Nuevas formas de buscar lo invisible Edgar Reyna Rosas Los frutos de la curiosidad humana Desde el principio el quehacer científico se planteó resolver cualquier incógnita de manera objetiva y comprobable. Sin embargo, esta objetividad es parcial ya que la aceptación de los resultados siempre depende finalmente de la percepción sensorial humana. La observación es determinante en las formas de analizar todo aquello que es imperceptible para nosotros. Como consecuencia se han desarrollado tecnologías que permiten satisfacer la necesidad de ver lo que se investiga. En la actualidad se cuenta con tecnologías y aparatos que permiten explicar Nuevas formas de buscar lo invisible / CIENCIORAMA 1 procesos y observar de manera bastante precisa organismos que antes parecían inaccesibles. “Yo, como Santo Tomas, hasta no ver, no creer” En siglos pasados el vínculo entre el método y la observación al que estaba sujeto un investigador, limitaban mucho más los resultados que se podían obtener. Y como consecuencia, se condicionaban también más los resultados a la corroboración de una hipótesis o un modelo. Para poder sustentar un resultado que pudiera ser ambiguo a la vista, se tuvieron que inventar nuevas metodologías que resolvieran dichos obstáculos. Muchas de las incógnitas que resolvían los investigadores eran sobre fenómenos que no podían observarse; por ejemplo, los efectos que producen los microorganismos en el medio ambiente. Estos entes que existen en condiciones ambientales muy distintas a las de los humanos, eran muy difíciles de estudiar y visualizar. Para ello se implementaron diversos enfoques metodológicos que permitieron investigarlos y observarlos. Nuevas formas de buscar lo invisible / CIENCIORAMA 2 Ejemplo de uno de los microscopios construido por Leeuwenhoek. Un ejemplo de las primeras metodologías empleadas para la visualización de los microorganismos fue el diseño por Anton van Leeuwenhoek de un microscopio que permitió el acercamiento a aquellas cosas que difícilmente se distinguían. Sin embargo, las capacidades del microscopio para observar lo invisible eran muy limitadas, dejó fuera a la mayoría de los microorganismos de cierto interés. A la par de este avance tecnológico, muchos más investigadores se interesaron en el estudio de los microorganismos con el fin de acercarse a aquello que aún era muy difícil de analizar. Algunas de estas metodologías no tenían el objetivo de ver tal cual a los microorganismos, sino más bien observarlos de manera indirecta para determinar de qué ser se trataba. Nuevas formas de buscar lo invisible / CIENCIORAMA 3 Las primeras formas de estudiar lo invisible Una de las metodologías usadas desde entonces son los medios de cultivo. Ésta se utilizó para estudiar aquellos microorganismos que eran observables debido a que en conjunto tomaban formas de agregados; por ejemplo el moho que se forma en los alimentos viejos. Esta metodología se basa en la administración de diversos componentes (aminoácidos, azúcares, CO , pH, etc.) en un medio líquido o sólido para replicar las 2 condiciones ambientales naturales donde crecen los microorganismos. Con este avance se logró caracterizar y describir muchos microorganismos que sirvieron para crear toda una base de datos acerca de los principales seres microscópicos que existen en el planeta y sus formas de vida. A pesar de que la metodología antes descrita es muy eficiente, existían otros microbios que no se podían estudiar con ella, debido a que sus condiciones de vida lo impedían; fue necesaria entonces la búsqueda de nuevas tácticas que permitieran explorar este nuevo campo de estudio. De esta manera se diseñaron tecnologías que permitieron avanzar casi exponencialmente no sólo en el descubrimiento de nuevos organismos, sino también en la forma de hacer ciencia y dirigirla a aspectos que entonces eran inimaginables. Nuevas formas de buscar lo invisible / CIENCIORAMA 4 Ejemplo de distintas bacterias creciendo en un medio de cultivo sólido. Del PCR a la manipulación del ADN en masa Una de las tecnologías más socorridas en los laboratorios de todo el mundo es la PCR que significa reacción en cadena de la polimerasa por sus siglas en inglés. Fue inventada por el científico estadunidense Kary Banks Mullis en 1986, y con ella ganó el premio Nobel de Química, en 1993. Este invento revolucionó la forma de estudiar el ADN. El principal objetivo de esta metodología es obtener muchas copias de ADN a partir de una sola molécula, pero ¿qué tiene esto de maravilloso y por qué sirvió para identificar microorganismos? Producir muchas copias iguales de ADN a partir de una sola, permite identificar más fácilmente a un organismo, ya que la obtención de las copias de ADN sólo es posible poniendo secuencias de algo debemos encontrar que (como nosotros predecimos los genes que ribosomales). obligatoriamente Una vez que se obtienen copias de estos genes, se analiza su secuencia, ya que las pequeñas diferencias entre estos genes son las que permiten ir determinando de qué organismo se trata. Nuevas formas de buscar lo invisible / CIENCIORAMA 5 Durante una identificación por PCR se colocan en un termociclador (aparato en el cual se realiza la PCR) los componentes necesarios para hacer muchas moléculas de ADN, como si hiciéramos una sopa, por ejemplo, nucleótidos, polimerasas (proteínas celulares que se encargan de formar las cadenas de ADN), cebadores (que son pequeñas secuencias de nucleótidos construidas artificialmente y que se usan como molde para iniciar las copias de ADN) y elementos iónicos como Mg y Mn que sirven para el funcionamiento óptimo de las polimerasas. Con estos componentes se hacen varios ciclos de desnaturalización (separar las cadenas del ADN) y síntesis de nuevas copias (hacer nuevas cadenas a partir de las que fueron separadas). Esto da como resultado una cantidad enorme de copias de ADN para posteriormente llevar a cabo la identificación. La PCR permitió lidiar con los microorganismos que eran difíciles de identificar con las metodologías antes mencionadas. Abrió las puertas a una gran variedad de enfoques científicos. La PCR se usa en el estudio de enfermedades prehistóricos; humanas, en en medicina la identificación forense y de animales criminalística se usa u objetos para la identificación de personas y en el área de la alimentación para la identificación de patógenos en diversos alimentos y cosechas. En todas estas áreas se utiliza la PCR de la misma manera que para el caso de los microorganismos, donde el ADN obtenido se compara con otros que dan pistas que revelan la identidad de organismos que se estudian. Técnica FISH: luces que nos revelan de quién se trata Esta técnica, al igual que la PCR, se apoya en la manipulación genética para secuenciar y determinar el genoma que se está investigando. La Nuevas formas de buscar lo invisible / CIENCIORAMA 6 metodología se basa en la construcción de sondas de ADN (secuencias de nucleótidos construidas artificialmente) que corresponden a una secuencia característica de un gen o cromosoma ya conocido, para después unirlos al cromosoma o gen correspondiente del microorganismo a estudiar. Estas uniones permiten caracterizar el genoma desconocido e identificarlo de acuerdo a sus funciones o características. Lo más llamativo de esta metodología es observar al microscopio las señales fluorescentes emitidas cuando se unen las sondas. Este fenómeno sucede debido a que la fluorescencia sólo se activa cuando la sonda se une a su contraparte exacta, un gen o un cromosoma, lo cual facilita la identificación (fig.2). Imagen de núcleos donde se observa la fluorescencia de sondas unidas determinados genes. Esta metodología, se utiliza también en el área médica y biológica para reconocer ciertas secuencias de ADN humano características de ciertas enfermedades. Nuevas formas de buscar lo invisible / CIENCIORAMA 7 Metagenómica. No importa que vayan en bola, todos son identificados Esta metodología considera un aspecto que las otras no, pues los microorganismos en su ambiente no se desarrollan de manera aislada sino coexistiendo con otros. Al estudiarlos con las metodologías anteriores sólo se obtiene una parte de lo que realmente existe ahí. La principal cualidad de esta metodología es que sirve para estudiar los genomas totales presentes en una determinada muestra ambiental (una muestra de suelo, de agua, de materia fecal, etc.) sin importar las condiciones de vida particulares de cada uno de los organismos a los que pertenecen. Con esta técnica se extrae primero todo el ADN presente en la muestra ambiental; una vez aislado, se pone en un secuenciador que se encarga de leer las cadenas de ADN. Para hacer esto, se rompe primero en segmentos cortos que permiten leer de manera más rápida cada ADN presente, y posteriormente se describe cada uno. Una vez obtenido los distintos ADN se pueden comparar con bases de datos para definir de qué tipo de organismo se trata, y si no hay una forma de vida con la que se pueda comparar, se describe como nueva especie. Esta técnica ha servido para la secuenciación completa del genoma de distintos organismos, un ejemplo es el Proyecto del Genoma Humano, el cual tardó muchos años en completarse debido a la complejidad que implicaba secuenciar millones y millones de nucleótidos. Microscopía electrónica de barrido, mayor aproximación a la realidad Finalmente, es preciso mencionar una última técnica, no por ser la más utilizada, ni porque es la que arroja información más esclarecedora, sino por ser un resultado de muchos años de investigación que hizo posible Nuevas formas de buscar lo invisible / CIENCIORAMA 8 observar en forma directa cómo es la forma de los organismos microscópicos y apreciar lo hermosoa que pueden ser. El microscopio de barrido es uno de los instrumentos con los que se logra mayor definición en la observación de las estructuras invisibles a los ojos humanos. La imagen que se obtiene es exactamente igual a como es el microorganismo, no hay que imaginar ni predecir nada. Se basa en la utilización de la fuerza atómica para hacer pasar un haz de electrones por las muestras cubiertas con una capa fina de carbón u otro elemento conductor de electrones. El paso de los electrones por la superficie de la muestra provoca una dispersión que es captada y procesada por un detector que da la forma exacta de la muestra. Estas imágenes han servido para confirmar las formas y texturas de los microorganismos e ir complementando de manera íntegra la información que se obtiene por otras metodologías. Imagen de la bacteria Escherichiacoli tomada por microscopía de barrido. Nuevas formas de buscar lo invisible / CIENCIORAMA 9 Las metodologías mencionadas en este texto no son las únicas que se utilizan en la actualidad. Muchas de ellas tienen variantes y mejorías. Sin embargo, todas reflejan la necesidad humana de corroborar un fenómeno a partir de observar algo con los propios ojos. Además, esta evolución metodológica no hubiera sucedido si no se hubieran tenido tantas precauciones para aprobar un resultado y por lo tanto tal vez no se hubiera podido conocer todo lo que actualmente sabemos acerca de la vida y los microorganismos. Tal vez toda esta reflexión acerca de la necesidad de ver algo para decir que es real, demuestra que la ciencia no es del todo objetiva; sin embargo ha servido para abordar lo que nos intriga y tener tantas formas de hacerlo permite no confiar en lo que uno ve a simple vista. Bibliografía 1. Harwood C. y Buckley M. 2007.The Uncharted Microbial World:microbes and their activities in the environment. American Academy of Microbiology. 2. Kirk J.L. et. al. 2004. Methods of studying soil microbial diversity. J Microbiol Methods 58: 169-188. Nuevas formas de buscar lo invisible / CIENCIORAMA 10