les darreres troballes del Curiosity, amb 6 articles que apunten a què en el Cràter Gale hi havia hagut un llac que teòricament hauria estat habitable per a alguns organismes.

En un dels articles, potser el més rellevant, Grotzinger et al (2013) descriuen les roques sedimentàries que l’astromòbil ha descobert i demostren que era un ambient aquòs amb pH neutre, baixa salinitat i amb formes de diferents estats redox de Fe i S. Hi demostren la presència de C, H, O, S, N i P, o sigui, tots els elements biogènics, i calculen que aquest ambient propici per a la vida podria haver durat alguns centenars de milers d’anys, i per tant es demostra la viabilitat biològica d’aquest ambient lacustre-fluvial del període post-Noaquià de Mart, o sigui, fa uns 3800 milions d’anys.

Per tant, aquests científics dedueixen que aquest llac fou d’aigua dolça, una aigua que podríem beure, i que hi havia al voltant diversos ambients fluvials i lacustres. Aquest ambient és força habitable i similar a alguns ambiens terrestres. Els compostos químics presents comentats serien adequats per a la subsistència de bacteris quimiolitòtrofs, o sigui, els que tenen compostos inorgànics (com el Fe o el S) com a font d’energia i utlitzen CO2 com a font de carboni. A la Terra en tenim força tipus d’aquests, com per exemple els bacteris del ferro (Thiobacillus) o els del sofre (inclosos alguns Arquees termòfils), i els nitrificants. Encara que la majoria d’aquests bacteris quimiolitòtrofs terrestres són aerobis, ja que utilitzen l’oxigen atmosfèric com a acceptor d’electrons, també es coneixen alguns d’anaerobis, com els que fan l’oxidació anòxica d’amoni (procès “Anammox”), per exemple Brocadia anammoxidans, o els mateixos nitrificants en anaerobiosi.

Per tant, amb aquest llac “habitable” durant un cert temps, i altres ambients semblants, no es pot descartar encara que a Mart hi haguessin hagut sers vius.

6 view Gale crater

Vista des de Yellowknife Bay al cràter Gale crater, mirant cap al W-NW. Aquesta àrea de dipòsits sedimentaris era el fons d’un llac d’aigua dolça. Foto: NASA/JPL-Caltech.

7 Grotzinger-3-pia17596-br2 llac

Mida i forma estimades del llac que hi havia al cràter Gale. Hi devia haver altres semblants. Les fletxes indiquen la direcció del ventall al·luvial que buidava dins el cràter des de la seva paret. Foto: NASA/JPL-Caltech/MSSS.

Un altre dels aspectes estudiats en aquest número extra de Science és la possible presència de metà a l’atmosfera marciana (Webster et al 2013). Tal com passa a la Terra, el metà és un signe potencial d’activitat biològica en el passat. Malgrat observacions prèvies fetes des de la Terra o des de l’òrbita de Mart on s’especulava amb la presència d’uns 10 ppb de metà i el seu origen subsuperficial biològic o no, les mesures fetes in situ per l’espectrometria làser del Curiosity fent servir un patró espectral específic del metà, aquest no s’ha detectat, ja que els valors trobats són inferiors a 1 ppb. Això redueix la probabilitat de que hi hagi activitat microbiana metanogènica a Mart i al mateix temps limita la possible contribució recent de fonts geològiques i extraplanetàries.

Finalment, en un altre dels articles (Hassler et al 2013) sobre les mesures de raigs còsmics de la superfície de Mart que el Curiosity ha efectuat al llarg d’un any, es realitzen models de radiació, tant per al cálcul del temps d’una possible superviència microbiana a la subsuperfície, com per a la preservació de compostos orgànics d’origen biològic per trobar-los milers de milions anys després. Malauradament, sembla que l’efecte potent dels raigs còsmics faria molt difícil qualsevol d’aquestes possibilitats. A diferència de la Terra, el camp magnètic de Mart és molt feble i l’atmosfera també, coses que faciliten el bombardeig dels raigs còsmics i el vent solar sobre la superfície marciana. Tanmateix, hi ha evidències que en el passat Mart tingué un camp magnètic més efectiu, i per tant l’esperança no es perd …..

Bibliografia

Achenbach J. 2013. NASA Curiosity rover discovers evidence of freshwater Mars lake. The Washington Post, Health & Science online Dec 9.

Anderson PS. 2013. Curiosity rover confirms ancient martian lake. Spaceflight Insider online Dec 11.

Grotzinger JP et 72 al. 2013. A Habitable Fluvio-Lacustrine Environment at Yellowknife Bay, Gale Crater, Mars. Science DOI: 10.1126/science.1242777 online Dec 9, 2013.

Harrison, T.E., New Mexico State University:  http://astronomy.nmsu.edu/tharriso/ast105/Mars.html

Hassler DM et 23 al. 2013. Mars’ Surface Radiation Environment Measured with the Mars Science Laboratory’s Curiosity Rover. Science DOI: 10.1126/science.1244797 online Dec 9, 2013.

Kerr, RA. 2013. New Results Send Mars Rover on a Quest for Ancient Life. Science Now News, online Dec 9, 2013.

Science Special Collection Curiosity 2013. Curiosity at Yellowknife Bay, Gale Crater. Online: http://www.sciencemag.org/site/extra/curiosity/

Webster CR et al 2013. Low upper limit to methane abundance on Mars. Science 18 October 2013, Vol. 342 no. 6156 pp. 355-357

Williams RME et 38 al. 2013. Martian Fluvial Conglomerates at Gale Crater. Science 31 May 2013, Vol. 340 no. 6136 pp. 1068-1072

No sé ni cómo te atreves

Fotografía y esas pequeñas cosas de cada día

Pols d'estels

El bloc d'Enric Marco

Life Secrets

For my students

All you need is Biology

Blog professional sobre Biologia · Blog profesional sobre Biología · A professional blog about Biology

Rambles of a PA student

Caffeinated forays into biological imaginings.

Horitzons llunyans

Mirades distants

#4wine

Los vinos son pequeñas historias dentro de una botella y nosotras queremos contarte las nuestras

Vi·moments·persones

Un maridatge a tres bandes

SciLogs: Artificial, naturalmente

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

microBIO

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

RealClimate

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Quèquicom

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Dionís de viatge a Ítaca

Experiències enoturístiques

%d bloggers like this: