En el vast món de la biologia, els científics han descobert els secrets de l’ADN i han aprofitat el seu potencial per crear proteïnes recombinants. Aquestes meravelles de l’enginyeria genètica han revolucionat la medicina, permetent la producció de substàncies que poden salvar vides com la insulina. El viatge de les proteïnes recombinants va començar a la dècada dels 70 amb l’arribada de la tecnologia de l’ADN recombinant. Els científics van descobrir que podien manipular gens aïllant fragments d’ADN específics i combinant-los amb altres molècules d’ADN, creant ADN recombinant. Aquest descobriment va obrir el camí per a la producció de proteïnes que abans eren difícils o impossibles d’obtenir en grans quantitats. Les tecnologies actuals de proteïnes recombinants ens permeten tractar molts tipus de càncer, però també afeccions menys comunes.
Insulina: un exemple innovador
Abans de la insulina recombinant, els pacients amb diabetis confiaven en la insulina extreta del pàncrees dels animals, principalment dels porcs. Aquest procés implicava aïllar la insulina dels teixits del pàncrees de porc, que presentava nombrosos reptes com ara un subministrament limitat, una contaminació potencial i una potència inconsistent (deixant de banda, òbviament, l’aspecte ètic). No obstant això, amb el desenvolupament de la tecnologia de l’ADN recombinant, els científics van poder produir insulina humana en grans quantitats mitjançant la inserció del gen responsable de la producció d’insulina en bacteris o cèl·lules de llevats. Aquest avenç va transformar el tractament de la diabetis, proporcionant una font d’insulina més segura i fiable.
Quin és el procés per obtenir una proteïna recombinant
Avui dia, la producció de proteïnes recombinants s’ha convertit en un procés ben establert. Els mètodes moderns que es fan servir es basen en transferir el gen desitjat a un organisme hoste, com ara bacteris, llevats o cèl·lules de mamífers. Aquests organismes hostes actuen com a fàbriques vives, produint la proteïna d’interès mitjançant la replicació i expressió del gen inserit. S’utilitzen tècniques avançades com l’enginyeria genètica, l’edició de gens i la purificació de proteïnes per garantir alts rendiments i puresa del producte final.
Vegem-ho pas a pas:
Aïllament del gen: El primer pas per crear proteïnes recombinants és identificar i aïllar el gen d’interès. Aquest gen és l’encarregat de codificar la proteïna que es vol produir. Els científics poden extreure el gen de diverses fonts, com ara cèl·lules humanes, animals o microorganismes, depenent de la proteïna que vulguin produir.
Clonació del gen en un vector: En aquest pas, el gen aïllat s’insereix al vector escollit. Els vectors són el vehicle que portarà el nostre gen a la cèl·lula hoste i farà que allà es pugui mantenir i expressar. Els vectors poden ser plasmidis, virus o cromosomes artificials; depenent de la estratègia de producció que escollim. Quan manipulem el nostre gen d’interès no ho fem directament, agafant-lo i movent-lo d’un lloc a altre. Ho fem mitjançant l’ús d’enzims de restricció i lligases, que són proteïnes que poden tallar l’ADN o tornar-lo a enganxar als llocs on ens interessi.
Transformació o transfecció: Són dos noms que fan referència a maneres d’introduir el vector (que carrega el nostre gen) a dins de la cèl·lula hoste, fent que la membrana d’aquesta sigui permeable al nostre ADN recombinant. Algunes maneres inclouen el xoc tèrmic (escalfar breument), l’electroporació (aplicar corrent elèctric breument) o l’ús de substàncies que permeten entrar el nostre DNA.
Selecció i expressió: Aquest pas és un procés de selecció descartar totes aquelles cèl·lules que no han incorporat el nostre DNA recombinant. Normalment, acompanyem el nostre gen amb algun gen addicional que aporta un tret distintiu com pot ser la resistència a un antibiòtic). És tant fàcil com cultivar les cèl·lules en un brou amb l’antibiòtic d’elecció i només sobreviuran les que tenen el nostre DNA!
Producció i recol·lecció de proteïnes: Un cop identificades les cèl·lules transformades o transfectades, es cultiven en condicions optimitzades per afavorir l’expressió de proteïnes. La proteïna recombinant es sintetitza dins o fora de les cèl·lules hoste i després d’un període suficient de creixement, es recull o bé les cèl·lules o el medi en el que es trobaven.
Purificació de proteïnes: El material recollit contindrà la proteïna recombinant però també altres components cel·lulars que ens fan nosa. Normalment s’utilitzen diverses tècniques una darrera de l’altra (separant per mida, càrrega, afinitat, capacitat d’agregar…) per a poder descartar els contaminants i quedar-nos amb la proteïna.
Caracterització i anàlisi de proteïnes: Després de la purificació, la proteïna recombinant se sotmet a una caracterització per garantir que no s’ha degradat, té la mida adient, està ben plegada i funciona com esperàvem.
Consideracions ètiques
Finalment, com amb qualsevol tecnologia potent, i tenint en compte la quantitat de vides humanes i animals estalviades o salvades amb la tecnologia, hi ha consideracions ètiques associades a les proteïnes recombinants. Una preocupació és l’ús d’organismes modificats genèticament (OMG) com a organismes hostes. Els crítics argumenten que l’alliberament d’OGM al medi ambient podria tenir conseqüències imprevistes sobre els ecosistemes. Una altra qüestió ètica es relaciona amb l’accessibilitat i l’assequibilitat de les teràpies basades en proteïnes recombinants, especialment als països en desenvolupament. Assegurar una distribució equitativa i un preu assequible d’aquests tractaments que salven vides segueix sent un repte que cal abordar.
Sanchez-Garcia L, Martín L, Mangues R, Ferrer-Miralles N, Vázquez E, Villaverde A. Recombinant pharmaceuticals from microbial cells: a 2015 update. Microb Cell Fact. 2016 Feb 9;15:33. doi: https://10.1186/s12934-016-0437-3
Corchero JL, Favaro MTP, Márquez-Martínez M, Lascorz J, Martínez-Torró C, Sánchez JM, López-Laguna H, de Souza Ferreira LC, Vázquez E, Ferrer-Miralles N, Villaverde A, Parladé E. Recombinant Proteins for Assembling as Nano- and Micro-Scale Materials for Drug Delivery: A Host Comparative Overview. Pharmaceutics. 2023; 15(4):1197. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15041197
Quianzon CC, Cheikh I. History of insulin. J Community Hosp Intern Med Perspect. 2012 Jul 16;2(2). doi: https://10.3402/jchimp.v2i2.18701
Sarma V. Environmental issues in the planned release of genetically-engineered organisms. Aust J Biotechnol. 1989 Jan;3(1):13-6.
Tsatsakis AM, Nawaz MA, Kouretas D, Balias G, Savolainen K, Tutelyan VA, Golokhvast KS, Lee JD, Yang SH, Chung G. Environmental impacts of genetically modified plants: A review. Environ Res. 2017 Jul;156:818-833. doi: 10.1016/j.envres.2017.03.011
Les plantes ens envolten des de temps immemorials i ens encanten com a element decoratiu, oferint-nos un vincle o connexió amb la natura. De fet, molta gent probablement no es para a pensar en com de fascinants i complexes poden ser les vides d’aquests éssers vius fora de la seva vessant decorativa. A simple vista semblaria que les plantes viuen en una passivitat completa, on simplement absorbeixen aigua mentre fan la fotosíntesi per poder viure. Però això no és més que la punta de l’iceberg. Aquests apassionants éssers són realment sofisticats, més dinàmics del que ens pensem, i amaguen habilitats sorprenents!
Els humans, com a espècie, depenem completament de les plantes per sobreviure. De fet, n’aprofitem cada part en diferents espècies cultivables per a obtenir-ne nutrients, siguin arrels, flors, fruits, llavors, fulles, escorça, saba o tija.
Cada cop sabem més sobre les plantes, però això ens porta a fer-nos noves preguntes. De fet, us heu parat mai a pensar si les plantes ens escolten? Poden sentir dolor? Es comuniquen entre elles? En aquesta entrada de Xarrup de Ciència intentarem respondre algunes d’aquestes preguntes i encetar un fil de curiositats per explorar en properes entrades.
Per començar, sabem del cert que les plantes no tenen cervell, i això fa que no puguin sentir el dolor com ho fem nosaltres. Tot i així, és motiu de debat si tenen o no un sistema nerviós com els animals. De fet, si per sistema nerviós entenem la capacitat de generar, transmetre i processar senyals, les plantes sí que tenen sistema nerviós. De fet, un estudi publicat el 2018 confirmava que aquesta capacitat de comunicar-se a través de senyals es dona a les plantes a través d’uns receptors basats en l’aminoàcid glutamat com a primer missatger, igual que passa en animals!
Essencialment, podem simplificar aquest sistema nerviós pensant que és un sistema de comunicació intern per a la planta. Una manera per la qual ella mateixa pot comunicar les seves parts per prendre decisions segons els estímuls externs (per exemple, segons els nutrients al sòl, aigua disponible, o temperatura ambiental). Anant més enllà, al llarg dels anys s’han investigat diversos sistemes que permeten a les plantes comunicar-se, no només amb elles mateixes, sinó amb el seu entorn. Òbviament, aquesta comunicació no és duta a terme com la fem els humans, a través d’un llenguatge o gestos, sinó que normalment es basa en l’alliberació de senyals químiques. I no ens confonguem, la comunicació no sempre és amigable. Certs compostos que poden alliberar poden ser molestos, irritants, o fins i tot tòxics per als seus destinataris. En altres ocasions fins i tot, podem veure aquesta comunicació traduïda en la formació d’estructures de defensa per part de la planta, o canvis en la seva morfologia per atraure o dissuadir.
A continuació veurem alguns exemples segons el tipus de comunicació:
Comunicació interna
Una planta es comunica internament per enviar missatges sobre canvis en el seu entorn. Hi ha diverses maneres d’enviar senyals. Poden ser a través d’hormones, compostos volàtils, canals de calci a les cèl·lules, o fins i tot canvis de potencial elèctric. Els missatges més comuns durant el desenvolupament d’una planta poden ser aquells que regulen el creixement de la mateixa a través d’hormones, segons si a l’entorn es donen condicions favorables o no. Per exemple, en condicions de sequera, la planta enviarà senyals als estomes de les fulles perquè es tanquin i així la planta minimitza la pèrdua d’aigua.
Si prenem una mirada més específica, també trobarem les anomenades senyals de resistència sistèmica adquirida. Quan un microorganisme patogen infecta una part de la planta, aquesta envia senyals a les parts que encara són sanes per preparar-les per resistir la infecció a través de:
Proteïnes pròpies que ataquen la paret cel·lular, que protegeix el patogen.
Proteïnes que s’adhereixen al patogen per evitar que es dissemini.
Substàncies oxidants, tòxiques per al patogen, que fan front a la infecció.
Alteracions del metabolisme de la pròpia planta, estimulant la producció de lignina i compostos fenòlics per tornar més robusta la paret de les seves cèl·lules i així dificultar que el patogen envaeixi la planta.
Comunicació entre plantes de la mateixa espècie
Com ho fan les plantes per parlar entre membres de la mateixa espècie? Aquí entren en joc els compostos orgànics volàtils (COVs). Les plantes poden emetre un ampli ventall d’aquests compostos que fan de senyals per les plantes veïnes. Per exemple, algunes plantes emeten COVs en resposta a dany causat per patògens o animals herbívors, alertant així les altres plantes del seu voltant perquè preparin les seves defenses (per exemple, alliberant substàncies irritants o tòxiques que afectin a aquells mateixos herbívors).
Un altre mètode de comunicació són les senyals arrel-arrel a través de molècules com les estrigolactones, les citocines i les auxines. Per a què els serveix comunicar-se entre plantes a través de les arrels? Doncs aquesta comunicació no només permet estimular que les plantes veïnes en condicions de sequera per avisar-les que facin créixer més les arrels per aprofitar l’aigua, sinó que permeten a les plantes compartir la pròpia aigua! A través d’un fenomen que anomenem redistribució hidràulica, algunes plantes dels climes àrids o periòdicament secs poden transportar aigua de capes profundes del sòl cap a la superfície, de la superfície a les profunditats, o fins i tot d’un lateral a l’altre si els cal redistribuïr-la o compartir-la entre individus.
En tercer lloc, el contacte físic directe també pot provocar canvis en els patrons de creixement d’una planta, com ara l’allargament de les tiges o les fulles per evitar l’ombra. Aquesta resposta està mediada per una hormona anomenada auxina, que es produeix en resposta al tacte. I derivat del contacte físic també es pot desencadenar un enviament dels COVs dels que acabem de parlar. De fet, algunes plantes poden reaccionar als herbívors no només després de patir un dany directe, sinó des del moment que detecten la seva saliva. En aquests casos, algunes plantes poden alliberar senyals per atraure els depredadors dels herbívors que se les estan menjant. L’enemic de l’enemic, és el seu amic en aquest cas!
Comunicació entre plantes de diferents espècies
El contacte físic en aquest cas també és rellevant, doncs algunes plantes poden intensificar el creixement per competir per la llum i fer ombra a les altres plantes, o bé abastar més àrea al sòl fent créixer les arrels i competir millor per aigua i minerals. A més a més, les plantes poden alliberar substàncies químiques que inhibeixen el creixement o la germinació d’altres espècies vegetals. Coneixem aquest fenomen com al·lelopatia. Per exemple, els noguers negres (Juglans nigra) produeixen una substància química anomenada juglona, que és alliberada al sòl i és tòxica per a moltes plantes, com ara tomàquets, patates i pomes (a nivell pràctic, pot inhibir el seu creixement).
Però no totes les comunicacions entre plantes de diferents espècies son hostils. Les plantes poden formar xarxes en simbiosi amb fongs, que a través de les seves hifes connecten les arrels de diferents espècies vegetals. Aquestes xarxes, anomenades xarxes micorríziques, permeten a les plantes compartir sucres, nutrients i altres recursos amb les plantes veïnes. I no penseu que això és només una curiositat, el 95% de les plantes conegudes es coneix que tenen aquestes simbiosis amb fongs! De fet, la majoria dels bolets comestibles de boscos de pins (rovellons, llenegues, rossinyols, fredolics…) són el cos fructífer d’aquests fongs.
Comunicació amb altres espècies
En el marc de la defensa pròpia, ja hem mencionat alguns mecanismes per els quals les plantes es poden comunicar amb altres espècies, com per exemple atraient els enemics dels seus depredadors (alliberant COVs). Aquest tipus de defensa indirecta es coneix com a defensa tritròfica, i sense anar gaire lluny, la podem trobar en les tomaqueres. Concretament, s’ha descrit en tomaqueres la capacitat de reaccionar a l’herborisme per part d’erugues emetent compostos volàtils que atrauen a vespes parasitoides. Com hem parlat anteriorment a Xarrup de Ciència, això implica que aquestes vespes pondran els seus ous dins les erugues, matant-les quan aquests eclosionin i les seves larves se n’alimentin. Malgrat haver desenvoluopat aquesta fantàstica capacitat, s’ha descrit que la domesticació de les tomaqueres ha acabat reduint la seva capacitat d’atraure enemics naturals dels herbívors.
I no acaben aquí els exemples. Alguns pollancres atacats per insectes herbívors poden alliberar substàncies que atrauen castors, que procediran a menjar-se l’escorça de l’arbre, reduint així el nombre d’herbívors. A més a més, les acàcies també han desenvolupat un ventall d’eines per fer front a herbívors com les girafes. Entre aquestes trobem l’atracció de formigues a través de compostos volàtils, que defensaran la planta d’invasors, també l’aparició d’espines per dificultar l’herborisme, o l’acumulació de tanins a les fulles fent que aquestes tinguin un gust amarg i desagradable!
Aquests dos darrers mètodes (l’aparició d’espines i l’acumulació de tanins) ja no els podem considerar mecanismes indirectes de defensa, sinó que són mecanismes de defensa directa. D’aquests també en trobem un ampli ventall que serveix per a dissuadir el herbívors. Entre els més estudiats trobem:
El desenvolupament de fulles, branques o tiges endurides, amb pèls, o amb espines, que actuen com a barreres físiques per dificultar l’alimentació per part d’herbívors.
La producció de substàncies químiques de defensa que es poden alliberar o acumular a la pròpia planta, i són tòxiques o desagradables per als depredadors o competidors.
La mimesi de l’aparença d’altres organismes per a dissuadir herbívors, fent-los pensar que la planta no és comestible.
Els moviments ràpids de la fulla. Algunes plantes sensibles com la Vergonyosa (Mimosa pudica) poden doblegar les fulles davant el contacte físic, espantant els herbívors.
La deposició de silici per part d’algunes plantes, que forma estructures abrasives que fan que el teixit de la planta sigui difícil de mastegar i digerir.
Ara bé, no tot és defensa pròpia. Fora de la comunicació per evitar ser menjades per herbívors, les plantes poden interactuar amb altres individus pel seu bé, o un bé comú. Per exemple, produint colors brillants, nèctar dolç o fragàncies específiques poden atraure pol·linitzadors com les abelles i papallones, que asseguren la producció de llavors. Sense anar més lluny, un altre exemple poden ser les mateixes llavors, que poden ser atractives per a altres animals, que les transportaran a nous indrets on la planta es podrà escampar i assegurar la seva supervivència com a espècie.
Arriba un punt on costa de distingir qui és el que envia el primer missatge, o quina és l’espècie que treu benefici de l’altra. En aquest sentit, és comú que les plantes tinguin relacions mutualistes amb animals com les formigues, on la planta proveeix aliments i refugi a canvi de protecció per part de la colònia, com hem vist en el cas de les acàcies. En altres casos, algunes plantes tenen relacions pseudo-simbiòtiques amb insectes com els pugons, que es poden alimentar de la sàvia de les plantes a canvi d’aportar nutrients excedents a la planta un cop processats. No queda clar exactament quin és el benefici de la planta en aquesta relació, si és que en té algun…
El que sí queda clar però, és que els milions d’anys de coevolució entre plantes i animals han donat lloc a una miríada de mecanismes inversemblants per assegurar la supervivència d’uns i altres!
Referències
Abdul Rashid War, Michael Gabriel Paulraj, Tariq Ahmad, Abdul Ahad Buhroo, Barkat Hussain, Savarimuthu Ignacimuthu & Hari Chand Sharma (2012) Mechanisms of plant defense against insect herbivores, Plant Signaling & Behavior, 7:10, 1306-1320, DOI: 10.4161/psb.21663
Beckers B, Op De Beeck M, Weyens N, Van Acker R, Van Montagu M, Boerjan W, Vangronsveld J. Lignin engineering in field-grown poplar trees affects the endosphere bacterial microbiome. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016 Feb 23;113(8):2312-7. doi: 10.1073/pnas.1523264113. Epub 2016 Jan 11. PMID: 26755604; PMCID: PMC4776533.
González-Teuber, M., Kaltenpoth, M. and Boland, W. (2014), Mutualistic ants as an indirect defence against leaf pathogens. New Phytol, 202: 640-650. https://doi.org/10.1111/nph.12664
Karban, Richard. “Plant Sensing and Communication in Agriculture and Medicine.” In Plant Sensing and Communication University of Chicago Press, 2015. Chicago Scholarship Online, 2016. https://doi.org/10.7208/chicago/9780226264844.003.0010.
Li, X., Garvey, M., Kaplan, I., Li, B. and Carrillo, J. (2018), Domestication of tomato has reduced the attraction of herbivore natural enemies to pest-damaged plants. Agr Forest Entomol, 20: 390-401. https://doi.org/10.1111/afe.12271
Masatsugu Toyota et al. Glutamate triggers long-distance, calcium-based plant defense signaling. Science. 361,1112-1115(2018). DOI:10.1126/science.aat7744
Miguel-Tomé S, Llinás RR. Broadening the definition of a nervous system to better understand the evolution of plants and animals. Plant Signal Behav. 2021 Oct 3;16(10):1927562. doi: 10.1080/15592324.2021.1927562. Epub 2021 Jun 12. PMID: 34120565; PMCID: PMC8331040.
Trappe, J.M. (1987) Phylogenetic and ecologic aspects of mycotrophy in the angiosperms from an evolutionary standpoint. Ecophysiology of VA Mycorrhizal Plants, G.R. Safir (EDS), CRC Press, Florida
Turlings, T., & Wäckers, F. (2004). Recruitment of predators and parasitoids by herbivore-injured plants. In R. Cardé & J. Millar (Eds.), Advances in Insect Chemical Ecology (pp. 21-75). Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/CBO9780511542664.003
Yang G, Huang L, Shi Y. Magnitude and determinants of plant root hydraulic redistribution: A global synthesis analysis. Front Plant Sci. 2022 Jul 22;13:918585. doi: 10.3389/fpls.2022.918585. PMID: 35937319; PMCID: PMC9355616.
De qui és fill? És aquesta la sang de l’assassí? Quins són els meus orígens?
En aquesta nova entrada de Xarrup de ciència parlarem de com hem respost al llarg del temps aquestes preguntes que acabem de plantejar. Normalment van lligades a casos judicials per problemes d’herència, familiars perduts o crims. Però tenen alguna cosa en comú? Doncs sí, al llarg del temps les hem respost utilitzant tècniques de biologia clàssica o més recentment, biologia molecular.
Primer de tot hem d’establir unes bases molt senzilles, i és que dues persones amb vincles familiars tenen determinades característiques que han heretat una de l’altre o d’un avantpassat comú. Per tant, parts dels seus cosses com la sang, l’ADN i altres molècules tindran similituds o diferències que es poden estudiar per obtenir informació.
En aquest cas, utilitzarem una cronologia per introduir a gran escala quins mètodes han predominat a cada època i vinyetes de còmic per veure cada exemple:
1920 – Comparar els grups sanguinis
Un mètode senzill però amb poc poder discriminatori. A partir de mostres de sang es comparen els grups (O, A, B o AB) de dues persones. Amb aquesta comparació es pot determinar tan sols la possibilitat d’una descendència directa. De fet, a part de les relacions pare/mare-fill/a, aquest mètode no era de gaire més utilitat, ja que només hi ha 4 opcions per combinar.
1930 – Antígens al sèrum de la sang
Tenir en compte antígens al sèrum sanguini afegeix una mica de complexitat al test anterior. Es mira si els implicats tenen o no certs antígens que es poden detectar. Un exemple seria l’antigen Rh, que normalment el fem servir conjuntament amb el grup sanguini. En una persona de grup sanguini “A”, diem que pot ser A+ o A- segons si té l’antigen Rh o no. El concepte d’antigen el fem servir per referir-nos en aquest cas a parts úniques d’una molècula que són reconeixibles pel nostre sistema immunitari.
1970 – Antígens als leucòcits (HLA)
Els leucòcits són també anomenats glòbuls blancs. Els trobem a la sang i són cèl·lules del sistema immunitari. HLA és l’acrònim en anglès d’antigen de leucòcit humà; i és que estudiant quins antígens tenen els nostres leucòcits podem discernir ja amb molt més detall la genètica entre dues persones.
Mentre que els tests de sang i molts dels basats en antígens encara no serveixen per determinar una relació, sí que són útils per determinar la possibilitat biològica de la relació parental.
A partir dels anys 80 i fins l’actualitat, les tècniques basades en ADN han substituït tota la resta, ja que ofereixen informació molt més resolutiva:
1980 – Polimorfisme de la llargada dels fragments de restricció (RFLP)
Consisteix a comparar com queda el genoma de dues persones diferents després de tallar-lo en trossets petits. S’agafa DNA de cada individu i es talla utilitzant enzims de restricció, que són proteïnes que tallen quan hi ha una seqüència concreta que reconeixen. Aquestes seqüències poden trobar-se (o no) al genoma i es fan servir diferents enzims alhora per generar combinacions de fragments diferents. El nombre de fragments obtinguts i la seva mida dependrà del genoma original, i per això els fills conservaran patrons similars a la mare i al pare.
1990 – Reacció en cadena de la Polimerasa (PCR)
Aquesta tècnica es basa en la capacitat de fer còpies de l’ADN d’una regió d’interès. Podem comparar a grans trets si els gens que ens interessa són compartits entre individus, ja que un cop els hem amplificat molt (hem fet moltes còpies) són més fàcils de visualitzar i detectar. La PCR és la tècnica precursora en la qual es basen les que veurem a posteriori i ha marcat un abans i un després al camp de la biologia molecular.
2000 – Polimorfismes en un únic nucleòtid (SNP)
Basant-nos en la PCR i posterior seqüenciació d’aquest ADN obtingut podem comparar seqüències de DNA de gens que normalment són molt conservats al llarg de la història. Diferències en nucleòtids únics ens informen amb una precisió altíssima de la relació entre individus.
Tornant a la seqüenciació de l’ADN, aquest està format per molècules que es diferencien per la variant de base nitrogenada que tenen. Seqüenciar consisteix en saber quines molècules tenim i en quin ordre. Per facilitar el seu estudi assignem una lletra per representar cada base nitrogenada: A (Adenina), T (Timina), G (Guanina), C (Citosina). Per això, quan tractem amb seqüències de DNA sempre veiem text que aparentment no té significat, com el següent:
Però en realitat el té. Aquest fragment d’exemple codifica per un tros de l’enzim lactasa, que s’encarrega de digerir la lactosa de la llet!
2010 i posteriors – Seqüenciació de pròxima generació (NGS)
Aquest concepte fa referència a la millora tecnològica dels darrers anys que ens ha permès seqüenciar a gran escala i preus molt reduïts. Actualment és possible seqüenciar d’una manera econòmica el genoma sencer dels individus per fer una comparació del 100% dels seus trets hereditaris! D’aquesta manera, no hi ha dubte de quines són les diferències genètiques entre dues o més persones.
Ja hem vist que des dels anys 80, el DNA és la base de tots els tests que es realitzen. Però d’on es pot obtenir i com el podem purificar?
ON? El DNA és present a totes les cèl·lules del nostre cos, vives o mortes sempre que mantinguin la integritat. El més comú és utilitzar un escovilló i fregar-lo entre la geniva i les galtes (per arrastrar les nostres cèl·lules de descamació de la pell), però també serveixen per obtenir el DNA d’una persona la sang, dents, pèls amb arrel, retalls d’ungles, xiclets, burilles, raspalls de dents, caramels llepats o mocadors usats.
COM? El primer pas sempre és llisar la cèl·lula (trencar, en termes generals) perquè tot el contingut quedi dissolt en suspensió. Després es pot recuperar el DNA o bé retenint-lo en una membrana (com fan la majoria de kits comercials) o precipitant-lo en alcohol o altres solvents orgànics (mètode clàssic). Tot i que pot ser molt laboriós fer servir aquest mètode clàssic quan es requereix alta qualitat del DNA, és molt senzill i divertit provar d’extreure l’ADN a casa a partir de fruita! Us deixem un vídeo perquè ho veieu i proveu vosaltres mateixos, només necessitareu fruita, detergent i alcohol:
Pel que fa a les anàlisis de DNA, actualment existeix la possibilitat d’estudiar el genoma dels nostres fills fins i tot abans que neixin. Principalment es fan estudis per preveure si pot haver-hi síndrome de Down o altres malalties hereditàries, però també existeixen algoritmes entrenats que poden fer estimes d’alçada o altres característiques. L’era de l’ADN no ha fet més que començar!
Referències
G: Unnatural selection. Podcast de Radiolab: https://www.wnycstudios.org/story/g-unnatural-selection
Rerkamnuaychoke B1, Chantratita W, Jomsawat U, Thanakitgosate J, Rojanasunan P. Paternity testing by PCR-based STR analysis. J Med Assoc Thai. 2000 Mar;83 Suppl 1:S55-62.
Tautz D. (1989). “Hypervariability of simple sequences as a general source for polymorphic DNA markers”. Nucleic Acids Research. 17 (16): 6463–6471. doi:10.1093/nar/17.16.6463
Alguns anys sí, d’altres no. Perquè el virus de la grip ens afecta diferent cada any i la vacuna no sempre funciona bé?
Les dues preguntes tenen la mateixa resposta: El virus de la grip (anomenat Influenza) canvia constantment. Aquests canvis constants ocorren a través de dos fenòmens dels que us parlarem avui: La deriva antigènica i el canvi antigènic.
Què és un antigen?
Doncs qualsevol molècula que el nostre sistema immune pot reconèixer i identificar invasors estrangers, com ara bacteris o virus. Els antígens poden activar la resposta del nostre sistema immune per produir anticossos, que són com soldats que lluiten contra aquests invasors i ens ajuden a mantenir-nos sans.
Hi ha quatre generes diferents d’Influenza: A, B , C i D. El que canvia més dràsticament i té més virulència és l’A, que us presentem a continuació.
Quan parlem de canvis ens referim a les variacions que pateixen els dos antígens de proteïnes del virus, l’Hemaglutinina (H) i la Neuraminidasa (N). El nostre sistema immunitari necessita detectar aquests antígens per acabar amb el virus, però si han canviat molt des de l’última vegada que es van reconèixer, el cos necessita immunitzar-se de nou i les defenses que tenia preparades ja no serveixen.
Quins dos motius provoquen aquests canvis?
En primer lloc, la deriva antigènica consisteix en petits canvis als antígens H i N causats per mutacions al genoma del virus. El material genètic del virus Influenza esta format per RNA en comptes de DNA, fent-lo més susceptible a canvis. Aquests petits canvis es poden anar acumulant fins que el sistema immunitari ja no reconeix el virus resultant.
En contraposició, el canvi antigènic és el nom que se li dona a un canvi radical en la composició del virus. No és causat per mutacions puntuals sinó per reagrupaments entre el virus Influenza humà i el d’una altra espècie. Precisament, els hostes naturals del virus Influenza A són aus aquàtiques. Aquestes aus actuen de reservoris i punt de mutació/canvis dels virus. El canvi antigènic es dona típicament en intermediaris com el porc, que són infectats de manera natural per les dues variants (aviar i humana) i permeten el reagrupament.
A nivell històric, quins canvis antigènics han causat grans pandèmies?
1580. Primera pandèmia de grip a Europa. El papa de Roma ho va atorgar a la influència dels astres Mart i Venus. Per això el virus de la grip es diu Influenza.
1889-1890. Grip russa. No es té clar quin virus la va causar.
1918-1919. Grip Espanyola. Virus H1N1. Es calcula que va matar entre 20 i 50 milions de persones. Se li diu espanyola perquè Espanya era l’únic país que no estava en guerra i va ser l’únic que ho va publicar als diaris.
1957-1958. Grip asiàtica. Virus H2N2. Va deixar uns 4 milions de víctimes.
1968-1969. Grip de Hong Kong. Virus H3N2. Tercera pandèmia del segle XX a Europa amb 2 milions de víctimes.
Altres pandèmies de grip més recents han estat la grip aviar (2005, virus H5N1) i la grip A (2009-2010, virus H1N1).
Com es fa la vacuna de la grip?
Arribats a aquest punt, només ens queda parlar de perquè alguns anys les vacunes són més efectives que d’altres. Doncs bé, la vacuna de la grip està formulada cada any per la OMS. Aquesta té una xarxa de centres nacionals de la grip i centres col·laboradors per tot el món, on es fa un seguiment dels virus gripals que circulen. Amb les dades que obtenen, la OMS selecciona els virus que han estat més comuns i fa una previsió de quins seran els que més afectaran l’any següent. Això es fa dues vegades a l’any, al febrer pels països de l’hemisferi nord i al setembre pels de l’hemisferi sud.
A partir de les recomanacions s’elabora una barreja entre aquestes variants i un virus de laboratori que és més segur. Com hem dit, el que s’elabora és una vacuna predictiva. Per tant, de vegades el virus que afecta durant l’hivern següent té antígens prou diferents com perquè la vacuna no acabi de funcionar.
Les proteïnes són molècules grans i complexes que realitzen una àmplia gamma de funcions en els organismes vius, des de catalitzar reaccions químiques fins a transportar molècules dins de les cèl·lules. Cada proteïna està formada per una seqüència única d’aminoàcids, que s’uneixen com perles en un collaret. La seqüència d’aquests aminoàcids és el que determina l’estructura tridimensional de la proteïna final, que a la seva vegada determina quina serà la seva la seva funció.
Perquè ens entenguem, una proteïna és com aquells auriculars amb cable que deixem oblidats en alguna butxaca i queden plegats i entertolligats sobre si mateixos. Amb la diferència que la proteïna pot exercir la seva funció un cop està plegada, i els auriculars no tant. Tal com els cables dels auriculars es van embolicant i girant uns al voltant dels altres, els aminoàcids que formen una proteïna també es poden torçar i girar de moltes maneres. Això dificulta entendre la seva estructura!
Precisament, determinar l’estructura d’una proteïna és un pas crític per entendre la seva funció, però també és una tasca increïblement difícil. De fet, es poden necessitar anys d’assaig i error per determinar l’estructura d’una sola proteïna mitjançant mètodes experimentals com la cristal·lografia de raigs X o l’espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear (RMN).
Aquí és on entra en joc el protagonista d’avui, AlphaFold. AlphaFold és un algorisme d’aprenentatge profund desenvolupat per DeepMind, una empresa que va ser comprada per Google el 2014. Aquest algorisme anomenat AlphaFold va ser creat per predir l’estructura d’una proteïna en funció de la seva seqüència d’aminoàcids. És a dir, en funció de les peces que la conformen, però sense necessitat de tenir la proteína per estudiar-la. El programa és capaç de fer aquestes prediccions sobre plegament mitjançant una base de dades massiva que conté les estructures ja resoltes de proteïnes conegudes, així com una varietat d’altres dades d’interès.
El programa funciona només després d’haver estat entrenat amb aquest conjunt de dades d’estructures de proteïnes conegudes que acabem de mencionar. Més precisament, utilitza una xarxa neuronal profunda per identificar els patrons i les relacions entre les seqüències d’aminoàcids i les estructures de proteïnes corresponents. Un cop s’ha entrenat la xarxa neuronal, es pot utilitzar per predir l’estructura d’una nova proteïna basant-se únicament en la seva seqüència d’aminoàcids.
Una de les innovacions clau d’AlphaFold és la forma en què integra múltiples fonts de dades per fer les seves prediccions. A més de la seqüència d’aminoàcids, el programa té en compte una àmplia gamma d’altres dades, incloses les distàncies entre parells d’aminoàcids de la cadena de proteïnes, els angles entre els aminoàcids adjacents i les posicions relatives de diferents parts de la proteïna.
Mitjançant aquest enfocament, AlphaFold és capaç de fer prediccions molt precises de l’estructura d’una proteïna. De fet, amb un nivell de precisió que rivalitza o supera el de mètodes experimentals com la cristal·lografia de raigs X o l’espectroscòpia RMN, que hem mencionat anteriorment. De fet, a l’experiment de predicció a cegues “CASP” del 2020, AlphaFold va poder predir l’estructura de gairebé totes les proteïnes del conjunt de proves amb un nivell de precisió que era competitiu amb aquests mètodes experimentals, una gesta increïble.
Les implicacions d’aquest avenç són molt importants. Amb la capacitat de predir l’estructura de les proteïnes amb més precisió i eficàcia que mai, els científics poden ja obtenir nous coneixements sobre els mecanismes subjacents de moltíssimes malalties i desenvolupar tractaments més efectius per a condicions com el càncer, l’Alzheimer i el VIH (virus causant de la SIDA).
A més, la tecnologia darrere d’AlphaFold podria tenir implicacions més àmplies per al camp de la intel·ligència artificial i l’aprenentatge automàtic. El programa és un bon exemple de com els algorismes d’aprenentatge profund es poden utilitzar per resoldre problemes científics complexos i podria obrir el camí per a nous avenços en una àmplia gamma de camps, des de la ciència dels materials fins a la modelització del clima.
En general, AlphaFold representa un avenç important en la nostra capacitat d’entendre i manipular els components de la vida. Tot i que les implicacions d’aquesta tecnologia encara s’estan explorant, té el potencial de capgirar completament com abordem actualment els problemes científics complexos en camps de la medicina o altres ciències de la vida. De fet, de ben segur que ja heu sentit a parlar sobre altres algorismes basats en xarxes neuronals com el famós chatGPT. De fet, la versió més recent (versió 4) de ChatGPT va aprovar l’examen de llicència mèdica dels EUA amb molt bona nota nota.
Agafem-nos fort que venen temps de canvis! Ens veiem a la propera entrada de Xarrup de Ciència!
Referències
Senior, A.W., Evans, R., Jumper, J. et al. Improved protein structure prediction using potentials from deep learning. Nature 577, 706–710 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1923-7
Estructura d’una Ribokinasa al PDB: https://www.rcsb.org/structure/8CQX
Portal web de deepmind: https://www.deepmind.com/open-source/alphafold
Resultats del CASP: https://www.deepmind.com/blog/alphafold-a-solution-to-a-50-year-old-grand-challenge-in-biology
Article de Wired: How AI is Unlocking the Secrets of the Protein Universe” https://www.wired.com/story/how-ai-is-unlocking-the-secrets-of-the-protein-universe/
Informe tècnic de GPT-4 arXiv:2303.08774 [cs.CL]. https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.08774
La immunoteràpia és la modulació del sistema immunitari d’un individu amb finalitats terapèutiques. Aquesta modulació es pot fer a través de fàrmacs o bé a través de propis elements del sistema immunitari. En les últimes dècades s’han produït grans avenços en aquest camp, especialment pel tractament del càncer, però cada vegada més s’apliquen a altres malalties. Tot i que si considerem aquesta definició, la primera immunoteràpia de la història seria la primera vacuna (contra la verola i creada per Edward Jenner el 1796), avui també parlarem d’altres tipus d’immunoteràpies més recents i avançades.
Diferents tipus d’immunoteràpia
La classificació de les immunoteràpies es fa en funció de quin element és el que s’utilitza per al tractament, així com quin tipus d’efecte produeixen. Així doncs, podem distingir quatre grans grups de tipus d’immunoteràpia.
Ús d’anticossos:
Tots hem sentit a parlar d’anticossos alguna vegada, especialment després de la pandèmia quan dèiem que teníem anticossos si havíem passat la malaltia. Però què són exactament i com els produïm? Els anticossos són unes proteïnes que secreten els limfòcits B (concretament quan són productors d’anticossos, els anomenem, cèl·lules plasmàtiques) una vegada han reconegut un antigen. Els antígens són petites porcions de proteïnes (pèptids) capaços de desencadenar una resposta immunitària. Generalment, els antígens provenen de patògens, tot i que no té perquè sempre ser així. No obstant, quan parlem de l’ús d’anticossos en immunoteràpia ens referim a uns tipus d’anticossos una mica diferents. Donat que els anticossos són específics, és a dir, només reconeixen un antigen concret, podem produir anticossos que reconeguin proteïnes humanes. Tradicionalment, això es feia utilitzant animals, per exemple, en ratolins. Si immunitzem un ratolí amb un antigen humà, el seu sistema immunitari ho reconeixerà com si fos una cosa estranya, igual que si s’infectés amb un bacteri o un virus, i alguns dels seus limfòcits B començaran a produir anticossos que seran específics d’antígens de proteïnes humanes. L’any 1975, dos científics (Khöler i Milstein) van desenvolupar el que coneixem com a hibridomes per aïllar aquests limfòcits B de ratolins immunitzats i els van fusionar amb cèl·lules neoplàsiques de mieloma, que és quan les cèl·lules plasmàtiques es tornen tumorals. Fent això, aconseguim tenir un “tumor” de cèl·lules plasmàtiques al laboratori i que per tant, es reprodueix constantment i que alhora produeix l’anticòs que ens interessa. Avui en dia, tenim altres mètodes d’enginyeria genètica que ens permeten crear anticossos recombinants. És a dir, dissenyem el “gen” del nostre anticòs i l’inserim en altres cèl·lules productores.
Ara que ja sabem què són i com es produeixen, ens falta saber de què ens serveixen? Quan un anticòs s’uneix a alguna proteïna del nostre cos, es poden produir varis efectes que buscarem en funció del tipus de modulació que estiguem desenvolupant. Els anticossos poden bloquejar receptors (proteïnes de la membrana) fent-los inaccessibles pels seus lligands, o fer l’efecte contrari, actuar com a lligands i activar certs receptors. Per altra banda, també ens poden servir com a opsonitzadors, un procés que forma part de la resposta immunitària i que serveix per “marcar” les cèl·lules que han de ser eliminades, per exemple, perquè han estat infectades amb un virus. Així doncs, mitjançant anticossos podem produir una infinitat d’efectes diferents i és per això que alguns tipus d’anticossos concrets s’inclouen en altres categories d’immunoteràpia, com veurem més endavant.
Transferència cel·lular adoptiva:
Tal i com indica el seu nom, la transferència cel·lular adoptiva es basa en transferir cèl·lules als pacients, generalment cèl·lules del sistema immunitari amb la finalitat de reactivar o millorar la resposta immunitària. Es subdivideix en varis grups diferents, en funció dels elements que transferim.
1. Limfòcits infiltrants de tumor: Generalment el que transferim són limfòcits T, un tipus de cèl·lules del sistema immunitari que és capaç d’atacar els tumors, gràcies al reconeixement específic mitjançant els seus receptors, anomenats TCR, de l’anglès T cell receptor. El que es fa, per exemple en càncer, és extreure del propi pacient limfòcits de la seva sang, al laboratori s’identifica quins són capaços de reconèixer tumors i expandir-los per tornar a introduir-los després al cos, ajudant al propi sistema immunitari a tenir més limfòcits capaços d’atacar els tumors.
2. CAR-T-cells: Les CAR-T cells són un tipus de limfòcits T que han estat modificats genèticament. En comptes de tenir un TCR, es modifiquen i el que tenen és un anticòs que reconeix alguna molècula, però que és capaç d’activar a la cèl·lula T de la mateixa manera que mitjançant el seu TCR. Aquest tipus de teràpia està tenint un gran èxit en el tractament de limfomes, del que comunament es coneixen com “càncers de la sang”.
3. Basades en receptors de limfòcits T modificats genèticament: De nou, aquestes cèl·lules T tenen els seus TCR modificats però, en aquest cas, el que es fa és utilitzar un TCR que sabem que reconeix específicament algun antigen d’interès, per exemple un antigen tumoral, i s’introdueix mitjançant enginyeria genètica als limfòcits T.
4. D’altres tipus cel·lulars: a part d, de les més utilitzades en càncer són de cèl·lules NK, però en altres malalties també s’estudia l’ús d’altres cèl·lules com de cèl·lules dendrítiques.
Vacunes
Com ja hem comentat, les vacunes són el primer tipus d’immunoteràpia que es va crear. Normalment parlem de vacunes preventives, que són aquelles que el que fan és “ensenyar-li” a sistema immunitari algun antigen perquè sigui capaç de produir una resposta més ràpidament en cas d’infecció, és a dir, es basen en la inducció d’una resposta de memòria. Però avui en dia ja no només es desenvolupen vacunes contra malalties infeccioses pel risc de posar-se malalt per la infecció, sinó també per evitar el risc de desenvolupar un càncer degut a aquesta infecció. L’exemple més conegut és la vacuna del càncer de cèrvix que, en realitat, està dirigida contra el virus del papil·loma humà, ja que la infecció amb aquest virus al cap de molts anys pot provocar desenvolupar aquest tipus de càncer. Per altra banda, i potser menys conegudes, també existeixen el que coneixem com a vacunes terapèutiques. Aquest tipus de vacuna no són per prevenir una malaltia sinó per ajudar al sistema immunitari una vegada ja existeix alguna patologia o ja ens hem infectat o hem entrat en contacte amb alguna substància nociva, per exemple, amb algun verí.
Inhibidors de punts de control immunitaris
Els inhibidors de punt de control immunitaris (o ICI de l’anglès, immune checkpoint inhibitors) han sigut la gran revolució de les últimes dècades en teràpies contra el càncer. Les primeres observacions les van realitzar dos investigadors, per separat, anomenats James P. Allison i Tasuku Honjo, dedicats a la recerca d’uns coreceptors inhibidors de resposta, anomenats CTLA-4 (de l’anglès cytotoxic T lymphocyte-associated protein 4) i PD-1 (de l’anglès programmed cell death protein 1), respectivament. Ambdues proteïnes formen part del que coneixem com a punts de control immunitaris i estan presents a les membranes dels limfòcits T. La funció biològica d’aquests coreceptors és regular la resposta immunitària mitjançant la seva inactivació, és a dir, quan aquests coreceptors s’activen el que fan és inhibir a les cèl·lules perquè deixin de produir una resposta. Principalment, aquest mecanisme serveix per evitar que el cos produeixi respostes immunitàries massa fortes o evitar el reconeixement d’antígens propis (que podria produir autoimmunitats com diabetis, lupus, artritis reumatoide, esclerosi múltiple, etc.). No obstant, aquest mecanisme pot ser contraproduent quan, per exemple, el sistema immunitari està intentant eliminar un tumor. Per tant, si utilitzem anticossos monoclonals que bloquegin aquests coreceptors, podem tornar a induir una resposta immunitària que ens pot ser beneficiosa en alguns contextos. Tot i que els estudis fets per Allison i Honjo es remunten a principis dels anys 90, no va ser fins l’any 2011 i 2014 que es va aprovar l’ús d’anticossos contra CTLA-4 i contra PD-1, respectivament, pel tractament de tumors. Des de llavors, un gran nombre de assajos clínics s’han dut a terme i els resultats més prometedors s’han observat en melanoma. La gran repercussió que va tenir aquest descobriment els fa fer guanyar a tots dos el premi Nobel de Medicina l’any 2018.
I fins aquí els quatre apunts sobre immunoteràpia! Tot i que la gran majoria de recerca s’ha fet en càncer, ha permès obrir un camp nou de possibilitats per tractaments d’altres malalties, especialment en autoimmunitats. Esperem que ho hagueu trobat interessant!
Referències
Leavy, O. The birth of monoclonal antibodies. Nat Immunol17 (Suppl 1), S13 (2016).
Galluzzi, L. et al. Classification of current anticancer immunotherapies. Oncotarget 5, 12472–12508 (2014).
Markowitz, L. E. & Schiller, J. T. Human Papillomavirus Vaccines. The Journal of Infectious Diseases 224, S367–S378 (2021).
Krummel, M. F. & Allison, J. P. CD28 and CTLA-4 have opposing effects on the response of T cells to stimulation. J Exp Med 182, 459–465 (1995).
Chambers, C. A., Sullivan, T. J. & Allison, J. P. Lymphoproliferation in CTLA-4-deficient mice is mediated by costimulation-dependent activation of CD4+ T cells. Immunity 7, 885–895 (1997).
Allison, J. P. & Krummel, M. F. The Yin and Yang of T cell costimulation. Science 270, 932–933 (1995).
Ishida, Y., Agata, Y., Shibahara, K. & Honjo, T. Induced expression of PD-1, a novel member of the immunoglobulin gene superfamily, upon programmed cell death. EMBO J 11, 3887–3895 (1992).
Shinohara, T., Taniwaki, M., Ishida, Y., Kawaichi, M. & Honjo, T. Structure and chromosomal localization of the human PD-1 gene (PDCD1). Genomics 23, 704–706 (1994).
Nishimura, H. et al. Developmentally regulated expression of the PD-1 protein on the surface of double-negative (CD4-CD8-) thymocytes. Int Immunol 8, 773–780 (1996).
Agata, Y. et al. Expression of the PD-1 antigen on the surface of stimulated mouse T and B lymphocytes. Int Immunol 8, 765–772 (1996).
Robert, C. A decade of immune-checkpoint inhibitors in cancer therapy. Nat Commun 11, 3801 (2020).
Robert, C. et al. Pembrolizumab versus Ipilimumab in Advanced Melanoma. New England Journal of Medicine 372, 2521–2532 (2015).
Larkin, J. et al. Five-Year Survival with Combined Nivolumab and Ipilimumab in Advanced Melanoma. N Engl J Med 381, 1535–1546 (2019).
Sun, Q. et al. T-cell receptor gene therapy targeting melanoma-associated antigen-A4 by silencing of endogenous TCR inhibits tumor growth in mice and human. Cell Death and Disease 10, (2019).
Durant la darrera dècada hem viscut l’ascens a la fama d’una temàtica de terror que ha fet triomfar sèries, pel·lícules i videojocs per igual: Estem parlant dels zombis! Aquestes criatures normalment es representen com a violents cadàvers reanimats, carents d’emocions, carents de personalitat i sempre a la búsqueda de carn humana per infectar, transmetent la seva condició a tot aquell qui aconsegueixen mossegar.
Si bé tots som conscients que aquestes són obres fictícies, imaginatives i representants d’un perill irreal, els mecanismes que hi ha al darrere d’aquestes criatures no estan tan lluny de la realitat. De fet, podem simplificar el fenòmen de zombificació i definir-lo com a una alteració irreversible del comportament. Amb aquesta premisa en ment, hi ha una llarga llista d’éssers vius reals que podem proposar per a fer de protagonistes al següent “hit” televisiu. Tals éssers vius cauen dins de la categoria que anomenem com a parasitoides; un subgrup dins dels paràsits convencionals que tenen la particularitat de no importar-lis si el seu hoste sobreviu, o no, al procés d’infecció. Bàsicament, s’aprofiten d’un hoste per assegurar la seva pròpia supervivència i reproducció.
Parasitoides. Una definició definició més clàssica remarcaria que un parasitoide és un organisme que viu la major part de la seva vida en o sobre un sol amfitrió, al qual sol matar al final del seu desenvolupament. A diferència dels paràsits, que poden viure sobre o dins d’un amfitrió durant tota la seva vida, molts cops passant desapercebuts. Els parasitoides poden ser insectes, com ara vespes, mosques o escarabats, i s’utilitzen sovint com a control biològic per regular poblacions de plagues d’insectes en l’agricultura. De fet, acostumen a ser les larves d’aquests artròpodes les que es desenvolupen dins d’un hoste, nodrint-se’n.
En aquest article veurem diversos exemples de parasitoides capaços d’alterar el comportament de la seva víctima. No obstant, per introduir-nos al món dels manipuladors de comportament primer ens remuntarem a un dels primers casos descrits a la literatura científica, en el que el protagonista no acabarà amb la vida del seu hoste, però sí que ajudarà al botxí a fer la seva feina. Al voltant dels anys 50, l’ecòleg Willem van Dobben va notar que les carpes infectades per un cuc intestinal del gènere Ligula eren més fàcilment capturades per aus ictiòfagues (que s’alimenten de peixos). Ligula intestinalis necessita de tres hostes diferents per a completar el seu cicle vital, i precisament el seu hoste definitiu (des d’on pondrà els ous) es tracta d’una au. Així doncs, els indicis apunten a que algun canvi en el comportament de les carpes infectades per Ligula intestinalis les feia més susceptibles a ser capturades pel depredador, facilitant així que el paràsit pogués infectar fàcilment a l’ocell.
Un altre exemple senzill de manipulació del comportament (aquest cop, indirectament) el trobem en el fong Entomophtora muscae. Quan aquest fong entra en contacte amb una mosca la pot colonitzar, causar-li la mort en uns dies i desenvolupar estructures reproductores per alliberar les seves espores. El que és interessant però, és que un cop la mosca ja és morta el fong segueix estenent-se pels seus teixits interns, causar la inflamació i un canvi d’aparença a l’abdomen de la mateixa mosca. S’ha descrit que els cadàvers de mosques femella infectades amb el fong, atrauen més sexualment els mascles de la mateixa espècie. I amb el contacte íntim, el fong es pot transmetre molt fàcilment!. Tot i que aquest comportament es va descriure en un estudi l’any 1993, han fet falta gairebé 30 anys per demostrar (el passat 2022) que el canvi de comportament era causat per l’alliberament de feromones per part del fong.
I ara que trepitgem el territori dels fongs, què millor que aprofitar l’auge de la sèrie The Last of Us per parlar de Cordyceps, uns dels més temibles parasitoides alteradors del comportament!
Si comencem pel principi, direm que les espècies del gènere Cordyceps es caracteritzen perquè totes són parasitoides d’insectes i altres artròpodes. N’hi ha més de 600 descrites, cadascuna amb una espècie hoste específica amb la que ha co-evolucionat al llarg dels anys. Com s’introdueix a la primera escena de la sèrie de televisió, el miceli (format per hifes, cèl·lules en forma de filament que formen el cos del fong) de Cordyceps envaeix i substitueix els teixits de l’hoste infectat, matant l’artròpode i després fent créixer un cos fructífer (els bolets que consumim són els cossos fructífers d’un fong), que és una estructura que emmagatzema i s’encarrega de disseminar les espores. La particularitat del cas és que algunes espècies de Cordyceps o Ophiocordyceps (un gènere molt semblant) aconsegueixen durant la infecció assaltar el sistema nerviós de la víctima, desencadenant un comportament erràtic. Aquest comportament no és violent, com s’ensenya a la sèrie de ficció, sinó que més aviat causa una desorientació de la víctima, que s’allunya de la seva colònia i acaba ancorant-se sota les fulles dels arbres amb les mandíbules, que queden totalment bloquejades després de tancar-se. Aquest és el moment on el cos fructífer (bolet) s’acaba desenvolupant, puguent dispersar molt efectivament les espores des d’una posició d’altura.
De fet, no només el comportament de l’hoste afectat no és violent ni pot transmetre la malaltia a humans, sinó que nosaltres ens en podem arribar a beneficiar. Com a curiositat interessant, l’insecte infectat i ben assecat s’ha consumit des de fa més de mil anys en la medicina xinesa. Hi ha estudis pre-clínics que afirmen que alguns dels compostos que produeix el fong poden contribuir al reforç del sistema immune, a actuar com a antioxidant, anticancerígen, antidiabètic, anti-fatiga, antiedat, hipocolesterolèmic, hipotensiu, vasorelaxant, antidepressiu, protector de ronyons, i fins i tot afrodisíac! Tot i que moltes de les reivindicacions anteriors s’han fet en base a estudis amb cèl·lules cultivades al laboratori, un producte innovador fet amb cordycepina (una substància produïda pel fong) ha rebut recentment l’aprovació per passar a fase clínica II, en la que s’està estudiant en pacients de melanoma i adenocarcinoma l’eficàcia del medicament.
Fins ara hem parlat de manipuladors del comportament que són minúsculs i fins i tot microscòpics en la seva individualitat, però trobem també un ampli ventall de paràsits i parasitoides alteradors de comportament que poden ser distingits a ull nu.
Precisament, en aquest sentit hi ha un paràsit que intenta ser quan més visible millor durant la seva infecció, amb el propòsit que un depredador (i potencial hoste pel paràsit) es mengi la presa on el paràsit es troba. Estem parlant del cuc pla (trematode) Leucochloridium, que infecta cargols de terra en una de les fases del seu cicle de vida. Durant el seu pas infectant el cargol, el cuc paràsit creix pel seu interior i es ramifica fins arribar a les antenes dels cargols. Allà, i des de dins, es forma una estructura especial que a mitjançant de pulsacions imita l’aparença d’una eruga. Al mateix temps, el paràsit estimula el cargol a moure’s a espais lluminosos i oberts. El resultat és que els tentacles del cargol semblen una eruga en un lloc ben visible pels ocells, atraient aus predadores perquè se n’alimentin, arrancant els ulls infectats del cargol i així fent que el paràsit pugui accedir al seu nou hoste. De fet, molts cops el tentacle del cargol torna a créixer, convertint els cargols infectats en màquines de reproducció pel paràsit. Terrorífic!
Cicle de vida de Leucochloridium: Tot comença quan els ous del cuc, que es troben a femtes d’ocells, són ingerits per un cargol de terra del gènere Succinea. Dins de l’intestí del cargol eclosionen els ous i surten els miracidis, que penetren l’intestí i entren als teixits interns del cargol. Aquests miracidis es transformen en esporocists, que produeixen més esporocists filles, que són bàsicament fàbriques de larves cercaries. Quan les larves ja s’han produït, les mateixes fàbriques, o esporocists, es ramifiquen fins arribar a les antenes/tentacles dels cargols i des de dins fan senyals en forma de línies de colors que van movent-se en un ritme polsant, atraient ocells. Els ocells devoren el cargol o el seus tentacles, i totes les larves (metacercàries) que s’havien produït dins del cargol es poden desenvolupar a l’intestí dels ocells i tancar el cicle, on finalment des de la cloaca aniran alliberant els nous ous.
Hem vist ja un parell d’exemples de casos on el paràsit pot controlar en certa mesura el moviment de l’hoste. Però també trobem mosques parasitoides, que formen larves que infecten abelles i les condueixen a enterrar-se sota terra, fugint de la colònia, per poder arribar a la maduresa adulta en un lloc protegit. De fet aquestes mosques, un cop adultes, adopten una coloració groga i negre, imitant les abelles i vespes.
Finalment, com a darrer exemple citarem els nematomorfs, cucs paràsits que afecten a artròpodes com escarabats, paneroles o grills, i on en aquests darrers s’ha descrit com el paràsit els condueix a llocs amb aigua i els fan saltar sense pensar’s-ho dues vegades, a la seva mort, per a poder facilitar la sortida del cuc per un orifici. Serà a l’aigua on el paràsit llavors es troba còmode per a continuar amb el seu cicle de vida, deixant enrere el cadàver de l’artròpode.
I fins aquí arriba aquest primer article de Xarrup de Ciència, on hem parlat del fascinant món dels paràsits que alteren el comportament dels seus amfitrions. Des de formigues zombi fins a grills suïcides, hem explorat les estranyes i fascinants maneres en què els paràsits poden manipular el comportament dels seus amfitrions. Aquests éssers que controlen la ment poden semblar trets d’una pel·lícula d’horror, però són ben reals, i el seu impacte en el món natural és profund. Així que la propera vegada que estigueu a l’aire lliure, recordeu que no esteu sols. Qui sap quins paràsits poden estar amagats a les ombres?
Mantingueu-vos curiosos, mantingueu-vos segurs i fins la propera entrada de Xarrup de Ciència!
Referències
W. H. Van Dobben. The Food of the Cormorant in the Netherlands. Ardea, 55(1–2), 1-63 (1952).
Moller, A.P. A fungus infecting domestic flies manipulates sexual behaviour of its host. Behavioral ecology and sociobiology, 33, pp.403-407 (1993).
Naundrup, A., Bohman, B., Kwadha, C.A. et al. Pathogenic fungus uses volatiles to entice male flies into fatal matings with infected female cadavers. ISME J16, 2388–2397 (2022). https://doi.org/10.1038/s41396-022-01284-x
Das G, Shin HS, Leyva-Gómez G, Prado-Audelo MLD, Cortes H, Singh YD, Panda MK, Mishra AP, Nigam M, Saklani S, Chaturi PK, Martorell M, Cruz-Martins N, Sharma V, Garg N, Sharma R, Patra JK. Cordyceps spp.: A Review on Its Immune-Stimulatory and Other Biological Potentials. Front Pharmacol. 2021 Feb 8;11:602364. doi: 10.3389/fphar.2020.602364.
Kodama, E.M.; McCaffrey, R.P.; Yusa, K.; Mitsuya, H. (February 2000). “Antileukemic activity and mechanism of action of cordycepin against terminal deoxynucleotidyl transferase-positive (TdT+) leukemic cells”. Biochemical Pharmacology. 59 (3): 273–281. doi:10.1016/S0006-2952(99)00325-1. PMID 10609556.
Pontoppidan M-B, Himaman W, Hywel-Jones NL, Boomsma JJ, Hughes DP (2009) Graveyards on the Move: The Spatio-Temporal Distribution of Dead Ophiocordyceps-Infected Ants. PLoS ONE 4(3): e4835. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0004835
Moore J. An overview of parasite-induced behavioral alterations – and some lessons from bats. J Exp Biol 1; 216 (1): 11–17. (2013) doi: https://doi.org/10.1242/jeb.074088
Biron, D.G., Marché, L., Ponton, F., Loxdale, H.D., Galéotti, N., Renault, L., Joly, C. and Thomas, F., 2005. Behavioural manipulation in a grasshopper harbouring hairworm: a proteomics approach. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 272(1577), pp.2117-2126.
