Los condensados de proteínas envejecen como fluidos de Maxwell (Jawerth L. et al, 2020)

Introducción

Investigadores e investigadoras del Centro de Sistemas Biológicos de Dresden y del Hyman Lab del Instituto Max Planck han caracterizado el envejecimiento de los condensados de proteínas con técnicas reológicas experimentales. El estudio [1] concluye que los condensados se comportan como vidrios de Maxwell para cualquier edad del mismo. Estos vidrios de Maxwell son un caso particular de los materiales viscoelásticos, explicados a continuación.

Los materiales viscoelásticos exhiben propiedades líquidas (viscosas) y propiedades sólidas (elásticas). La viscosidad es, grosso modo, la fricción interna entre los componentes del fluido, por lo que conlleva pérdidas de energía en forma de calor. La parte elástica se encarga de almacenar energía cuando se aplica una fuerza deformadora en el material. Una vez la fuerza desaparece, la energía elástica se encarga de reformar la estructura interna y devolverlo al estado inicial. Así, los materiales viscoelásticos no recuperan completamente su forma inicial porque parte de la energía se pierde en su propia viscosidad.

Ejemplos típicos de materiales que presentan esta física son los metales a altas temperaturas, el hielo, algunos polímeros y componentes celulares. Medir sus propiedades es relativamente fácil, al igual que en el estudio [1], consiste en someter al material a distintas deformaciones para estudiar las fuerzas internas que se producen. El modelo físico más simple que permite estudiar como se disipan las fuerzas en el tiempo cuando se aplica una cierta deformación es el modelo de Maxwell.

Modelo de Maxwell

Este modelo supone que la parte elástica y viscosa son completamente separables. Si aplicamos una deformación constante el modelo predice que la fuerza elástica actúa de manera instantánea, elevándola hasta un cierto valor constante. Después, actúa la viscosidad se encarga de disipar las fuerzas hasta que llegan a un equilibrio mecánico. En la Figura 1 representamos la predicción del modelo de Maxwell para una placa de hielo en la que se ha colocado encima una masa para simular el ejemplo anterior.

Figura 1: Predicción del modelo de Maxwell de la evolución de las fuerzas por unidad de superficie  en pascales (eje vertical) con respecto al tiempo en microsegundos (eje horizontal). Los parámetros escogidos son los correspondientes al experimento de Jellinek, H. H. G. et al., 1956 [2].

Tal y como puede verse, ocurre todo lo mencionado anteriormente. Normalmente, se define un tiempo de relajación característico de cada material como el tiempo en el que las fuerzas se disipan un 74%, aproximadamente. En el caso del hielo el tiempo de relajación calculado es 0.11 ms.

Experimento

A pesar de que el modelo de Maxwell tiene ciertas limitaciones reproduce a la perfección la reología de los condensados de proteínas para todas las edades del condensado. El estudio midió la respuesta del condensado a la difusión, coalescencia con otros condensados y mecánica al aplicarse una fuerza periódica a uno de sus extremos. A continuación se recogen los principales resultados:

  • Los condensados jóvenes presentan una difusión más rápida que los maduros, por lo que su velocidad de movimiento es mayor.
  • Los condensados jóvenes tardan menos en fusionarse con otros condensados que los maduros indicando una mayor viscosidad.
  • Al aplicar una fuerza periódica y a medida que el condensado envejece, su tiempo de relajación aumenta, implicando una menor viscosidad y mayor elasticidad.

Juntando las conclusiones del estudio encuentran un hilo conductor: los condensados jóvenes son más viscosos (líquidos) que elásticos (sólidos), mientras que los maduros son más elásticos que viscosos. Por otro lado, los sistemas que forman cristales se caracterizan porque su envejecimiento depende del tiempo de relajación y porque la solidificación lleva asociada una pérdida de la capacidad de movimiento. Estos procesos físicos han sido observados en los condensados de proteínas y modelados por el modelo de Maxwell, por lo que los autores proponen que en estos sistemas se formen los llamados vidrios de Maxwell.

Repercusiones biológicas

Los condensados de proteínas biológicos pueden tener distintas funciones a nivel celular. Por ejemplo, los gránulos P tienen la función de regular la expresión génica en algunas especies. Como se ha visto en el estudio de Jawerth L. et al. [1], los condensados de proteínas pueden ser descritos como vasos de Maxwell aunque, como la reología revela propiedades viscoelásticas esperadas de un fluido Maxwell para un solo tiempo de relajación, pero a distintas edades los tiempos de relajación varían, podemos referirnos a ellos como un vidrio Maxwell, que incorpora el envejecimiento de los fluidos y los vasos Maxwell.

En biología no se ha caracterizado bien el comportamiento similar a los vidrios. Sin embargo, este estudio [1] ofrece una nueva visión del comportamiento bioquímico y mecánico de los condensados proteicos. Estos, en situaciones de estrés, en vez de romperse (como ocurre en geles), pueden funcionar como sensores de tensión de la célula, y acoplar las tensiones a los procesos bioquímicos. Esto se puede traducir en un funcionamiento de ralentización celular en determinadas situaciones y a la vez ofrecer una respuesta rápida en situaciones cambiantes.Es necesario continuar con estudios puente entre la física (reología) y la biología, para alcanzar una mejor comprensión de los procesos mecánicos y bioquímicos de las células, estudios sobre los tiempos de relajación (relacionados con mínimos de energía en el envejecimiento de los condensados), y contextualizarlos en los ensamblajes de proteínas de orden superior, según indican los autores del estudio [1].

Bibliografía

[1] JAWERTH, Louise, et al. Protein condensates as aging Maxwell fluidsScience, 2020, vol. 370, no 6522, p. 1317-1323.

[2] JELLINEK, H. H. G.; BRILL, R. Viscoelastic properties of iceJournal of Applied Physics, 1956, vol. 27, no 10, p. 1198-1209.

Autores: Tomás Sánchez Pastor y Óscar Regina Costilla-Legaz.

Evolución de las armas biológicas. Riesgos modernos y el caso de México.

A medida que las investigaciones se vuelven más sofisticadas, el riesgo de un uso criminal de estas nuevas tecnologías crece. Es por ello necesario desarrollar planes de prevención, y concienciar a los futuros investigadores y técnicos y educar sobre estos riesgos y tecnologías contemporáneas.

A medida que nos acercamos en la historia, los avances tecnológicos y científicos cada vez hacen que la industria armamentística sea más sofisticada. El ejemplo más evidente es el nuclear, cuya aplicación moderna dejó su huella en Hiroshima y Nagasaki, como todos conocemos, en agosto de 1945. De ahí la importancia de concienciar a los científicos y técnicos, e inculcarles valores de ética, responsabilidad y desarrollo. En este breve comentario histórico nos vamos a detener en el uso menos pacífico de la biología, y en los actuales riesgos biológicos.

Los primeros usos de armas biológicas datan del período romano. En 184 d.C., Aníbal Barca, militar cartaginés, lanzó vasijas con serpientes de todo tipo a los barcos rivales. En las guerras de la Edad Media, cadáveres “apestados” o cargados de viruela fueron catapultados a las ciudades enemigas. Incluso, durante la guerra franco-india en Norteamérica, los británicos dieron a los indios leales mantas cargadas de viruela. Sin embargo, la biología de las armas se volvió más sofisticada según nos acercamos a la Primera Guerra Mundial. El uso de ántrax y vectores tales como cartas, hizo de la biología una amenaza seria, y de alta precisión (M. Eitzen E. et al., 1997).

Actualmente, el Protocolo de Ginebra (1925), la Asamblea de las Naciones Unidas de 1969 y la Convención Mundial de Armas Biológicas y Toxinas penalizan el uso de agentes biológicos para fines no pacíficos, así como su producción o almacenaje. Además, se han desarrollado unos planes de detección de amenazas criminales, mediante el estudio de las epidemias y sus gráficas epidemiológicas: el impacto de las infecciones en determinados sectores de la población (como pueden ser personas sanas), el patógeno, la zona, el tiempo de transmisión, o los focos de infección, pueden determinar si una epidemia es motivo de un ataque terrorista (paramilitar, revolucionario), militar o natural.

Tras el uso criminal de ántrax en EEUU en 2001, se estudió el impacto que podía tener el uso de agentes biológicos en su uso menos pacífico, debido al elevado coste que supondría un ataque de tal magnitud, imposible de afrontar por los gobiernos. Ponce de León-Rosales et al. (2001), mencionaban un modelo matemático que estimaba un coste de más de 26 billones de dólares por 100 000 personas expuestas a un ataque de este estilo en la frontera México-EEUU. Además, se ha estudiado la posibilidad de la reaparición de la viruela en México como riesgo biológico de tipo paramilitar (o, incluso, militar). Y es que dada la cercanía de este país con EEUU, al que algunos autores consideran el país con más riesgo de sufrir un ataque biológico, hace de México un foco en la posible reaparición de la viruela (teniendo en cuenta, además, los distintos intereses y conflictos entre estos países). Sin embargo, esto es muy poco probable. El virus de la viruela, Variola virus, ha sido prácticamente erradicado. Su existencia se ve reducida a dos laboratorios en el mundo: EEUU y Rusia, tras la eliminación de los restos en los laboratorios británico y sudafricano. A pesar de esto, a finales del siglo pasado, Ken Alibek, un científico ruso de gran relevancia, avisó de las intenciones militares de Rusia en lo referente a la viruela, en contraposición a lo previamente firmado por el país ruso en la Convención para la Eliminación de Armas Biológicas de 1972 (Franco-Paredes C. et al, 2003).

El aviso de Ken Alibek , sobre las intenciones que hubo por parte del gobierno ruso, es un claro ejemplo de que, a pesar de las restricciones a nivel internacional, las armas biológicas suponen un riesgo para la salud. Uno de ellos, la reaparición de la viruela en México, pone en evidencia la necesidad de realizar un plan de prevención no sólo a nivel internacional, sino también a nivel nacional por parte de los distintos países. Por otro lado, es necesario concienciar a los futuros investigadores y ampliar los estudios relativos a movimientos paramilitares, para frenar, o llegar a retener, las amenazas criminales modernas y sofisticadas.

BIBLIOGRAFÍA

• Franco-Paredes, C., Lammoglia, L., & Santos-Preciado, J. I. (2004). Perspectiva histórica de la viruela en México: aparición, eliminación y riesgo de reaparición por bioterrorismo. Gaceta médica de México, 140: 321-328.
• Ponce de León-Rosales, S., Lazcano-Ponce, E., Rangel-Frausto, M. S., Sosa-Lozano, L. A., & Huerta-Jiménez, M. A. (2001). Bioterrorismo: apuntes para una agenda de lo inesperado. Salud pública de México, 43: 589-603.
• Eitzen, E. M., & Takafuji, E. T. (1997). Historical overview of biological warfare. Medical aspects of chemical and biological warfare, 3: 414-423.

Revisado por: Mónica Gómez Vadillo.

Comparativa entre la sanidad de países desarrollados y subdesarrollados. El caso del SARS-CoV-2

Actualmente existe una crisis sanitaria por el sonado caso del nuevo coronavirus procedente, al parecer, de la provincia de Wuhan, China (virus que provoca la enfermedad COVID-19). Desde que se ha detectado al primer infectado, los estudios nos revelan que la mortalidad de este virus es de entorno al 2,3%. Se prevé una inversión de 675 millones de dólares americanos entre febrero y abril de este año para combatir la epidemia (1).
Según las previsiones, los avances sanitarios y los organismos de investigación permitirán que esta enfermedad pueda ser superada en poco tiempo. Sin embargo ante esta crisis, la Organización Mundial de la Salud (OMS, o WHO, del inglés World Health Organization) declaró la alerta sanitaria.
Por supuesto, es gracias a la posición de China en el panorama político internacional por lo que la OMS ha declarado esta alerta y se prevé tal inversión económica. Hay una gran diferencia entre los protocolos sanitarios de los países desarrollados y los países subdesarrollados. Desde el primer infectado por el SARSCoV-2 los medios de comunicación han alarmado a la población. Sin embargo, las enfermedades latentes en los países subdesarrollados no suele calar en los medios. Esto se explica por el paso de lo eventual a lo crónico.
La acción humanitaria es una respuesta puntual y concreta a determinadas crisis (ya sean catástrofes naturales o conflictos armados). Esta acción humanitaria llega a cronificarse en determinados países puede. En el ámbito de la salud podemos centrar nuestra atención en una serie de casos, por ejemplo la malaria. Es una enfermedad prevenible y tratable en los países desarrollados: existía en todo el mundo, pero su incidencia ha quedado reducida a poblaciones de recursos reducidos. A pesar de que la mitad de la población mundial estaba en riesgo de padecer el paludismo, en 2017 (con 219 millones de infectados y 435.000 fallecidos), en África subsahariana se encontraba el 93% de los casos y el 94% de las muertes por esta enfermedad (2).
Otro ejemplo: en 2018 hubo 10 millones de afectados por tuberculosis (3). En los países subdesarrollados azotados por estas enfermedades la estrategia está basada en ayuda humanitaria, en vez de cooperación al desarrollo, es decir, se priman las acciones para paliar los efectos más graves en lugar de trabajar con un sentido estratégico y estructural para solucionar el problema en el futuro.
Un último ejemplo: el cólera. Investigadores estiman desde 1,3 a 4 millones de afectados al año. Supone entre 21.000 y 143.000 muertes anuales. Para poder curar la enfermedad es imprescindible disponer de acceso al agua, ya que la muerte se produce por deshdratación, que puede ocurrir en cuestión de horas si no es tratada. Además, antes de que se manifieste, desde el primer día a los diez posteriores a la infección, el patógeno se encuentra en las heces del portador, por lo que son imprescindibles buenas condiciones de higiene si se pretende evitar el contagio. Esta enfermedad surge en zonas con difícil acceso al agua y con problemas de saneamiento. Tras el terremoto de Haití, un brote de cólera azotó a la población. “El cólera sigue siendo una amenaza global para la salud pública y un indicador de inequidad y falta de desarrollo social”, indica la OMS (4).
Esto demuestra que las medidas políticas de salud pública son manifestaciones de la economía, y la economía es el vehículo principal de las acciones políticas.

¿Por qué es un caso tan mediático?

El SARS-CoV-2 es un coronavirus de la familia de los virus causantes del resfriado común y enfermedades respiratorias agudas (5). Como nuevo virus que es, es necesaria la cooperación internacional y la actuación por parte de los organismos de prevención e investigación, a fin de que no se propague y que el impacto mundial se reduzca al mínimo. Sin embargo, algunas medidas recientemente tomadas deben ser vigiladas.
La cancelación de eventos como el Mobile World Crongress supone una gran caída en la economía de telefonía móvil china. El coste de la cancelación producida en Febrero del 2020 es de en torno a quinientos millones de euros (6). Sin embargo, habitualmente empresas como Apple (americana) no aparecen por el evento, y las que generan mayor expectación y un mayor impacto son Samsung (coreana), Xiaomi y Huawei (chinas).
En este contexto, la consecuencia del brote la COVID-19 más alarmante no es la mortalidad o el riesgo de propagación, sino la xenofobia; y las alarmas globales, ¿son fruto de una pandemia, o de una guerra comercial?

Autores: Óscar Costilla Legaz, Alba Casillas Nogales.

Bibliografía

1. WHO. El plan de preparación y respuesta mundial frente al nuevo coronavirus necesita US$ 675 millones. Retrieved from https://www.who.int/es/news-room/detail/05-02-2020-us-675-million-neededfor- new-coronavirus-preparedness-and-response-global-plan
2. WHO. (2018). Paludismo. Retrieved from https://www.who.int/es/news-room/fact-sheets/detail/malaria
3. WHO. (2019b). Tuberculosis. Retrieved from https://www.who.int/es/news-room/fact-sheets/detail/tuberculosis
4. WHO. (2019a). Cólera. Retrieved from https://www.who.int/es/news-room/fact-sheets/detail/cholera
5. WHO.Preguntas y respuestas sobre la enfermedad por coronavirus (COVID-19). Retrieved from https://www.who.int/es/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/advice-for-public/q-a-coronaviruses
6. Asenjo, L. (2020, Feb 24,). El impacto económico del mobile world congress: Qué se juega barcelonacon la feria que ingresará 470 millones de euros en la ciudad. Retrieved from https://www.businessinsider.es/impacto-economico-mobile-world-congress-barcelona-377975

Autores: Óscar Costilla Legaz, Alba Casillas Nogales.