LECTURAS DE VERANO: GENGIS KAN Y EL CROMOSOMA Y

 

Estatua ecuestre de Gengis Kan en Erdene, Mongolia. Foto.

Se dice que el cromosoma Y de Gengis Kan está repartido por todo el mundo, pero esa leyenda se remonta a una investigación cuyos resultados eran limitados. Ese estudio descubrió que una gran cantidad de hombres portaban un cromosoma Y que parecía provenir de Asia Central hace 1000 años, lo que llevó a la especulación de que era del promiscuo y fértil señor de la guerra.

Gengis Kan es más una leyenda que un hombre. Ni siquiera estamos seguros de cuándo nació: los historiadores coinciden en que fue en algún momento de la década entre 1155 y 1167. Como el de tantos otros personajes legendarios (Buda, Cristo, Mahoma, Mitra) su nacimiento fue mitificado.

Se cuenta que un rayo de luz fecundó a su madre y que el niño, al que llamaron Temüjin, nació sosteniendo entre sus manos un trozo de sangre coagulada, presagio de sus conquistas posteriores. Su muerte en 1227 está envuelta en leyendas que lo engrandecen o lo denigran. Murió fue alcanzado por un rayo; sucumbió de una herida de flecha que le provocó una infección sistémica; fue castrado por una princesa despechada…o quizás la peste bubónica lo envió al valle de Josafat

Existe otra leyenda sobre Gengis: que todos estamos emparentados con él, o que la mayoría de nosotros estamos emparentados con él, o que un porcentaje significativo de la población humana actual (el 0,5%) puede remontarse hasta él. El rumor, que este año ha resurgido como una serpiente de verano más, es uno más de los que distorsionan la verdad.

Podemos rastrear el origen del rumor hasta un artículo científico publicado a principios de la década de 2000, pero antes debemos plantearnos unas pregunta: ¿cómo lo sabemos? ¿Tenemos siquiera ADN de alguien que, como tantos otros personajes mitológicos, comenzó su vida como hombre, pero la terminó como una leyenda?

¿Un cromosoma Y común?

Asia Central es una tierra de gran diversidad. Su geografía es vasta y variada, y el ADN de sus habitantes contiene fragmentos de todo el planeta. Eurasia central (la región que abarca desde el mar Caspio hasta el oeste de China, incluidas muchas de las antiguas repúblicas soviéticas) tiene la mayor mezcla genética de todas las poblaciones de la Tierra. Quienes viven allí tienen en sus genomas contribuciones iguales de Europa, China, Oriente Medio e India, así como rastros notables de África y lo que se conoce como el Ártico (es decir, pueblos indígenas del norte de Europa, Asia y América del Norte).

A finales de los 90 Asia Central era una de las regiones menos estudiadas del mundo genéticamente hablando. De ese vacío surgió un artículo de 2003 titulado The Genetic Legacy of the Mongols, (le llamaré artículo Zerjal por el apellido de su primera firmante), que se centró en el cromosoma Y.

Este cromosoma es diminuto y tiene apenas 63 genes; en comparación, el cromosoma 1, que es el más largo del genoma humano, tiene casi 2.000. A pesar de ello, el cromosoma Y es particularmente interesante en genética porque, si tienes uno, lo has recibido de tu padre. Por lo tanto, podemos utilizarlo para explorar el linaje paterno, es decir la línea de hombres que va de ti a tu padre y a su padre y a su abuelo, y así sucesivamente (hasta donde se encuentre ADN disponible para analizar). No obstante, ese cromosoma Y no es inmutable.

Sin duda mutará, pero a lo largo del tiempo se conserva una cantidad suficiente como para que se pueda de dónde proviene en última instancia el cromosoma Y de alguien. Lo que hacen los genetistas es extraer un ADN, amplificar una serie de tramos a lo largo de cualquier cromosoma Y que se quiera analizar para luego compararlo con el cromosoma Y de su linaje. Zerjal y sus colegas hicieron exactamente eso. Usando tramos del ADN de más de 2.000 hombres asiáticos, lo compararon con poblaciones de todo el mundo. Encontraron algo extraño.

Lo primero que debemos tener en cuenta es que esos tramos amplificados de ADN que he mencionado no son aleatorios. Los científicos los analizan porque son repeticiones. Por ejemplo, uno de ellos podría ser “CAACAACAA” (las letras son las de dos de las cuatro bases, adenina y citosina, que junto a la guanina y la timina componen el ADN).

Como en el ejemplo anterior, yo podría tener tres de estos “CAA” seguidos, mientras que mi vecino podría tener once de ellos. Cuando analizas suficientes de esos tramos repetitivos (en la investigación Zerjal se detectaron 32), acabas por obtener una especie de huella digital, el haplotipo. Había un haplotipo que Zerjal y sus colegas encontraron en su muestra de hombres asiáticos que era demasiado común para tener sentido.

Este haplotipo, al que llamaron el «clúster estelar», se encontró en 16 poblaciones que vivían en una gran parte de Asia. El 8% de los hombres que analizaron tenían este cromosoma Y. Si su muestra era representativa, eso significaba que el 0,5% de todos los hombres del mundo tenían ese cromosoma Y.

Tenía que haber existido una presión selectiva para que esto sucediera, ya que el azar por sí solo lo hacía demasiado improbable. Pero debido a lo pequeño que es el cromosoma Y, la posibilidad de que uno de sus genes hubiese proporcionado una clara ventaja de supervivencia era extraordinariamente pequeña. La razón por la que esta versión del cromosoma Y era tan común debía obedecer a que algún hombre había sido extraordinariamente fecundo.

Los científicos que firmaron el estudio Zerjal estimaron que el ancestro común más reciente de todos estos hombres, el abuelo de este cromosoma Y, vivió en Asia Central hace unos 1.000 años. Y aquí es donde aparece Temüjin.

¿Quién fue Gengis Kan?

Los científicos se centraron en una posibilidad fuerte: Temüjin, más conocido como Gengis Kan, el señor de la guerra cuyas conquistas son ahora objeto de leyendas. Tuvo cinco hijas y cuatro hijos con su esposa principal, y muchos más con las esposas menores que iba incorporando gracias a sus conquistas. Digamos para abreviar que sus genes se expandieron mucho por Asia Central.

En su apogeo, el Imperio mongol, nacido de la unificación de tribus nómadas bajo el mando de Gengis Kan, era tan grande que, en cuanto a superficie, sólo rivaliza históricamente con los imperios británico y español. A pesar de su importancia, ignoramos más de los que sabemos con certeza sobre el propio Gengis Kan. No tenemos ninguna descripción ni imagen de él ni de quienes que vivieron con él. ¿Y qué decir de sus restos? Todavía permanecen ocultos.

Se creía que los cadáveres de los reyes conservaban su poder divino, por lo que los enterraban en secreto en lugares inaccesibles, a menudo en zonas montañosas, que creían que estaban más cerca del cielo. La tumba de Gengis Kan nunca se ha encontrado y no porque no se haya buscado.

Hace una década, más de 10.000 voluntarios pasaron un total de tres años y medio revisando imágenes de satélite buscando cualquier rastro que pudiera revelar el sepulcro del Kan. National Geographic organizó una expedición para explorar 55 sitios de interés después de esa búsqueda virtual. Los restos de Temüjin no aparecieron.

En 2004, se descubrieron cinco tumbas en Tavan Tolgoi, en el este de Mongolia. Los objetos que contenían, así como la calidad de las maderas utilizadas para los féretros, apuntaban claramente a una familia imperial mongola, en concreto a la de Gengis Kan. Los científicos analizaron los esqueletos en busca de ADN, pero el cromosoma Y que encontraron en los hombres sepultados no era el del “clúster estelar”.

Otro grupo de investigadores investigó un clan en China del que se afirmaba que era descendiente de Toghan, el sexto hijo de Gengis Kan. Su cromosoma Y es diferente del descrito en el artículo Zerjal y en la excavación de Tavan Tolgoi.

Para complicar aún más las cosas, un equipo chino revisó el artículo de Zerjal hace unos años. El problema con un estudio en el que se estudia el ADN de una población es que no se puede analizar a todo el mundo. Hay que elegir una muestra y confiar en que sea representativa. El equipo chino amplió la muestra. Mientras que Zerjal había analizado a 2.123 hombres, el nuevo estudio incluyó a más de 18.000 individuos de una región más amplia de Asia Central.

Al obtener una imagen más precisa, vieron que el haplotipo “Zerjal” no tenía 1.000 años de antigüedad, sino casi el triple: unos 2.600 años, es decir, más que el propio Gengis Kan. Probablemente pertenecía al antepasado de todos los pueblos de habla mongólica. Concluyeron su artículo diciendo que ninguna de las personas que portaban este cromosoma Y puede rastrear su genealogía hasta Gengis Kan y quienes se autoproclaman sus descendientes directos carecen de fundamento.

De modo que este cromosoma Y común, que dio origen a la afirmación de que el 0,5% de todos los hombres de la Tierra descienden del gran Kan, es más viejo que el propio Kan. Al tener más de 2.000 años de antigüedad, tuvo tiempo de sobra para propagarse entre las numerosas tribus de Asia central y para dispersarse aún más cuando la región se convirtió en el corazón de la Ruta de la Seda, que unía Europa con Asia y facilitaba una gran mezcla genética.

Puede que no seamos descendientes directos de Gengis Kan, pero todos llevamos en nuestras células la ruta migratoria que siguieron nuestros antepasados al salir de África. En cuanto a Temüjin, su rostro, sus huesos y su propio ADN siguen ocultos.

LECTURAS DE VERANO: ¿POR QUÉ NO PODEMOS RESPIRAR BAJO EL AGUA?

 

A raíz de mi reciente artículo sobre elbuceo en apnea, algunos lectores se preguntan y me preguntan por qué los humanos no podemos respirar bajo el agua. Naturalmente, sería interesantísimo poder volar, pero carecemos de los órganos apropiados para mantenernos suspendidos en el aire. También sería maravilloso poder sumergirnos y bucear como el que no quiere la cosa para disfrutar de los increíbles tesoros del mundo submarino, pero tampoco estamos dotados para ello.

Cuestión de branquias

Los mamíferos no podemos respirar bajo el aguasin apoyos artificiales. La respuesta rápida sería que esto sucede sencillamente porque tenemos pulmones. O, dicho de otro modo, porque carecemos de las estructuras anatómicas necesarias para extraer oxígeno de manera eficiente del agua.

Esas estructuras son las branquias, que están presentes, por ejemplo, en los peces. Los peces obtienen el oxígeno que necesitan del agua a través de las branquias, unas estructuras membranosas soportadas a su vez por estructuras cartilaginosas u óseas. Las superficies branquiales son muy amplias y los gases respiratorios se intercambian entre la sangre y el agua a medida que ésta fluye sobre ellas.

Branquias en la cabeza seccioanada de un atún.

En el caso de los peces cartilaginosos (como los tiburones, las rayas o las mantas), el proceso se realiza a través de las llamadas hendiduras branquiales. El resto, los conocidos como peces óseos (los boquerones, las sardinas, las truchas o los salmones, por ejemplo), expulsan el agua por los opérculos laterales, unas estructuras a modo de lengüeta que tapan y protegen las branquias y que, normalmente, marca el límite trasero de la cabeza.

Los peces óseos como el bacalao tienen cuatro pares de branquias, cada una soportada por un arco branquial. El opérculo, que cubre las branquias, está implicado en la ventilación de estas. Los peces cartilaginosos que, como el tiburón carecen de opérculo, tienen cinco o seis pares de branquias. El agua entra gracias al movimiento a través de la boca y el espiráculo y sale a través de las branquias.

Tanto si son peces óseos como cartilaginosos, el agua siempre atraviesa los arcos branquiales, unas estructuras sobre las que se disponen unas laminillas con capacidad para extraer eficazmente el oxígeno disuelto en el agua. El recorrido del agua es unidireccional: entra por la boca cargada de oxígeno y sale por los laterales del cuerpo arrastrando consigo el dióxido de carbono.

Los peces tienen un sistema circulatorio cerrado, en el que la sangre está contenida enteramente en vasos. La sangre es bombeada desde el corazón hasta las branquias (superficie de intercambio gaseoso), después al cuerpo y de vuelta al corazón, de modo que fluye solo una vez a través del corazón en cada circulación a lo largo del cuerpo. La sangre pierde presión al pasar a través de las branquias y, al salir de ellas, fluye a baja presión alrededor del cuerpo antes de regresar al corazón.

Como puede verse en la siguiente figura, las branquias de los peces presentan un elevado número de pliegues que se mantienen separados unos de otros por el agua. Esto supone una gran superficie de intercambio gaseoso. La superficie externa de la branquia está en contacto con el agua, mientras que en el interior la sangre fluye por vasos. El intercambio gaseoso tiene lugar por difusión entre el agua y la sangre a través de la membrana branquial y los capilares. El opérculo (cubierta de las branquias) permite la salida del agua y funciona como una bomba, obligando al agua a atravesar los filamentos de las branquias. Las branquias de los peces son muy eficientes y logran extraer el 80% del oxígeno del agua, tres veces más de lo que pueden hacerlo los pulmones humanos.

Esquema del sistema circulatorio de los peces. Fuente: Shutterstock

Por qué nuestros pulmones son inútiles bajo el agua

El funcionamiento de nuestro sistema respiratorio es totalmente distinto: nuestros pulmones se encuentran con dos grandes limitaciones para poder respirar bajo el agua. La primera es que son incapaces de extraer de forma eficiente el oxígeno del agua. Dado que en la estructura molecular del agua hay dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno (H₂O), podríamos pensar que ésta contiene mucho oxígeno. Es así, pero el problema es que ese oxígeno no es accesible ni para nosotros ni para los peces.

El oxígeno que necesitamos es el que se conoce como oxígeno molecular (O₂), que está presente tanto en el aire (a una concentración del 21%) como en el agua (en una proporción de en torno al 1% si lo comparamos con el mismo volumen de aire). Nuestros pulmones no pueden acceder de forma eficiente al O₂ del agua, mientras que el intrincado diseño de las láminas branquiales sí es capaz de extraer el 80% de ese oxígeno disuelto.

El segundo problema al que se enfrentan nuestros pulmones es la densidad del agua. En el supuesto de que pudiéramos obtener oxígeno suficiente directamente de ella, el recorrido es bidireccional, lo que significa que el agua debería entrar y salir por el mismo conducto (como lo hace el aire).

Nuestro sistema respiratorio no tiene potencia suficiente para movilizar todo ese líquido, por lo que los pulmones quedarían rápidamente anegados de agua pobre en oxígeno. En cambio, como el aire es muy ligero, mediante las inspiraciones y espiraciones constantes características de la respiración pulmonar podemos hacerlo circular sin problemas captando el oxígeno que necesita el sistema circulatorio y liberando el tóxico dióxido de carbono.

Intercambio de gases en los alveolos

Cuando el aire entra por las fosas nasales o por la boca, atraviesa la faringe y la laringe y es conducido por la tráquea, los bronquios y los bronquiolos hasta el interior de los pulmones. Allí llega al interior de unas estructuras huecas, a modo de sacos, conocidas como alveolos, de los que como media hay unos 300 millones por pulmón.

Las paredes de los alveolos están recubiertas por una única capa muy fina de células en estrecho contacto con los capilares sanguíneos. La concentración de oxígeno en el aire es tan elevada (21%) que atraviesa sin dificultad las membranas celulares hacia la sangre para tratar de equilibrar la presión parcial entre el aire y la sangre a uno y otro lado de las membranas.

Fuente: Shutterstock

Lo mismo sucede con el dióxido de carbono, pero en sentido inverso. Pasa desde la sangre venosa hacia el aire del interior de los alveolos para ser expulsado en la siguiente espiración. En cada ciclo respiratorio hacemos entrar y salir entre 5 y 6 litros por minuto de aire de los pulmones, renovándolo continuamente y asegurando el suministro de oxígeno que necesitamos para vivir.

Las ballenas o los delfines tampoco pueden respirar bajo el agua

Este tipo de respiración no es exclusivo de los humanos. Nuestro sistema respiratorio es muy similar al del resto de amniotas, es decir de la inmensa mayoría de los vertebrados cuyo embrión se desarrolla flotando en líquido amniótico (el amnios), es decir, de reptiles, aves y mamíferos. Ni siquiera los mamíferos marinos (como las ballenas o los delfines) pueden respirar bajo el agua, por lo que están obligados a subir con mayor o menor frecuencia a superficie para abastecerse de oxígeno. 

Los anfibios se encuentran a medio camino entre un sistema y otro. De hecho, la mayoría de los ejemplares juveniles viven en el agua respirando con branquias que perderán de adultos para dar paso a unos pulmones rudimentarios que necesitan el apoyo de la respiración cutánea.

LECTURAS DE VERANO: EL GENOMA ANIMAL MÁS GRANDE DEL MUNDO PERTENECE A UN EXTRAÑO PEZ QUE RESPIRA POR PULMONES

 

El pez pulmonado sudamericano (Lepidosiren paradoxa) posee el genoma más grande conocido del reino animal, con 91 mil millones de pares de bases de ADN. Foto de Katherine Seghers, Universidad Estatal de Luisiana.

Los científicos han secuenciado los 91.000 millones de pares de bases del genoma del pez pulmonado sudamericano, un tamaño récord que revela información valiosa sobre la evolución de los vertebrados.

En un estudio publicado la semana pasada en la revista Nature, se ha dado a conocer que el genoma del pez pulmonado sudamericano (Lepidosiren paradoxa), cuyo ADN está compuesto por una secuencia de 91 mil millones de pares de bases, posee el genoma más grande conocido del reino animal, aunque todavía muy por debajo del genoma más grande de todos los organismos, el del helecho Tmesipteris oblalanceolata.

El ADN no es más que un manual de instrucciones para fabricar un ser vivo. Una molécula de ADN —como seguramente recordará el lector de innumerables programas de televisión, si no de las clases de biología en la escuela— está constituida por dos hebras unidas por peldaños formados por pares de bases de nucleótidos que unen un lado de la escalera con el otro que forman la famosa escalera de caracol conocida como doble hélice.

Un tramo de ADN se divide en segmentos llamados cromosomas y unidades individuales más cortas llamadas genes. La suma de todos los genes forma el genoma. El tamaño de un genoma está determinado por el número de pares de bases que lo forman.

Los peces pulmonados o dipnoos son un linaje de peces óseos de aletas lobuladas. Tienen la capacidad de respirar aire atmosférico y están adaptados para vivir fuera del agua. Interesan a los investigadores porque son los parientes vivos más cercanos de las primeras criaturas de cuatro patas, que son los antepasados de todos los vertebrados. Esos primeros tetrápodos evolucionaron para abandonar el agua y vivir en la tierra durante el período Devónico, hace entre 419 y 359 millones de años. Entre los peces, los peces pulmonados son los parientes más cercanos de los humanos.

Hace tres años, los mismos investigadores descifraron el genoma del pez pulmonado australiano, el cual, con 43 mil millones de pares de bases, se consideróa en ese momento el genoma más grande de cualquier animal jamás secuenciado.

Pez pulmonado australiano (Neoceratodus forsteri) en el Acuario Tropical del Palais de la Porte Dorée, París.

El pez pulmonado sudamericano supera a su pariente australiano gracias a su genoma más del doble de grande. En contra de la intuición, el número total de pares de bases no parece estar relacionado con la complejidad de un organismo.

Los humanos tenemos alrededor de tres mil millones de pares de bases y Lepidosiren paradoxa tiene aproximadamente treinta veces más. Dieciocho de los diecinueve cromosomas del pez pulmonado sudamericano son individualmente más grandes que todo el genoma humano.

¿Por qué el genoma del pez pulmonado es tan voluminoso? Porque según los investigadores se trata principalmente de “ADN basura” que no tiene mucha utilidad. Proviene de secuencias de ADN llamadas transposones autónomos, también conocidos como “genes saltarines”, que con el paso del tiempo pueden copiarse a sí mismos y cambiar de posición en el genoma, lo que hace que este se expanda.

Estos genes también son comunes en los humanos, pero nuestra especie tiene mecanismos incorporados para controlarlos. El pez pulmonado sudamericano tiene controles mucho más débiles. Por ello, el genoma de la especie se expande más rápido que el de cualquier criatura conocida. En cada diez millones de años de su evolución, el genoma del pez pulmonado creció en un tamaño equivalente al del genoma humano entero.

A pesar de su rápido crecimiento, el ADN del pez pulmonado es estable, y en las circunstancias adecuadas los genes saltarines podrían ayudarle a adaptarse a entornos y condiciones cambiantes. Un genoma que conserva sus datos desordenados también puede impulsar la evolución de nuevos genes.

La comparación de los genomas de las especies de peces pulmonados, también revela pistas sobre la evolución de los vertebrados tetrápodos. Por ejemplo, el pez pulmonado australiano todavía tiene las aletas similares a extremidades que permitieron a sus parientes primitivos trasladarse a la tierra desde el agua.

Sin embargo, en los últimos cien millones de años las aletas de los peces pulmonados africanos y sudamericanos han menguado hasta convertirse en apéndice filiformes. Esta característica obedece a que el gen Sonic hedgehog (que lleva el nombre del personaje de un videojuego y es responsable de la formación de los dedos en las criaturas de cuatro patas) no está activo en los peces pulmonados africanos y sudamericanos.

Encontrar rasgos comunes entre las especies de peces pulmonados actuales podría dar una pista sobre qué características podrían haber compartido con el primer antepasado de los tetrápodos, porque solo estudiando la biología de los linajes de peces pulmonados sobrevivientes podemos investigar la base genómica y los mecanismos de desarrollo molecular que facilitaron la transición del agua a la tierra de los vertebrados.

LECTURAS DE VERANO: LAS PETUNIAS LUMINOSAS YA ESTÁN AQUÍ

 

Un túnel iluminado con petunias bioluminiscentes en los viveros de la empresa Light Bio en Idaho. 

Una petunia modificada emite un brillo verde continuo gracias a los genes de un hongo bioluminiscente. La planta acaba de aparecer por primera vez en el mercado de las floristerías de Estados Unidos.

En el Jardín Botánico de Denver preparaban el pasado mes de julio un parterre para recibir a los centenares de petunias bioluminiscentes “Firefly” que iluminarán las noches del jardín. Imagino que lo mismo estaban haciendo en otros jardines botánicos norteamericanos para cobijar algunas de las 50.000 plantas que la empresa de biotecnología Light Bio, con sede en Idaho, distribuyó por Estados Unidos en abril.

Imagino también que los jardines botánicos pagarán un precio más reducido que los más de 50 dólares por tiesto que cobran al común de los mortales. Por cierto, todo el stock de petunias luminosas de 2024 está ya agotado, pero en la web de la empresa ya pueden hacerse las reservas para la temporada de 2025.

A diferencia de la fluorescencia, que requiere una fuente luminosa que alimente al objeto que luego la emitirá, la bioluminiscencia de la petunia aparece sin necesidad de ningún tipo de luz en particular o alimento especial. Eso diferencia a la planta de otras criaturas brillantes que ya están en el mercado, los peces de acuario GloFish. Estos peces de acuario, disponibles en muchas especies y colores, incluidos los “tetraverde eléctrico”, emiten fluorescencia cuando se iluminan con luz ultravioleta.

El secreto de la petunia “Firefly” es que ha incorporado a su genoma genes de hongos bioluminiscentes que la hacen brillar constantemente. Como conté en estos artículos (1, 2), la bioluminiscencia es la emisión de luz por parte de los seres vivos, que se genera por una reacción química dentro del organismo. El fenómeno está muy extendido, especialmente en los océanos: hay bacterias, caracoles marinos, camarones, peces y calamares que brillan. Entre los organismos terrestres bioluminiscentes se encuentran algunos hongos, que han sido los donantes de los genes trasplantados en el laboratorio a las petunias.

A principios del siglo XXI, los científicos descubrieron los compuestos químicos precisos que intervienen en la reacción que produce la luz en un puñado de organismos bioluminiscentes, que en general son los mismos: se necesita combustible, oxígeno y un catalizador para que la reacción se ponga en marcha.

En la jerga de la investigación sobre bioluminiscencia, el combustible se llama luciferina y el catalizador, luciferasa. La enzima luciferasa ayuda a añadir oxígeno al combustible, transformándolo en un compuesto muy reactivo y de alta energía. Cuando esta luciferina sobreexcitada se relaja, emite luz.

De los hongos a las petunias

Keith Wood, director ejecutivo y cofundador de Light Bio, ha estado trabajando en plantas bioluminiscentes desde la década de 1980. En 1986, él y sus colegas publicaron que habían creado la primera planta bioluminiscente, un tipo de tabaco (Nicotiana tabacum) en el que insertaron el gen de la luciferasa de las luciérnagas (Photinus pyralis). En ese momento, el objetivo era aprender sobre los conceptos básicos de la expresión génica. La investigación condujo a lograr que cuando se active un gen particular de interés, el gen de la luciferasa también lo haga, y la planta se ilumine.

La misma planta de petunia iluminada (izquierda) y en condiciones de oscuridad (derecha).

 

Después de la publicación de Wood, varias empresas de nueva creación intentaron hacer las plantas con fines decorativos. Pero las plantas brillaban débilmente y necesitaban un alimento especial para alimentar su reacción química emisora de luz. Un descubrimiento clave en la creación de la petunia luminosa fue el descubrimiento la fuente del combustible de la luciferina en los hongos.

Está hecho de un compuesto precursor llamado ácido cafeico que es común en hongos y plantas. La secuencia para producir luz forma un ciclo que se retroalimenta: el ácido cafeico se convierte en el combustible hispidina (la luciferina de los hongos), cuya combustión acelerada por la luciferasa emite luz y el compuesto residual se convierte nuevamente en ácido cafeico, reiniciando el bucle.

La bióloga rusa Karen Sarkisyan dirigió el minucioso trabajo de clasificación de los diversos genes implicados en la reacción de emisión de luz en hongos. Una vez identificados los genes responsables en el hongo bioluminiscente Neonothopanus nambi los introdujeron en una planta de tabaco, una planta de la misma familia que las petunias.

Después de algunos ingeniosos experimentos genéticos, los científicos lograron diseñar con éxito varios tipos de plantas para que brillaran utilizando genes de hongos: Arabidopsis thaliana (arriba a la izquierda), un crisantemo (arriba en el medio), un álamo (arriba a la derecha), una petunia (centro y abajo a la izquierda), Nicotiana benthamiana (abajo en el medio) y Nicotiana tabacum (abajo a la derecha). Foto. 

Gracias a la incorporación mediante manipulación en el laboratorio de un grupo de genes del hongo bioluminiscente en el genoma de la petunia la planta comenzó a emitir luz. El hongo alimenta su reacción emisora de luz utilizando como combustible el ácido cafeico, una molécula que también producen las plantas terrestres.

Al insertar los genes del hongo en la petunia, los investigadores hicieron posible que la planta produjera enzimas que pueden convertir el ácido cafeico en la molécula emisora de luz luciferina para luego reciclarla nuevamente en ácido cafeico, lo que permite una bioluminiscencia sostenida.

El experimento funcionó: los brotes, los capullos, las flores e incluso las raíces brillaron. La conclusión evidente era que las plantas y los hongos hablan un lenguaje bioquímico similar, y como hablan ese lenguaje bioquímico similar, fue relativamente fácil traducir la ruta metabólica del hongo a la planta.

Con un poco más de manipulación genética, Sarkisyan y sus colaboradores lograron que otras plantas brillaran. En septiembre de 2023, el Departamento de Agricultura de Estados Unidos aprobó la solicitud de Light Bio para fabricar y vender petunias luminosas, tras determinar que las plantas no presentaban riesgos para la luz. Diez meses después, las vi en algunos viveros norteamericanos. 

El tomate morado obtiene su tonalidad al expresar genes de una planta de boca de dragón. Foto: Norfolk Plant Sciences

La petunia brillante llega al mercado estadounidense de la mano de otra planta de su misma familia (las solanáceas), una variedad morada del tomate Solanum lycopersicum, cuyas semillas salieron a la venta a principios de febrero en Estados Unidos, que ha pasado a ser el primer producto alimenticio genéticamente modificado que se comercializa directamente a los agricultores. Los investigadores insertaron genes de una planta de boca de dragón (Antirrhinum majus) en el tomate para conseguir su color y altos niveles de antocianinas, que son antioxidantes.

LECTURAS DE VERANO: POR QUÉ SE ENDURECEN LOS BIZCOCHOS Y SE REBLANDECEN LAS GALLETAS Y LAS PAPAS FRITAS

 

Respuesta rápida: por la humedad.

Las galletas y los bizcochos están compuestos fundamentalmente por azúcar y almidón. Las galletas están secas, por lo que absorben la humedad del aire y se vuelven blandas. Los bizcochos (y los pasteles) están húmedos, por lo que ceden humedad al aire y se endurecen.

El responsable de que los bizcochos se endurezcan es un proceso químico llamado retrogradación. Por su estructura porosa, los bizcochos retienen humedad, lo que les hace estar tiernos y esponjosos. Pero con el paso del tiempo, el agua que contienen se va evaporando. El almidón, al perder su humedad, forma cristales. En eso consiste la retrogradación… un proceso que se acelera con el frío.

Por el contrario, las galletas, en general, no tienen humedad. Pero tienen azúcar, y las moléculas de azúcar absorben agua del ambiente, en un proceso que se conoce como higroscopia. Por eso, con el paso del tiempo las galletas se van humedeciendo y, por tanto, ablandando. El pan se endurece porque, como le ocurre a los bizcochos, ya tiene casi la máxima cantidad de humedad posible en su interior, por lo que en lugar de absorber más humedad, los almidones cristalizan y se endurecen.

¿Y qué pasa con las patatas fritas que se vuelven más blandas cuando se ponen rancias mientras que otras cosas como el jamón serrano o las cecinas se vuelven más duras?

La gran diferencia también es el contenido de almidón. Las patatas fritas tienen muchos almidones, a los que les encanta unirse con la humedad. A medida que se asienta, la humedad del aire se deposita en las superficies rugosas de la fritura y los almidones la absorben. Y debido a que las papas están fritas, toda la humedad dentro de ellas ya se había eliminado, lo que significa que al reintroducirla se vuelven blandas.

Las cecinas y el jamón serrano no tienen almidón, son solo carne deshidratada. Si han sido deshidratadas correctamente y almacenadas y mantenidas en un ambiente hermético, nunca se enranciarán. Simplemente no hay nada que estropear, a menos que se introduzcan algunas bacterias que causan moho. Si no se han manipulado correctamente, la humedad restante saldrá de la carne y hará que se endurezcan.

Cuestión bien diferente es el jamón cocido tipo york, que contiene muchas féculas, que no son otra cosa que moléculas de almidón.

LECTURAS DE VERANO: BREVE HISTORIA DE DOS MARÍAS

 

Las galletas María

No faltan los estudios de mercado que dicen que las galletas más populares y consumidas son las “María”, también conocidas en otros lares como Mariebon, Ping Pong Marie o Marietta. Sea cual sea la denominación, la María es redonda y suele tener el nombre grabado en relieve en la cara superior, con bordes también grabados con un diseño intrincado. Se elabora con harina de trigo, azúcar, aceite de palma o de girasol.

Corre un rumor infundado, que ha terminado por convertirse en leyenda urbana, que asegura que estas peculiares y famosas galletas deben su nombre a que en la década de 1920 el industrial palentino Eugenio Fontaneda decidió llamarlas así en honor a su nieta pequeña. Pero nada más lejos de la realidad, las galletas María fueron inventadas y bautizadas con tal nombre medio siglo antes y no en España sino en el Reino Unido.

Fue concretamente en Londres, donde los maestros reposteros James Peek y George Hender Frean, propietarios de la firma galletera Peek, Frean & Co decidieron crear una nueva galleta, diferente a las pastas tradicionales que producían para servirlas junto al no menos tradicional té de las cinco.

La firma de galleteros ingleses era un gigante comercial de la época. A partir de 1861, comenzaron a exportar galletas a Australia, pero casi superan su capacidad de producción a partir de 1870 cuando aceptaron un pedido del ejército francés de 460 toneladas de galletas para los paquetes de raciones suministrados a los soldados que luchaban en la guerra franco-prusiana. 

Cuando terminaron las hostilidades, el gobierno francés ordenó otras 16.000 toneladas (unos 11 millones de galletas dulces "Pearl") para celebrar el final del Sitio de París, y más suministros de harina para París en 1871 y 1872, con financiación de los banqueros Rothschild. Las consiguientes demandas consumidoras de los soldados franceses expatriados que emigraron, permitieron a la empresa comenzar a exportar directamente a Canadá y la Conchinchina desde mediados de la década de 1870.

Para promocionar su nueva creación, decidieron presentar la María como una dulce aportación a la boda Real que se celebraría el 23 de enero de 1874 entre el príncipe Alfred, duque de Edimburgo, (cuarto hijo de la reina Victoria y Alberto de Sajonia) y María Alexandrovna (hija del zar Alejandro II de Rusia y María de Hesse-Darmstadt).

El enlace tuvo lugar en el palacio de Invierno de San Petersburgo y se convirtió en el acto social más importante del recién estrenado año en toda Europa. Por este motivo y con no poca astucia, Peek y Frean decidieron homenajear a la nueva integrante de la Familia Real Británica con ese presente al que bautizaron en su honor con el nombre de ‘Marie biscuit’.

Los ciudadanos británicos, tan mitómanos con todo lo relacionado con la familia Real, adoptaron esas galletas como sus favoritas, convirtiéndolas en poco tiempo en un producto sumamente conocido en todo el planeta. La firma le cogió el tranquillo a las bodas reales, porque años más tarde los pasteles de boda tanto para la princesa Isabel y Felipe de Edimburgo como para Carlos, Príncipe de Gales, y Diana Spencer.

Se hizo popular en toda Europa, particularmente en Portugal y España donde, finalizada la Guerra Civil, la María se convirtió en un símbolo de la recuperación económica después de que las panaderías produjeran cantidades masivas para consumir un excedente de trigo.

El baño María

Con mermelada, las galletas María entran mucho mejor. Qué sería de la mermelada casera, del flan o de la fruta en almíbar si no existiera el baño María.

Esa técnica, una de las más antiguas empleadas actualmente tanto en operaciones de laboratorio químicos y farmacéuticos, como en tareas domésticas, que garantiza una temperatura constante introduciendo un recipiente en otro mayor que contiene agua en ebullición, se utiliza cuando se quiere calentar una materia de forma indirecta y uniforme. Sirve, por ejemplo, para destilar sustancias volátiles o aromáticas y para evaporar extractos.

El baño María original era realmente un baño de arena y cenizas que calentaba otro recipiente con agua que a su vez calentaba al siguiente. El baño de arena tenía como objeto conservar mejor el calor que debía transmitir, ya que su temperatura podía ser superior a la del agua que hervía. Posteriormente a este aparato se le quita la arena quedándose sólo con el recipiente con agua, la cual deberá hervir para que sus vapores sean capaces de calentar el otro recipiente que está dentro.

A pesar de su vigencia, su historia viene de muy atrás, en concreto de la Alejandría grecorromana, en torno al siglo III. En aquella ciudad egipcia, pero con influencias griegas y romanas, nació la alquimia, el conjunto de técnicas y procedimientos que sentó las bases de la química moderna. Entre las grandes expertas de la época estaba una mujer, que ha pasado a la historia como María de Alejandría, María la Judía o Miriam la Profetisa.

En realidad, no han quedado muchos vestigios de su trabajo, porque se cree que sus obras se quemaron con el incendio de la Biblioteca de Alejandría. Pero su repercusión fue tal que aparece mencionada en libros de autores posteriores. Gracias a ellos sabemos que María inventó lo que hoy conocemos como baño María, que utilizaba para destilar sustancias aromáticas y para evaporar extractos.

Esta mujer, una de las primeras científicas e inventoras de la historia, creó también aparatos que se han seguido usando con el paso de los siglos. Entre ellos están el tribikos, un alambique de tres brazos para destilar, y el kerotakis, un aparato que la industria perfumera usaba para extraer esencias de las plantas.

LECTURAS DE VERANO: DESCIFRANDO EL ENIGMA DE LOS HONGOS LUMINOSOS

La bioluminiscencia es la emisión de luz por parte de los seres vivos. Se genera por una reacción química dentro del organismo (a diferencia de la fosforescencia que tienen algunos artefactos como mi reloj que brillan en la oscuridad, pero que necesitan cargarse con luz antes de emitirla). La bioluminiscencia está muy extendida, especialmente en los océanos: hay bacterias, caracoles marinos, camarones, peces y calamares que brillan. Entre los organismos terrestres que brillan se encuentran algunos insectos, gusanos (el espectáculo de los gusanos luminosos de Waitomo fotografiados por Luis Monje es realmente mágico), y hongos.

Bóveda de la gruta de Waitomo, Nueva Zelanda, iluminada por gusanos. Foto de Luis Monje.

La cadena de montaje bioluminiscente

Los principios básicos que intervienen en la reacción que produce la luz en un puñado de organismos bioluminiscentes son en general los mismos: se necesita combustible, oxígeno y un catalizador (una enzima) para que se ponga en marcha.

El combustible es una molécula, la luciferina, y el catalizador otra, la luciferasa. La enzima luciferasa ayuda a añadir oxígeno al combustible, transformándolo en un compuesto muy reactivo y de alta energía. Cuando esta luciferina sobreexcitada se relaja, emite luz.

Esta capacidad de producir luz ha sido documentada en cientos de géneros a lo largo del árbol de la vida. Los científicos creen que evolucionó de forma independiente en varios linajes, tal vez más de 94 veces diferentes en 16 phyla distintos.

Los organismos utilizan la bioluminiscencia de diversas formas. En el caso de las luciérnagas, es una señal de atracción que atrae a sus parejas. Algunos peces la utilizan para atraer a sus presas. Otros animales, como el calamar vampiro, que puede expulsar una nube de moco brillante, la utilizan para distraer o confundir a los depredadores.

En muchos linajes, la emisión de luz puede haber surgido como una estrategia de desintoxicación antioxidante. Cuando el oxígeno está en estado reactivo, puede dañar las biomoléculas en el interior de las células. Esto sugiere que, en primer lugar, muchas luciferinas fueron antioxidantes: su función principal era eliminar el oxígeno dañino que se había generado durante el metabolismo.

Las luciérnagas son quizás los organismos bioluminiscentes más conocidos, pero la capacidad de emitir luz se ha documentado en cientos de géneros a lo largo del árbol de la vida y ha evolucionado varias veces en múltiples linajes. Foto de National Geographic.

En busca del resplandor de los hongos

Los hongos bioluminiscentes han llamado la atención desde hace mucho tiempo. En el siglo IV antes de nuestra era, Aristóteles observó que los hongos podían ser “ardientes y brillantes” en la oscuridad. Unos siglos más tarde, Plinio el Viejo, en su enciclopédica Historia natural, cita la “luz brillante” emitida por un hongo que crece en los árboles. Pero hasta hace poco, nadie sabía exactamente qué utilizaban los hongos como combustible y catalizador, o incluso si todos los hongos luminosos se iluminaban de la misma manera.

La búsqueda de moléculas de combustible y catalizador culminó en 2017 después de más de un siglo de investigación en el que unos pocos científicos habían intentado desentrañar los misterios de la bioluminiscencia. Los secretos comenzaron a desvelarse a principios del siglo XVIII cuando René Réaumur observó que el polvo seco y molido de organismos bioluminiscentes brillaba al ponerles en contacto con agua.

En la década de 1880, el fisiólogo francés Raphaël Dubois estaba investigando con el escarabajo Pyrophorus noctilocus, uno de los insectos bioluminiscentes más brillantes. Dubois molió las partes brillantes del escarabajo en agua fría. Brillaron y luego se apagaron. Luego hizo lo mismo en agua hirviendo: no brillaron. Pero cuando vertió la molienda caliente en la fría, la mezcla brilló.

Dubois (que más tarde acuñaría los términos luciferina y luciferasa) se dio cuenta de que la reacción requería un catalizador y combustible. Solo el agua fría contenía el catalizador funcional: la ebullición lo destruía. Pero tanto los extractos calientes como los fríos contenían el combustible, que sobrevivió a la ebullición. Agregar el extracto caliente al extracto frío proporcionó combustible fresco al extracto con catalizador funcional, y por eso se generó luz.

Décadas más tarde, los científicos llevarían a cabo este experimento de calor/frío con hongos bioluminiscentes, pero sin conseguir desvelar la identidad del combustible y del catalizador. Material de partida no faltaba: existen unas 130 especies de hongos bioluminiscentes.

Los hongos pasan la mayor parte de su vida en forma de redes de filamentos similares a hilos llamados micelios, que en los hongos bioluminiscentes emiten luz, aunque a menudo está oculta en la madera en descomposición en la que crecen muchos de ellos. En las especies que producen setas, estas también pueden brillar.

La bioluminiscencia en hongos fue un secreto que comenzó a desvelarse a comienzos de este siglo en la Universidad de Sao Paulo gracias al químico Cassius Stevani, empeñado en investigar cómo los hongos generaban su brillo. Stevani, junto con su estudiante de posgrado Anderson Oliveira, habían refinado el experimento de calor/frío de Dubois, agregando varias sustancias químicas celulares para acelerar la reacción.

Después de perfeccionar el protocolo, Stevani quería realizar el experimento de calor/frío utilizando diferentes especies de hongos, una especie para el frío y otra especie para el calor. Estos experimentos entre especies mostraron que los diferentes hongos usaban el mismo catalizador y combustible, lo que sugiere que la bioluminiscencia había evolucionado solo una vez en el linaje de los hongos, un hallazgo que publicaron en 2012 junto con el micólogo Dennis Desjardin, de la Universidad de California en San Diego.

Era un hallazgo muy importante, porque era como decir que si tienes un hongo en Rusia o en Asia puedes usarlo para estudiar el mecanismo, porque es el mismo en todos los hongos. Al otro lado del estrecho de Bering, el bioquímico Ilia Yampolsky, ahora director de Academia Rusa de Ciencias en Moscú, también estaba muy interesado en la luz emitida por los hongos.

En 2015 Stevani le escribió a Yampolsky, sugiriendo que colaboraran. Pero los rusos se habían adelantado: habían encontrado el combustible, aunque su descubrimiento aún no se había publicado. En el caso de los hongos, la luciferina, el combustible fúngico, resultó estar hecho de un antioxidante llamado hispidina, que se encuentra no solo en los hongos, sino también en muchas plantas.

En un ejemplo de libro de cómo la ciencia no conoce fronteras ni conflictos políticos, estadounidenses, rusos y brasileños determinaron los detalles de la cadena bioquímica que conduce a la reacción que emite luz y publicaron los resultados juntos en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias en 2018. 

Este hongo que crece en un tronco durante el día es el mismo que emite luz verde en la oscuridad. El hongo bioluminiscente Neonothopanus gardneri es originario del estado de Piauí, en el noreste de Brasil, donde los hongos crecen en la base de las palmeras babasú. Aproximadamente 130 especies de hongos son bioluminiscentes. Foto de Cassius Stevani.

De los hongos a las flores

Un descubrimiento clave fue encontrar la fuente del combustible en los hongos. Está hecho de un compuesto precursor llamado ácido cafeico, común en hongos y plantas. La cadena de montaje de los hongos para producir luz forma un bucle secuenciado: el ácido cafeico se convierte en hispidina, la hispidina se convierte en el combustible, el combustible emite luz y el compuesto restante se convierte nuevamente en ácido cafeico, reiniciando el bucle.

Stevani se dio cuenta de que, si las plantas también producían ese compuesto precursor, prácticamente cualquier planta podría ser manipulada genéticamente para brillar. Eso estaban haciendo precisamente los rusos. La genetista rusa Karen Sarkisyan estaba dirigiendo el minucioso trabajo de clasificación de los diversos genes implicados en la reacción de emisión de luz.

Una vez encontrados, introdujo esos genes (procedentes del hongo bioluminiscente Neonothopanus nambi) en una planta de tabaco. Funcionó: los brotes, los capullos, las flores e incluso las raíces brillaron. Estaba claro: las plantas y los hongos hablaban un lenguaje bioquímico similar. Y como hablan un lenguaje bioquímico similar, era relativamente fácil traducir la ruta metabólica del hongo en cualquier la planta.

Así fue como han aparecido en el mercado las primeras petunias bioluminiscentes. Peroesa es otra historia que cuento aquí.