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Sallie W. Chisholm y el secreto mejor guardado

[Imagen de Portada: S.W. Chisholm. Fuente: MIT News]

Sallie W. Chisholm con Mr. Obama en la entrega de la Medalla Nacional de Ciencia. Fuente: CBS News.

Lo prometido es deuda: aquí tienen la segunda entrada dedicada a una científica para su publicación en Oceánicas.

Me atrevo a decir que cualquiera que estudie el plancton, en especial desde el punto de vista de la ecología y la oceanografía, conoce muy bien su nombre y su trabajo.

Y si no es así no se preocupen, que desde hoy no pasa un día más sin que arreglemos este asunto.  

El 1 de febrero de 2013 el presidente de EEUU, Barack Obama, entregaba el galardón científico más importante del país, la Medalla Nacional de Ciencia (en Ciencias Biológicas), a Sallie W. Chisholm.

Ella misma confesó que fue el momento más álgido de su carrera. Pero la lista de premios y reconocimientos a su trabajo es larga y la pueden consultar en la web de su laboratorio: «The Chisholm Lab». Entre ellos yo destacaría el premio Ramón Margalef de Ecología (2013).

El galardón es muy original ya que representa a una microalga: Picarola margalefii (Cros & Estrada, 2004), un cocolitóforo descrito en el Mediterráneo.

El premio Ramón Margalef (Joyería Capdevila) y Picarola margalefii. Fuente: web.gencat.cat

El premio Margalef solo ha recalado en 2 mujeres a lo largo de las 13 ediciones celebradas hasta la fecha. Pero esta desproporción entre sexos no es exclusiva de dicho premio.

La propia Medalla Nacional de Ciencia de los EEUU, en la modalidad de Ciencias Biológicas, ha sido otorgada 144 veces. Si no me fallan los cálculos a 118 hombres y 26 mujeres (1963-2014).

Los premios son para quien los merece, por supuesto que sí. Pero esas 26 mujeres representan un ∼18% de galardonadas. La ciencia es un reflejo de la sociedad y de lo que consiguen hombres y mujeres con su esfuerzo. Cualquiera de nosotros sabe que no aportamos el ∼82% de los avances científicos así que en algo nos estamos equivocando. Hay que corregir este desequilibrio a todos los niveles y no solo en los premios que al fin y al cabo son consecuencia última de todo lo demás.

A sus 71 años Sallie (Penny) Chisholm continúa trabajando como profesora en el M.I.T. en Cambridge (Massachusetts). Sus contribuciones científicas pueden resumirse bajo la siguiente palabra: Prochlorococcus.

Prochlorococcus (MIT9215). Fuente: The Chisholm Lab.

Este organismo, una minúscula cianobacteria aislada en el mar de los Sargazos en 1988 (Chisholm y col. 1988), descrita formalmente en 1992 como Prochlorococcus marinus (Chisholm y col.), revolucionó completamente nuestra idea de las comunidades planctónicas marinas.

El propio Ramón Margalef dijo tras su descubrimiento: Això és realment el que ens faltava perquè tot quedi lligat [Esto es realmente lo que nos faltaba para que todo quede ligado; trad. de la glosa de Dolors Plana en la entrega del premio Margalef a Chisholm].

Nadie lo había encontrado porque no disponíamos de las herramientas adecuadas. Prochlorococcus estaba delante de nuestras narices, pero nadie lo alcanzó a ver hasta que a Chisholm se le ocurrió aplicar la citometría de flujo (una técnica utilizada en medicina), al estudio de muestras naturales de fitoplancton.

En 1980 Chisholm ya usaba citometría de flujo para estudiar los cultivos en su laboratorio, pero años después quiso ir más allá y estudiar muestras naturales en un buque oceanográfico.

Penny Chisholm hablando en TED (abril 2018, Vancouver, BC, Canada). No se la pierdan, es una charla maravillosa, más de 1 millón de visitas desde su publicación. Autor: Bret Hartman / TED. Fuente: TED Blogs.

Pero había un problema: los equipos de citometría no estaban diseñados para esa aplicación. Así que fue un joven investigador de su grupo, Robert Olson, quien modificó el instrumento. Lo que sucedió después forma parte de la historia de la oceanografía. De ello hablamos en «El Rey del Desierto».

El descubrimiento de Prochlorococcus hizo que Chisholm reorganizase su laboratorio para dedicarse en exclusiva a su estudio.

Sus trabajos han sido fundamentales para descubrir que Prochlorococcus marinus es el organismo fotosintético más abundante del planeta, su papel crucial en el ecosistema marino y la vida en general de nuestro planeta.

Posee una distribución global, alcanzando 100.000-400.000 células/mL en las zonas oligotróficas de los océanos, aunque disminuye bruscamente por encima de 40-45º de latitud. La propia Sallie Chisholm comenta en su charla TED «The tiny creature that secretly powers the planet«, que el peso estimado de las poblaciones de Prochlorococcus supera al de la humanidad. Su éxito reside en la existencia de diferentes ecotipos adaptados para explotar las condiciones de luz y nutrientes de toda la capa de agua iluminada del océano, desde la superficie hasta 150-200 metros de profundidad.

Esquema de la distribución vertical de ecotipos de Prochlorococcus de baja y alta luz (LL y HL), así como de sus relaciones filogenéticas. Fuente: Braakman y col. (2017)

Los ecotipos de profundidad son los más primitivos evolutivamente y a partir de ellos surgieron adaptaciones que permitieron a Prochlorococcus extender sus dominios hasta la superficie del mar.

Las nuevas herramientas moleculares y la posibilidad de secuenciar y analizar genomas completos han permitido en los últimos años enriquecer esta interpretación identificando una inmensa reserva genética compartida por el conjunto de Prochlorococcus (80.000 genes) muy superior al número de genes presentes en cada célula (2.000).

Para terminar, comentaré la idea central de uno de los trabajos más recientes de Chisholm junto a sus colegas Braakman y Follows (Braakman y col. 2017). Es una idea bella y simple: la coevolución entre Prochlorococcus y bacterias heterotrófas del grupo SAR11 (Pelagibacterales como Pelagibacter ubique).

Pelagibacterales (SAR11). Fuente: MicrobeWiki.

Ambos estarían involucrados en una relación mutualista.

A lo largo de la evolución Prochlorococcus ha ido aumentando su actividad metabólica y la excreción de carbono al medio. Y de ello se han aprovechado las bacterias SAR11 (los organismos más abundantes del plancton marino), que a su vez reciclan nutrientes y aportarían funciones beneficiosas para Prochlorococcus.

Se trataría de un ejemplo de la hipótesis de La Reina Negra (Morris y col. 2012) según la cual ciertas poblaciones de un ecosistema ahorran nutrientes esenciales perdiendo funciones que comparten con otros organismos. La estrategia es viable siempre y cuando no desaparezcan esos organismos.

Para entenderlo mejor, según Braakman, Follows y Chisholm, Prochlorococcus y SAR11 funcionarían como los cloroplastos y las mitocondrias de las células vegetales. Pero sin un organismo que los reúna sino viviendo libres en la inmensidad del océano.

Nota: esta entrada fue publicada hoy mismo, 13 de noviembre, en la web Oceánicas.

Referencias:

-Braakman y col. Metabolic evolution and the self-organization of ecosystems. PNAS E3091-3100 (2017).
-Chisholm SW y col. A novel free-living prochlorophyte abundant in the oceanic euphotic zone. Nature 334:340–343 (1988).
-Chisholm SW y col. Prochlorococcus marinus nov. gen. nov. sp.: an oxyphototrophic marine prokaryote containing divinyl chlorophyll a and b. Arch. Microbiol. 157:297–300 (1992).
-Cros L & Estrada M. Picarola margalefii, gen. et sp. nov., a new planktonic coccolithophore from NW Mediterranean waters . Scientia Marina 68 (supplement 1): 243-248 (2004).
-Morris JJ y col. The black queen hypothesis: Evolution of dependencies through adaptive gene loss. MBio. 3(2):e00036–e00012 (2012).
Páginas web:
http://web.gencat.cat/es/generalitat/premis/premi-ramon-margalef/galeria-de-premiats/2013.-sallie-w.-chisholm/

 

La mujer del sillón i

Javier Cansado y el presentador Angel Martín (de espaldas)
en Orbita Laika. Fuente: RTVE

Uno de los invitados en la primera temporada de Orbita Laika fue el cómico Javier Cansado.
Y durante la emisión comentaron esta frase suya:
«en este país si no sabes quién es Saramago eres un mierda, pero si no sabes quién es Cavendish, no pasa nada». Pues en mi caso también, porque el único Cavendish que conocía era ciclista.

Y luego pensé, no hace falta remontarse a Henry Cavendish, podríamos preguntar por alguien como Margarita Salas y la frase de Cansado sería igual de provocadora.

Margarita Salas Falgueras. Fuente: SEBBM

No creo que sea un problema de reconocimiento a los científicos, sino que las científicas tienen una visibilidad radicalmente inferior a la de sus colegas masculinos: un síntoma más de la distinta vara de medir méritos y capacidades según el sexo

Y para eliminar estas diferencias la educación es muy importante. Pongo un ejemplo. Dando charlas en colegios hicimos varias veces la siguiente prueba. Me ponía la bata de laboratorio y preguntaba a los niños cuál era mi profesión: la mayoría me identificaba con un científico. En cambio, si la pregunta la planteaba una mujer contestaban enfermera, veterinaria, médico…de todo menos investigadora.

Porque salvo excepciones como Marie Curie, Dian Fossey ó quizás Rosalind Franklin, ¿quién es el guapo/guapa que recuerda los nombres de 3 ó 4 científicas, así, a bote pronto…?
Pues añadiremos otra científica a nuestra lista mental.

Margarita Salas es bioquímica y seguramente la investigadora española más relevante de la historia. A sus 76 años sigue publicando trabajos científicos como profesora Ad Honorem en el Centro de Biología Molecular «Severo Ochoa» del CSIC (Universidad Autónoma de Madrid). Y con la entrada de hoy me gustaría que quien lea esto pueda recordar alguno de los hallazgos científicos que debemos a la Dra. Salas, cuyos trabajos de ciencia básica han sido luego muy aplicados.

Y destaco lo de ciencia básica porque parece la hermana pobre de la CIENCIA «de verdad»: la aplicada !!
Y tú qué haces? y eso para qué sirve? son preguntas legítimas (y repetitivas) para alguien que trabaja en un laboratorio. Y es que la ciencia básica no conlleva necesariamente una aplicación práctica evidente (sobre todo la mala), pero hay que comunicar a la sociedad la idea de que sin la primera no existiría de ningún modo la segunda.

Drosophila melanogaster, la mosca de la fruta.
Fuente: Imgkid

Un ejemplo que ilustra a la perfección la ignorancia sobre la ciencia básica lo protagonizó Sarah Palin. Siendo gobernadora de Alaska en 2008 manifestó su intención de potenciar la investigación del autismo, burlándose de proyectos que no aportan nada a la sociedad como estudiar las moscas de la fruta !!!!

Sarah Palin despreciaba así a un bicho feo, sin duda, pero también al modelo más investigado en genética, clave para el conocimiento actual sobre la biología del desarrollo en humanos, enfermedades y trastornos con base genética (como el propio autismo que tanto le preocupaba).

El vídeo no tiene desperdicio…incluyendo los chascarrillos de la presentadora !!

 

Volvamos a la Dra. Salas. En su etapa postdoctoral, en los años 60′, se trasladó a Nueva York para trabajar en el laboratorio de Severo Ochoa junto a su marido, el también investigador, Eladio Viñuela. Y su tema de trabajo fue averiguar la dirección de lectura del código genético.

Severo Ochoa (Nobel en Fisiología ó Medicina, 1959)
y Margarita Salas. Fuente: ThinkBig

La información que contiene el ADN se transcribe a una cadena de ARN, que viaja desde el núcleo a los ribosomas donde se traduce su mensaje (por eso se llama ARN mensajero), para sintetizar las proteínas. Los ribosomas son responsables de esta función esencial que hace la diferencia entre unas especies y otras.
Por ejemplo, los chimpancés son la especie más cercana a nosotros y con ellos compartimos el 98-99% del código genético. Pero somos fáciles de distinguir porque entre otras cosas el 80% de nuestras proteínas son diferentes.

De ahí el empleo de los genes ribosomales como marcadores genéticos universales; a nivel de organismos unicelulares como nuestras queridas microalgas, distinguir especies similares a partir de sus diferencias morfológicas no resulta tan evidente, querido Watson.

Esquema de la traducción del mensaje genético
en los ribosomas. Éstos se desplazan en la dirección 5′ -> 3′,
leyendo el ARNm de izda. a dcha. en la ilustración
para sintetizar proteínas. Fuente: Galleryhip.com

Bueno, pues Margarita Salas descubrió la dirección de lectura del código genético en los ribosomas.

Conocer cómo se lee y fluye el código genético en las células fue un paso imprescindible para investigaciones posteriores sobre la síntesis de proteínas, a las que también contribuyeron desde sus inicios la Dra. Salas y el laboratorio de Severo Ochoa. Y así, paso a paso se ha desarrollado la biología molecular hasta llegar a las terapias génicas en las que todos confiamos que revolucionarán (ya lo hacen), la medicina.

Una vez de regreso a España, continuó su investigación centrándose en el bacteriófago phi29, al que ha dedicado más de 40 años.
La propia Dra. Salas resumió su trabajo en un artículo de 2012 titulado My life with bacteriophage Ø29. A partir de los años 70′ Eladio Viñuela cambió su línea de trabajo hacia el virus de la peste porcina y Margarita Salas quedó al frente de la investigación del phi29. Ella misma comentó lo siguiente: «This would allow me to show to my colleagues whether I was able to develop research on my own. At that time, the scientific work of women was very little appreciated. I worked hard, I had very good students, and Eladio helped me continuously. I became a scientist in my own right».

Los bacteriófagos son virus que infectan bacterias y las utilizan para sintetizar sus propias proteínas y replicar su material genético. En el caso del phi29, gracias al laboratorio de Salas, se pudo conocer en profundidad el mecanismo que controla la replicación de su ADN. Durante estos estudios del grupo de Salas con el phi29 se secuenció por primera vez ADN en España !!

Replicación del bacteriófago Ø29. Fuente: Purdue News

Y resultó además que la enzima polimerasa encargada de la replicación del ADN en el phi29 tenía unas propiedades muy interesantes en biotecnología, para amplificar grandes cantidades de ADN mediante técnicas como la amplificación por desplazamiento múltiple («Multiple Displacement Amplification», MDA).

Esta técnica permite una rápida amplificación del ADN a partir de muy poco material de inicio, a temperatura constante (30ºC).
Se trata de una amplificación independiente de la PCR, el método que se aplica en rutina para amplificar fragmentos de ADN (como los genes ribosomales de los que hablábamos antes), que necesita de un termociclador y ciclos de tiempo programados a distintas temperaturas (típicamente entre 50º y 95ºC).

En un procedimiento desarrollado por la empresa Amersham Biosciences (hoy absorbida por GE Healthcare Life Sciences) la enzima polimerasa phi29 patentada por el CSIC gracias al trabajo del grupo de Margarita Salas es una formidable inversión que ha aportado casi 4 millones de euros, cerca del 50% de los ingresos por derechos de dicha institución !!

Prochlorococcus marinus MIT9312.
Autor: N. Watson and L. Thompson (2007).
Fuente: Joint Genome Institute

La técnica de MDA empleando la polimerasa phi29 es tan sensible y fiel que permite secuenciar genomas completos a partir de una sola célula.

Con MDA se ha secuenciado entre otros el genoma completo de la cianobacteria marina Prochlorococcus (MIT9312; Zhang y col. 2006).
Y aquí se usa el término plonación en vez de clonación para aclarar que no se trata de unir secuencias de ADN a partir de muchas células, sino de la clonación de una célula mediante polimerasa («ploning» en inglés).

La MDA con polimerasa phi29 tiene múltiples aplicaciones, como la secuenciación de ADN humano en estudios genéticos (incluyendo diagnosis prenatal previa a la implantación de embriones) ó en análisis forenses para amplificar restos genéticos en la escena de un crimen.

 

En el acto de ingreso en la RAE pronunció
el discurso «Genética y lenguaje». Fuente: RAE

Margarita Salas fue la primera española en ingresar en la Academia de Ciencias de los EEUU en 2007.
Y la única hasta el momento.

Y destacaré para terminar que la Dra. Salas es la primera científica en formar parte de la Real Academia Española, en la que ocupa el sillón «i» desde 2003.

Aunque debería ocupar el sillón «I«, de Investigación con mayúsculas.

Referencias:

-Glazko y col. Eighty percent of proteins are different between humans and chimpanzees. Gene 346:215-219 (2005).
-Salas M. My life with bacteriophage Ø29. J. Biol. Chem. 287:44568-44579 (2012).
-Zhang K. y col. Sequencing genomes from single cells by polimerase cloning. Nature Biotechnology 24:680-686 (2006).
-Página web: Think Big

El rey del desierto…

Dos galaxias alineadas, descubiertas por el telescopio Hubble en 2006 cuando
estudiaba otra galaxia más cercana. Disponible en http://www.nasa.gov/home/

Igual que los nuevos telescopios permiten llegar a galaxias y planetas más lejanos, en el océano los avances tecnológicos también nos revelan nuevas formas de vida. Hoy hablaremos de un alga descubierta en 1988, la especie más pequeña y abundante en el mar…con todos ustedes la cianobacteria Prochlorococcus marinus.

Células tipo II (Prochlorococcus)
Imagen en Johnson & Sieburth (1979).

Era tan enana que se confundía con las bacterias, aunque ya teníamos alguna pista sobre ella. Como su imagen de 1979 por microscopía electrónica. En ella se veía un alga completamente distinta a las cianobacterias típicas (del género Synechococcus). No se sabía qué diantre de «bicho» era, y sus descubridores las llamaron «células tipo II».

Poco después, a comienzos de los 80′, en el océano Atlántico subtropical, se detectó una señal desconocida estudiando pigmentos fotosintéticos. Era una nueva forma de clorofila que absorbía la luz de modo diferente a la clorofila a (la más abundante y universal en vegetales).
No lo podían saber tampoco, pero esa clorofila procedía de las mismas células.

Prochlorococcus (MIT9215).
Imagen disponible en http://proportal.mit.edu/
Prochlorococcus portal», del laboratorio de Sallie W. Chisholm)

Y todas las piezas del puzzle encajaron gracias a la citometría de flujo, una técnica «importada» de la medicina, que permite contar células individuales, estudiar su tamaño y tipo de fluorescencia.
La citometría detectó una señal intensa que provenía de células diminutas, con una fluorescencia roja muy débil. Y había muchísimas, cientos de miles por mililitro…

La importancia del descubrimiento mereció su publicación en la revista Nature. Luego, en 1992, se publicó la descripción «formal» de la nueva especie, Prochlorococcus marinus, por fin cultivada en el laboratorio (Chisholm y col.).

Antes de Prochlorococcus se pensaba que las zonas lejanas de los océanos, pobres en nutrientes, eran auténticos «desiertos biológicos». Con él aprendimos que en el desierto también había vida, simplemente nos faltaban los medios para verla.

Prochlorococcus marinus. Imagen disponible también en
el website «Prochlorococcus portal».

El «reino» de Prochlorococcus se extiende entre 40ºN y 40ºS, desde la superficie hasta el límite de la luz, a 200 metros de profundidad.

El éxito de Prochlorococcus es su diversidad fisiológica, que se conoce como «tipos ecológicos» ó ecotipos. Para entendernos mejor, igual que hay plantas de exterior e interior según su tolerancia a la luz…pues lo mismo pasa con Prochlorococcus. Los ecotipos de luz alta se reparten en superficie y los de luz baja dominan en aguas más profundas…y gracias a sus clorofilas modificadas están mejor adaptados para absorber la débil luz en el fondo del mar.

Prochlorococcus es el rey cuando hay pocos nutrientes, en aguas profundas con mínimos de oxígeno…pero el frío lo lleva peor y sus poblaciones disminuyen mucho a partir de las latitudes subtropicales.

Y de acuerdo con su tamaño, su información genética también está reducida al mínimo!!! por poner un ejemplo, el genoma humano es unas 2.000 veces mayor que el de Prochlorococcus.

En la última década, se ha observado un leve aumento de las zonas pobres en nutrientes en los giros oceánicos, algo así como el avance de los desiertos sobre la tierra….

Si se confirma esta tendencia asociada con el cambio climático, el «rey» Prochlorococcus podría extender aún más sus dominios en el futuro…

Referencias:

-Chisholm SW, Frankel SL, Goericke R, Olson RJ, Palenik B, Waterbury JB, West-Johnsrud L & Zettler ER. Prochlorococcus marinus nov. gen. nov. sp.: an oxyphototrophic marine prokaryote containing divinyl chlorophyll a and b. Archives of Microbiology. 157: 297–300 (1992).
-Gieskes, W. W. C., and G. W. Kraay. Unknown chlorophyll a derivatives in the North Sea and the tropical Atlantic Ocean revealed by HPLC analysis. Limnol. Oceanogr. 757–766 (1983).
-Johnson PW, Sieburth JM. Chroococcoid cyanobacteria in the sea: a ubiquitous and diverse phototrophic biomass». Limnology and Oceanography 928-935 (1979).
-Parténsky F, Garckzarek L. Prochlorococcus: advantages and limits of minimalism. Ann. Rev. Sci. Mar 305-331 (2010).