El grup de Vanessa M. Hayes situa l’origen dels humans anatòmicament moderns a la zona humida de Makgadikgadi-Okavango fa 200.000 anys

Genètica humana: Les dades genètiques i paleontològiques assenyalen que l’home anatòmicament modern (de vegades descrit com a Homo sapiens sapiens) té el seu origen a Àfrica fa uns 200.000 anys. Però aquestes dades genètiques i paleontològiques divergeixen pel que fa a concretar la regió d’origen. Així, per exemple, les dades paleontològiques assenyalen un origen a l’Àfrica Oriental. Les dades genètiques, en canvi, indiquen que la major diversitat genètica entre les poblacions humanes actuals es troba a l’Àfrica Austral. La professora Vanessa M. Hayes, cap de genòmica humana comparada del Garvan Institute of Medical Research, ha dissenyat un estudi especialment adreçat al llinatge mitocondrial humà L0. En un article a la revista Nature es presenten dades de 1217 genomes mitocondrials (198 d’ells nous) de persones de l’Àfrica Austral. Aquestes dades indiquen l’aïllament geogràfic de poblacions koisànides al sud del riu Zambezi que pertanyen als llinatges mitocondrials L0d1’2, L0k i L0g. A partir d’això, poden reconstruir l’origen del llinatge L0 en la zona humida que hi havia a Makgadikgadi-Okavango (avui residual) fa uns 200.000 anys (amb un interval de confiança del 95% de 165.000-240.000 anys). A partir d’aquest origen, el llinatge mitocondrial L0 hauria persistit en aquesta regió durant 70.000 anys. Fa uns 110-130 mil anys, aquesta població hauria protagonitzat una dispersió en direccions nord-est i sud-oest. Aquestes migracions haurien estat facilitades per un clima més humit, que obrí a aquesta població humana corredors verds, primer cap al NE i ja després cap al SO.

El riu Okavango

Els orígens de la humanitat anatòmicament moderna

Aquest estudi fou dissenyat per Hayes, membre de la Genomics and Epigenetics Division del Garvan Institute of Medical Research, a Sydney. Hayes també és membre de la St Vincent’s Clinical School i del Central Clinical School de la University of New South Wales, de Sydney, de la School of Health Systems and Public Health de la University of Pretoria, de la Faculty of Health Sciences de la University of Limpopo.

L’obtenció i manteniment dels permisos per a l’estudi anà a càrrec de M. S. Riana Bornman (University of Pretoria), Hagen E. A. Förtsch (Windhoek Central Hospital) i de la mateixa Hayes. El recrutament de voluntaris, l’obtenció del consentiment, el mostreig i el processament el feren Bornman, Desiree C. Petersen (The Centre for Proteomic and Genomic Research, de Cape Town) i Hayes. La reconstrucció dels mitogenomes anà a càrrec de Ruth J. Lyons, Anton M. F. Kalsbeek i Petersen. Les anàlisis bioinformàtiques i filogenètiques les realitzà Eva K. F. Chan. La interpretació geogràfica fou obra de Andy E. Moore (del Department of Geology de la Rhodes University, de Grahamstown). Les anàlisis climatològiques les feren Sun-Seon Lee i Axel Timmermann (del Centre de Física Climàtica de Busan), amb assistència sobre la climatologia local de Hannes Rautenbach (del South African Weather Service).

La redacció de l’article la feren Hayes, Chan i Timmermann. L’article fou tramès a Nature el 30 d’octubre del 2018. Després d’un llarg període de revisió, fou acceptat el 24 de setembre del 2019, i publicat el 28 d’octubre.

Els autors expressen especial agraïment als voluntaris, persones dels diferents grups KhoeSan que viuen al sud del riu Zambezi.

Chan et al. situen l’origen de la humanitat actual, d’acord amb les dades, en la zona humida de Makgadikgadi-Okavango, fa uns 165-240 mil anys. Makgadikgadi és un topònim de llengua San que expressa l’extrema aridesa de l’indret. Però durant bona part dels darrers dos milions d’anys, Makgadikgadi fou un llac que cobria, segons les èpoques, de 80.000 a 275.000 km2, i assolia fondàries de fins a 30 metres. El llac s’extingí fa uns 10 mil anys.

El llinatge L0 reflecteix un període de 70.000 anys, durant els quals aquesta població humana visqué a Makgadikgadi-Okavango. L’expansió durant aquest període devia ser frenada per l’aridesa de les regions veïnes.

Fa uns 110-130 mil anys, l’Àfrica Austral experimentà unes condicions climàtiques més humides, de manera que s’establiren corredors verds més enllà de la zona de Makgadikgadi-Okavango. El primer d’aquests corredors verds anava en direcció nord-est, però després encara aparegué un altre en direcció sud-oest. Això facilità una expansió de grups humans més enllà de la zona de Makgadikgadi-Okavango.

Posteriorment, el clima tornà més eixut. Això es reflecteix en el llinatge L0k, que veié limitada la seva població efectiva. En la zona sud-oest, hi hagué en l’escala geològica diverses oscil·lacions climàtiques de major o menor pluviositat: el llinatge L0d1’2 experimentà un augment de la població probablement facilitat també per l’aprofitament dels recursos marins per les poblacions litorals (tal com indiquen les dades arqueològiques).

Chan et al., en aquest article, proposen doncs un origen dels humans moderns a l’Àfrica Austral, i assenyalen com els canvis climàtics regionals foren les forces motrius de les primeres migracions.

Fa 200.000 anys, hi havia, és clar, altres grups humans a altres indrets d’Àfrica, i també a Euràsia. Però haurien estat els grups de Makgadikgadi-Okavango els qui eventualment donarien lloc a totes les poblacions humanes actualment existents.

Lligams:

Human origins in a southern African palaeo-wetland and first migrations. Eva K. F. Chan, Axel Timmermann, Benedetta F. Baldi, Andy E. Moore, Ruth J. Lyons, Sun-Seon Lee, Anton M. F. Kalsbeek, Desiree C. Petersen, Hannes Rautenbach, Hagen E. A. Förtsch, M. S. Riana Bornman & Vanessa M. Hayes. Nature (2019)

Publicat dins de 5. La Intel·ligència | Deixa un comentari

Edició gènica amb funció de cerca i substitució: una tècnica del laboratori de David R. Liu

Enginyeria genètica: El mètode d’edició gènica pel sistema CRISPR, amb un ARN guia i una endonucleasa, ha rebut un considerable interès després d’haver estat aplicat, per exemple, en el controvertit assaig clínic ChiCTR1800019378. Més enllà de les qüestions bioètiques sobre la modificació de línies germinals humanes, hi havia la preocupació vinculada al fet que aquesta tècnica no oferiria una correcció prou eficient i que generaria un excés de subproductes de conseqüències poc previsibles. Refinar aquestes tècniques d’edició gènica és un dels objectius del laboratori del professor David R. Liu. En un article publicat ahir per la revista Nature, el grup de Liu descriu “l’edició fina” (primer editin) com “un mètode d’edició genòmica versàtil i precís que escriu directament informació genètica nova a un lloc especificat d’ADN”.

Esquema bàsic dels components d’un sistema d’edició gènica

Una retrotranscriptasa fusionada amb un Cas9 blocat catalíticament, programada amb un ARN guia d’edició fina

David R. Liu és professor del Merkin Institute of Transformative Technologies in Healthcare, que fa part del Broad Institute of Harvard and MIT, amb seu a Cambridge (MA). També és professor del Department of Chemistry and Chemical Biology de la Harvard University, així com investigador del Howard Hughes Medical Institute, centre adscrit a Harvard. Comparteixen aquesta afiliació els seus col·laboradors en aquest estudi: Andrew V. Anzalone, Peyton B. Randolph, Jessie R. David, Alexander A. Sousa, Luke W. Koblan, Jonathan M. Levy, Peter J. Chen, Christopher Wilson, Gregory A. Newby i Aditya Raguram.

El 26 d’agost, aquests autors trameteren a Nature un article on descrivien el seu mètode de reparació genètica dirigida. L’article fou acceptat per a publicació el 10 d’octubre, i ahir se’n publicava la versió acceptada, que serà encara objecte d’una revisió final.

Anzalone et al. anomenen el seu mètode d’edició genètica com a “prime”, assenyalant-ne la versatilitat i, particularment, la precisió. El mètode té la capacitat d’escriure directament informació genètica nova en un punt especificat de la seqüència d’ADN. Per fer-ho, empra la combinació d’una transcriptasa inversa fusionada amb una endonucleasa Cas9 catalíticament defectiva, i un ARN guia. Anzalone et al. es refereixen a aquest ARN guia com a “pegRNA” (primer editing guide RNA). El pegRNA compleix dues funcions: d’una banda la seva seqüència és complementària a la localització diana de l’ADN, i de l’altra la seqüència difereix en aquelles posicions que hom vol precisament introduir en l’ADN diana.

Més de 175 edicions en cèl·lules humanes

En el seu article Anzalone et al. informen de les edicions que han fet mitjançant aquest mètode en cultius de cèl·lules humanes. En total han fet més de 175 edicions diferents, que inclouen insercions, delecions i mutacions puntuals. Entre les mutacions puntuals han assajat les 12 combinacions possibles dels quatre tipus de nucleòtids que integren l’ADN (A, C, G, T). Ni en les substitucions puntuals ni en les insercions/delecions han necessitat la introducció de trencaments de la doble cadena o l’ús de motllos d’ADN de donadors. Aquests factors són alguns dels “subproductes” que poden comportar modificacions no desitjades en les tècniques d’edició CRISPR-Cas9.

Entre les edicions genètiques que han practicat Anzalone et al. destaquen:
– una transversió (T->A) en el gen HBB (el gen de la beta-globina, una de les subunitat de l’hemoglobina) que reverteix la mutació causant de l’anèmia falciforme.
– una deleció en el gen HEXA (el gen de l’hexosaminadasa A), que corregeix una mutació que causa la malaltia de Tay-Sachs.
– una transversió en el gen PRNP, que redueix el risc de desenvolupar encefalopaties espongiformes.

Destaquen que aquestes “reparacions genètiques” es fan amb aquest mètode amb una alta eficiència i amb un nombre relativament baix de subproductes. Igualment, Anzalone et al. han assajat la inserció de marques i epítops en diferents llocs específics del genoma.

Val a dir, però, que l’eficiència del mètode no és uniforme en les quatre línies cel·lulars humans que han assajat. Ara bé, és aplicable en totes quatre, així com en cultius primaris de neurones corticals post-mitòtiques de ratolí.

Anzalone et al. calculen que aquesta tècnica seria aplicable a la correcció de vora el 89% de les variants genètiques humanes patogèniques. No totes les alteracions congènites del metabolisme es poden beneficiar de la teràpia gènica, però en alguns casos com en algunes distròfies de retina ja existeixen teràpies gèniques aprovades. La tècnica d’Anzalone et al. s’ha assajat ara com ara en cultius cel·lulars, i ja en aquest sentit tindrà segurament en els propers anys aplicacions en el camp de la teràpia cel·lular.

Lligams:

Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Andrew V. Anzalone, Peyton B. Randolph, Jessie R. Davis, Alexander A. Sousa, Luke W. Koblan, Jonathan M. Levy, Peter J. Chen, Christopher Wilson, Gregory A. Newby, Aditya Raguram, David R. Liu. Nature (2019)

Publicat dins de 6. La Civilització | Deixa un comentari

Lluitar contra la pobresa global amb evidències experimentals (Banerjee, Duflo, Kremer; Premi Nobel d’Economia 2019)

Economia: Avui s’ha anunciat la concessió del Premi Riksbank de Ciències Econòmiques en memòria d’Alfred Nobel a Abhijit Banerjee, Esther Duflo i Michael Kremer “per la perspectiva experimental per alleugerir la pobresa global“. El Premi Nobel d’Economia fou concedit per primera vegada fa 50 anys com un reconeixement a la rellevància de les ciències econòmiques.

Abhijit Banerjee

অভিজিৎ বিনায়ক বন্দ্যোপাধ্যায় (*Mumbai, 21.2.1961) és fill d’un matrimoni d’economistes. La seva mare, Nirmala Banerjee, fou professora d’economia al Centre for Studies in Social Sciences, Calcutta (CSSSC). El seu pare, Dipak Banerjee, fou professor del Departament d’Economia del Presidency College, també a Kolkata. Abhijit Binayak estudià la secundària a la South Point School, de Koltata, i els estudis superiors els va fer al Presidency College. Es graduà en economia a la Universitat de Kolkata (1981), i feu un mestratge a la Jawaharlal Nehru University, de Delhi. El 1988 defensà reeixidament la tesi doctoral (“Essays in Information Economics”, supervisada per Eric Maskin) a la Harvard University. Després d’ocupar diverses posicions docents a Harvard i Princeton, obtingué la càtedra internacional d’economia de la Fundació Ford al Massachusetts Intitute of Technology (MIT).

Abhijit Banerjee es casà amb Arudhati Tuli Banerjee, professora de literatura del MIT, amb qui tingué un fill.

Fou el director de tesi d’Esther Duflo (1999). Amb ella, Michael Kremer, John A. List i Sendhil Mullainathan promogué els estudis de camp com a metodologia en l’establiment de relacions causals en l’economia. El 2003, amb Duflo i Mullainathan, establiren el “Poverty Action Lab”. Amb Duflo tingueren un infant en el 2012, i s’hi casaren el 2015.

Esther Duflo

Esther Duflo (*Paris, 25.10.1972) filla del matrimoni format per la pediatra Violaine Duflo i el professor de matemàtiques Michel Duflo (*1943). Estudià al Lycée Henri-IV, i ingressà a l’École normale supérieure (ENA) amb la intenció d’estudiar història. Més orientada després a l’administració i a la política realitzà una estada a Moscou el 1993, durant la qual combinava la docència de francès amb una tesi dedicada a la interacció entre la propaganda i els grans projectes que marcaren la industrialització de la Unió Soviètica. L’estada a Moscou la conduí més aviat cap a l’economia, i es graduà en història i economia a l’ENA el 1994. Realitzà un mestratge d’economia el 1995 a DELTA i a l’EHESS. Passà al MIT a fer la tesi doctoral, sota la supervisió d’Abhijit Banerjee i Joshua Angrist, dedicada a les dades de camp d’un programa d’expansió d’escoles d’Indonèsia durant els anys 1970. El 1999 defensà reeixidament la tesi. Fou després professora ajudant d’economia al MIT, i realitzà una estada Princeton (2001-2). El 2002 esdevingué professora associada del MIT i més endavant ocupà la càtedra Abdul Latif Jameel d’Alleugeriment de la Pobresa i d’Economia del Desenvolupament del MIT.

Michael Kremer

Michael Kremer (*12.11.1964) es graduà en estudis socials a la Harvard University (1985). Es doctorà en economia a Harvard (1992), i realitzà una estada post-doctoral al MIT (1992-1993). El 1993 fou professor ajudant a la University of Chicago, i després ocupà una posició al MIT (1993-1999). El 1999 passà a Harvard, on actualment ocupa la càtedra Gates de societats en desenvolupament. Destacà per la seva recerca sobre els mecanismes econòmics de la transició demogràfica. Amb la teoria de l’anell-O de desenvolupament econòmic (1993) aportà una funció de la producció de processos, que ajudava a explicar els processos que mantenen països en la pobresa a través del predomini de petites empreses i el desaprofitament de les destreses dels treballadors.

Desenvolupament i lluita contra la pobresa

A mitjan dels anys 1990, el grup de recerca Kremer emprengué diversos assajos controlats i randomitzats sobre programes d’ensenyament a Kenya. La combinació de l’estudi de camp amb aquests criteris de rigor que sovint associem a la recerca clínica cercava l’obtenció d’evidències aplicables a programes més generals de cooperació al desenvolupament. Kremer (2003) revisà aquestes avaluacions de programes de promoció de l’escolarització.

Els grups de Banerjee i Duflo, i de Kremer, estengueren aquesta metodologia dels programes d’ensenyament als programes de salut, els programes de crèdits i els programes agrícoles. Aquests estudis microeconòmics oferien dades que es podien traslladar a la microeconomia. Banerjee i Duflo constataren que els països pobres mostren una considerable heterogeneïtat en les taxes de rendiment dels diferents factors de producció (Banerjee & Duflo, 2005). La base d’aquesta heterogeneïtat es troba en part per una heterogeneïtat del nivell tecnològic, amb la coexistència d’empreses més avançades i d’altres de més endarrerides. En els països rics, en canvi, el nivell tecnològic i la productivitat de les diferents empreses és més homogeni. Banerejee i Duflo atribuïren l’heterogeneïtat tecnològica a imperfeccions del mercat i a errors dels governs. Banerjee & Duflo (2007) treballaren sobre enquestes realitzades entre llars extremadament pobres de Mèxic, Guatemala, Nicaragua, Panamà, Perú, Costa d’Ivori, Sud-àfrica, Tanzània, Pakistan, Índia, Indonèsia, Timor Est, Papua-Nova Guinea. En el 2011, Banerjee & Duflo publicaven un volum sobre l’Economia de la Pobresa reivindiquen programes de millora de la salut, l’ensenyament i la renda dels més pobres que es fonamentin en dades experimentals.

Banerjee, Duflo i Mullainathan fundaren el J-PAL amb la missió de reduir la pobresa a través de polítiques informades per l’evidència científica. Aquest “laboratori d’acció de la pobresa” combina la recerca, amb la divulgació i la docència.

Lligams:

Comunicat de premsa.

Publicat dins de 6. La Civilització | Deixa un comentari

Les bateries de liti (John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino; Premi Nobel de Química, 2019)

Electroquímica: S’ha comunicat la concessió del Premi Nobel de Química d’enguany a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham i Akira Yoshino “pel desenvolupament de bateries d’ió liti

Esquema bàsic d’una bateria recarregable

John B. Goodenough

John B. Goodenough (*Jena, 25.7.1922) nasqué del matrimoni d’Erwin Ramsdell Goodenough (1893-1965) i de Helen Merriam. El seu pare treballava en aquella època en la seva tesi doctoral sobre teologia a la Harvard Divinity School, esdevenint després professor d’història de religió a Yale. Com el seu germà gran Ward, John estudià al Groton School, però mentre Ward s’orientà cap a l’antropologia, ell ho féu cap a la matemàtica, graduant-s’hi a Yale el 1944. Serví després en el servei meteorològic del US Army fins a l’acabament de la guerra mundial. De retorn, va començar la tesi doctoral a la University of Chicago, sota la supervisió de Clarence Zener (1905-1993), i la defensà amb èxit el 1952.

Després del doctorat, treballà al Lincoln Laboratory del MIT en un equip dedicat al desenvolupament de dispositius magnètics de memòria d’accés aleatori (memòria RAM). En el curs d’aquest treballs descrigué les lleis que governen l’ordenament orbital cooperatiu en òxids.

En els anys 1970 esdevingué cap del Inorganic Chemistry Laboratory de la University of Oxford. Identificà el LixCoO2 com el material òptim per als càtodes de bateries recarregables.

En el 1986 esdevingué professor a la University of Texas at Austin. Fins els nostres dies, a 97 anys, combina la docència i la recerca en el camp de la tecnologia de bateries.

M. Stanley Whittingham

Michael Stanley Whittingham (*Lincolnshire, 1941) es formà a la Stamford School (1951-1960). Ingressà al New College d’Oxford per estudiar-hi química, graduant-s’hi el 1964, i obtenint-hi el mestratge (1967) i el doctorat (1968). Fou investigador postdoctoral a la Stanford University fins el 1972, passant després a treballar per l’Exxon Research & Engineering Company. El 1984 passà a la companyia Schlumberger, on treballà durant quatre anys. Des del 1989 és professor de la Binghamton University, a l’estat de Nova York.

Akira Yoshino

吉野 彰 (Suita, 30.1.1948) es va formar a la Universitat de Kioto, on s’hi graduà en enginyeria (1970). Després de fer-hi el mestratge a Kioto (1972), passà a la Universitat d’Osaka on aconseguí el doctorat en enginyeria. Paral·lelament, treballà al Laboratori Kawasaki de la companyia Asahi Kasei, on, a partir del 1981, es dedicà al desenvolupament de bateries d’ió liti. El 1992 passà a dirigir el grup de desenvolupament de producte del Departament de Promoció del Negoci de les Bateries de Liti de l’Asahi Kasei. El 1994 dirigí el projecte conjunt sobre bateries de liti d’Asahi Kasei i de Toshiba.

El desenvolupament de les bateries recarregables de liti

L’estructura bàsica d’una bateria consisteix en una cèl·lula integrada per dos elèctrodes (càtode i ànode), connectats amb un circuit elèctric, i immersos en un electròlit. Per evitar curt-circuits, càtode i ànode són separats sovint addicionalment per un material aïllant. La bateria alimenta el circuit elèctric a través d’un procés redox: l’oxidació de l’ànode allibera electrons que són captats per la reducció del càtode. El voltatge de la bateria depèn del diferencial de càrrega d’ànode i càtode.

En les bateries secundàries o recarregables, el procés redox pot ésser revertit, de manera que la bateria es pot trobar en un mode de descàrrega o en un mode de càrrega. Mentre que la descàrrega és un procés espontani, la càrrega és un procés que requereix energia exterior (p.ex. energia elèctrica).

La pila voltaica de començament del segle XIX era una cèl·lula de zinc i de coure (Zn/Cu). Consistia en una pila alternant de vora 20 plaques de zinc i de coure, separats per cartró i coure, i immersos en una solució aquosa (electròlit). El zinc (o l’estany en altres versions) actua d’ànode, i el coure (o l’argent) de càtode. La pila de Zn/Cu serví per definir el volt com a unitat de potencial elèctric. La descàrrega consisteix en l’oxidació del Zn i en la reducció de l’òxid de coure (CuO). És un tipus de bateria primària, és a dir no recarregable.

El 1860, Gaston Planté construí una bateria recarregable de plom-àcid. Aquesta bateria consta de dos elèctrodes de plom, amb un cert contingut d’òxid de plom (PbO2). Els dos elèctrodes se separen amb una solució electrolític d’àcid sulfúric. En el procés de descàrrega, hi ha una oxidació en l’ànode i una reducció en el càtode. El potencial elèctric durant la descàrrega és de 2 V.

En el 1899 es desenvoluparen bateries recarregables amb electròlit alcalí, com la níquel-ferro (Ni-Fe) i la níquel-cadmi (Ni-Cd).

En els anys 1960 diversos grups de recerca treballaren en la possible aplicació del liti en bateries recarregables. Una línia d’investigació era el desenvolupament d’electròlits no-aquosos adients a les característiques del liti: un dels candidats a aquesta funció era el carbonat de propilè. Una altra línia d’investigació era seleccionar els materials dels elèctrodes, per exemple combinant liti metàl·lic en l’ànode i un compost de liti en el càtode. Wittingham & Gamble (1975) estudiaren la intercalació de liti en compostos com el disulfur de titani (TiS2). En el mateix any Whittingham registrava en l’Oficina de Patents de Bèlgica una “bateria a base de calcogenurs”. Aquest sistema de bateria, amb un ànode de liti metàl·lic i un càtode de LixTiS2 era objecte d’un article a la revista Science (Whittingham, 1976). En la bateria de Whittingham l’electròlit era una solució de LiPF6 en carbonat de propilè. El potencial elèctric era de 2,5 V.

Whittingham (1978) revisà la qüestió de la química de compostos d’intercalació per fer servir calcogènids com a hostes de metalls, amb la vista particularment posada en el liti. Els materials devien presentar una banda electrònica accessible, havien d’acomodar l’ió liti en un ample rang estequiomètric mantenint l’estructura, mostrar una àmplia difusivitat per a aquest ió, ésser bons conductors, ésser insolubles en l’electròlit i poder operar en condicions ambientals de temperatura i pressió. S’aconseguiren bateries grans que arribaven a 45 Wh amb l’ús d’una solució de LiClO4 en dioxolà com a electròlit. Més tard es provà com a electròlit una solució de borat de tetrametil.

Un dels problemes d’aquestes primeres bateries de liti era la formació de dendrites en la superfície metàl·lica després de diversos cicles de càrrega i descàrrega. Les dendrites acabaven per penetrar en la capa de separació, amb el consegüent risc d’incendi per curt-circuit.

Una alternativa per salvar aquest problema era una configuració de transferència iònica, en la qual tots dos elèctrodes poguessin acomodar ions. D’aquesta manera ja no era necessari l’ús de liti metàl·lic: tant l’ànode com el càtode serien fets de compostos de liti. A banda de calcogenurs hom contemplava també l’ús de materials de carboni com el grafit.

En el 1980, el grup de Goodenough proposava LixCoO2 com a material per al càtode d’una bateria de liti (Mizushima, 1980). Aquesta línia de recerca conduí a una patent sobre conductors ràpids d’ions, registrada a nom de Goodenough i Mizushima (1982). Aquestes bateries de LixCoO2 oferien un potencial de 4-5 V.. Com a electròlit es feia servir una solució de LiBF4 en carbonat de propilè.

El grup de Yoshino (Asahi Kasei Corp.) registrà el 1985 una patent japonesa (n. 1989293) i el 1987 una patent nord-americana de bateria secundària. Com a material d’ànode postulaven un coc de petroli tractat tèrmicament, material carbonaci que conté una barreja cristal·lina (grafítica) i amorfa (carbó). Com a material de càtode s’utilitzava LixCoO2 amb petites quantitats d’estany. L’electròlit era LiClO4 dissolt en carbonat de propilè.

El 1991 es comercialitzava una bateria de liti amb ànode de coc de petroli, càtode de LixCoO2 i electròlit de LiPF6 dissolt en carbonat de propilè. El voltatge de càrrega era de 4,1 V, amb una densitat energètica de 80 Wh/kg.

En la següent generació de bateries de liti, com a material anòdic s’emprava finalment grafit. Aquest canvi permetia una densitat energètica dues vegades superiors a les bateries de liti de primera generació.

En l’evolució posterior de les bateries de liti han aparegut diverses alternatives de material catòdic. Algunes d’aquestes alternatives han sorgit de la recerca del grup de Goodenough com el Li1-xMn2O4 (Thackeray et al., 1983) i LixFePO4 (Padhi et al., 1997). Diferents combinacions de materials fan possible un ventall més ample d’aplicacions de les bateries de liti, més enllà de dispositius electrònics mòbils o de motors elèctrics.

Lligams:

Comunicat de premsa de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències.

Publicat dins de 6. La Civilització | Deixa un comentari

Un univers transparent d’estels i de planetes (James Peebles, Michel Mayor, Didier Queloz; Premi Nobel de Física, 2019)

Astronomia: Avui s’ha comunicat la concessió del Premi Nobel de Física d’enguany “per contribucions a la nostra comprensió de l’evolució de l’univers i del lloc de la Terra en el cosmos“. La primera meitat, dedicada a la cosmologia, ha estat concedida a James Peebles “per descobertes teòriques en cosmologia física“. La segona meitat, dedicada a la planetologia, ha estat concedida conjuntament a Michel Mayor i Didier Queloz, “per la descoberta d’un exoplaneta al voltant d’un estel de tipus solar“, 51 Pegasi b (1995).

Jim Peebles

Phillip James Edwin Peebles (*Winnipeg, 25.4.1935) es graduà a la University of Manitoba. En el 1958 començà el doctorat a Princeton University, amb una tesi supervisada per Robert Dicke (1916-1997). Dedicat a la cosmología física, des de Princeton ha estudiat teòricament aspectes de la radiació còsmica de fons, la nucleosíntesi primigènia, la inflació cosmològica, la matèria fosca i l’energia fosca.

Michel Mayor

Michel G. E. Mayor (*Losena, 12.1.1942). Es graduà a la Universitat de Losena el 1966. Es doctorà a la Universitat de Geneva el 1971. Investigador associat de l’Observatori de Geneva des del 1971, el 1984 esdevingué professor associat del Departament d’Astronomia de la universitat ginebrina. El 1988 passà a ésser professor titular. Entre 1998 i 2004 fou el director de l’Observatori. En el 2007 es retirà de la docència, però continuà vinculat a la recerca de l’Observatori.

Didier Queloz

Didier Queloz (*23.2.1966) era estudiant de doctorat sota la supervisió de Mayor a la Universitat de Geneva quan feren història amb el report del primer planeta detectat al voltant d’un estel de seqüència principal, 51 Pegasi. És professor de la Universitat de Geneva i de la Universitat de Cambridge.

El model de Big Bang sobre l’origen de l’univers

Fa 60 anys, quan Peebles entrava en el camp de la cosmologia física, hom era encara lluny de desenvolupar un model cosmològic estàndard. El grup de Dicke i Peebles realitzà aportacions teòriques sobre la radiació còsmica de fons. En el marc del model de Big Bang, la radiació còsmica de fons resulta de la transparentització de l’univers primitiu, quan la temperatura havia davallat a 3000 K 400.000 anys després del Big Bang. L’expansió de l’univers ha fet que aquesta radiació s’hagi desplaçat cap a la banda de les microones.

El 1965 la radiació còsmica de fons fou detectada efectivament per Arnold Penzias i Robert Wilson. Dicke et al. (1965) n’explicaren la rellevància teòrica per refermar la idea d’un estat inicial calent de l’univers (el Big Bang). Peebles investigà les implicacions sobre l’evolució de l’univers primitiu i la formació de galàxies (Peebles, 1965).

Les dades de Penzias i Wilson permetien afinar la temperatura equivalent de la radiació còsmica de fons, que seria de 3 K. Peebles treballà sobre com connectava aquesta temperatura amb la densitat de l’univers primigeni (“primeval fireball”) i amb la formació de nuclis atòmics (deuteri, heli-3, heli-4, etc.) (Peebles, 1966a; Peebles, 1966b). El model teòric de Peebles indicava que la nucleosíntesi associada al Big Bang s’havia reduït a la formació de tan sols dos elements químics: l’hidrogen i l’heli.

Peebles & Dicke (1968) teoritzaren que inhomogeneïtats en l’univers primitiu podrien explicar l’origen dels cúmuls estel·lars globulars, fins i tot abans de la formació de les galàxies al voltant de les quals ara orbiten. Les anisotropies en la radiació còsmica de fons fornien informació addicional sobre l’univers primitiu. Peebles & Yu (1970) estudiaren la pertorbació adiabàtica primigènia amb mètodes numèrics.

Estudis sobre la dinàmica de galàxies indicaven l’existència de més matèria que no pas la que es computava en estels i nebuloses. Ostriker & Peebles (1973) feren un estudi numèric sobre l’estabilitat de galàxies aplanades, que exigia una massa notable als halos de les galàxies espirals.

La qüestió d’un univers dominat per una “matèria fosca” es podia elucidar en les pròpies anisotropies de la radiació còsmica de fons, d’acord amb els càlculs de Peebles (1982). L’ordre de magnitud de les anisotropies, segons predeia Peebles, seria de l’ordre de les 5 milionèsimes.

Peebles (1984) incorporà la inflació còsmica en els seus càlculs sobre models cosmològics, per deduir que la constant cosmològica podria suposar un 20% de la densitat de l’univers. La constant cosmològica ajudaria a resoldre la paradoxa de l’edat, en la qual l’estimació de l’edat de l’univers segons el model de Big Bang era inferior a l’edat estimada dels estels més antics. Peebles & Ratra (1988) estudiaren també la introducció en el model cosmològic d’un component variable en el temps.

Les observacions acurades de la radiació còsmica de fons per part d’observatoris orbitals (COBE, WMAP, Planck) han mostrat l’encert de prediccions teòriques de Peebles. El model cosmològic actual calcula una edat de l’univers de 13,8 milers de milions d’anys, amb un component cosmològic variable en el temps (l’energia fosca) com a dominant.

La radiació còsmica de fons és força homogènia en tota l’esfera celeste, però les dades del WMAP permeten elaborar un mapa que representa del vermell al blau petites diferències de major o menor temperatura

La descoberta de 51 Pegasi b

Observar planetes en altres estels fou considerat durant molt de temps un impossible científic. Alguns es demanaven fins i tot si el Sol no era l’únic estel de l’univers amb planetes o, si més no, un dels pocs. Que el Sol fos un estel solitari feia pensar a alguns que tan sols en aquests estels hi hauria planetes en òrbita. Els reports poc fonamentats de planetes extrasolars no ajudaven gens a la dignificació de la recerca teòrica i pràctica sobre altres sistemes planetaris.

Otto Struve havia sostingut en el 1952 la possibilitat de detectar planetes a través d’oscil·lacions en la velocitat radial d’un estel. La velocitat radial d’un estel és el component del moviment d’aquest estel respecte de la Terra que indica si s’hi allunya o s’hi acosta. La velocitat radial es computa d’acord amb l’efecte Doppler. La detecció planetària consistiria en trobar variacions periòdiques en aquesta velocitat radial, a partir de les quals hom podria fer estimacions de la massa del planeta hipotètic.

Per als objectes exteriors al nostre Sistema Solar, el Sistema Solar pot considerar-se un únic punt presidit pel Sol. Aquests objectes exteriors semblen fixos en l’esfera celeste. No obstant, dades seculars poden indicar un moviment propi respecte les coordenades celestes. A banda del component transversal de moviment també hi ha un component radial el qual pot ésser investigat a través de l’efecte Doppler, és a dir el fet que hi ha un desplaçament de les línies espectrals cap al vermell (si l’objecte s’allunya del Sol) o cap al blau (si l’objecte s’hi apropa)

Aquest mètode era rebut amb saludable escepticisme. Un planeta com Júpiter pertorba la velocitat radial del nostre Sol respecte d’altres estels en termes de 13 m/s durant un període 12 anys. Caldrien, doncs, instruments no tan sols molt precisos, sinó també estables durant llargs períodes de temps. Els espectroscopis de fluorur d’hidrogen amb prou feines arribaven a la precisió requerida per detectar un Júpiter al voltant d’un altre estel. Una alternativa era l’ús d’espectroscopis de iode molecular.

Una col·laboració entre els observatoris de Marsella, Ginebra i de l’Alta Provença construí ELODIE, un espectrògraf amb la capacitat de mesurar velocitats radials amb una precisió de 15-1 d’estels de magnitud 9 amb temps d’exposició de 30 minuts (Baranne et al., 1996). L’espectrògraf havia entrat en funcionament a final del 1993 en el telescopi de 1,93 metres d’obertura de l’Observatori de l’Alta Provença, a Sant Miquèu. La cèl·lula espectrogràfica era substituïda per una escala alimentada amb fibra òptica, la qual cosa obria la possibilitat a estudiar estels de menor magnitud relativa.

El telescopi de 193 cm d’obertura de l’Observatori de l’Alta Provença

El 23 de novembre del 1995, la revista Nature publicava un article de Michel Mayor i Didier Queloz on s’anunciava la descoberta d’un “company de massa joviana al voltant d’un estel de tipus solar”. Per estel de tipus solar es referien a un estel de seqüència principal. L’estel en qüestió era 51 Pegasi, un estel de tipus espectral G2IV (el Sol és G2V), amb una magnitud aparent de 5,49, i situat a 50,45 anys-llum del nostre Sistema Solar. 51 Pegasi era un dels 142 estels observats amb l’ELODIE. Mayor & Queloz havien registrat variacions periòdiques de 59 m/s cada 4,23 dies en la velocitat radial d’aquest estel (nivell basal de -33,7 km·s-1), compatibles amb la presència d’un objecte de 0,47 masses jovianes que orbitaria l’estel a uns 8 milions de quilòmetres de distància (Mercuri, en el nostre Sistema Solar, ho fa a 58 milions de km). Mayor & Queloz deduïen que 51 Pegasi b era un planeta gegant gasós que hauria migrat a aquesta posició a través d’una evolució orbital, però no descartaven tampoc que hagués evolucionat a partir d’un nan bru, que hauria estat denudat per la radiació de 51 Pegasi. El fet de trobar-se en una òrbita tan tancada, li valdria a 51 Pegasi b inaugurar la categoria planetològica dels “Júpiters calents”. La temperatura superficial de 51 Pegasi b s’estimava en 1300 K.

La premsa ja s’havia fet ressò d’aquesta descoberta setmanes abans, quan Mayor & Queloz presentaren a Florència el 6 d’octubre la descoberta de 51 Pegasi b en el marc del 9è Cambridge Workshop of Cool Stars, Stellar Systems and the Sun. L’article a Nature l’havien tramès el 29 d’agost, i fou acceptat per a publicació el 31 d’octubre.

En els mesos següents a 51 Pegasi b s’afegirien altres “Júpiters calents”: 70 Virginis b, 47 Ursae Majoris b, etc. En els cinc anys següents la llista havia augmentat fins a 34. En l’actualitat es coneixen més de 4.000 exoplanetes corresponents a uns 3.000 sistemes planetaris confirmats.

El juliol del 2014, la Unió Astronòmica Internacional inicià un procés per donar nom a alguns exoplanetes i, de retruc, als seus estels. El desembre del 2015, s’anuncià per a 51 Pegasi b el nom de “Dimidium”, en referència a la seva massa, que és la meitat de la de Júpiter. L’estel 51 Pegasi va rebre el nom de “Helvetios” en honor a Mayor i Queloz. Però encara molta gent recorda 51 Pegasi b pel nom que li va donar la premsa en l’època de la descoberta: Bel·lerofon, recordant l’heroi que havia estat capaç de muntar el cavall alat epònim de la constel·lació.

Lligams:

Comunicat de premsa de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències

Publicat dins de 1. L'Univers | Deixa un comentari

Sensors i efectors d’oxigen en el metabolisme cel·lular: HIF i VHL (William G. Kaelin, Peter J. Radcliffe, Gregg L. Semenza; Premi Nobel de Fisiologia, 2019)

Biologia cel·lular: Com pertoca al primer dilluns d’octubre, l’Assemblea Nobel del Karolinska Institutet ha fet públic a les 11.30 la concessió del Premi Nobel de Fisiologia o Medicina conjuntament a William G. Kaelin Jr., Sir Peter J. Ratcliffe i Gregg L. Semenza “per les llurs descobertes de com les cèl·lules perceben i s’adapten a la disponibilitat d’oxigen”. Aquestes descobertes les han fet en el marc de la fisiologia animal, pensant en l’oxigen com el “comburent” necessari per al metabolisme respiratori heteròtrof. Els guardonats van identificar la maquinària molecular que regula l’activitat gènica de les cèl·lules animals d’acord amb els nivells tissulars d’oxigen.

Els nivells d’HIF-1alfa reflecteixen els nivells cel·lulars d’oxigen. En condicions de normòxia l’hidroxilació específica de la proteïna condueix a la seva unió a VHL i la ubiqüitinilació, que condueixen a la degradació. En condicions d’hipòxia, en no existir aquest procés, s’acumulen els nivells de HIF-1alfa. Això també s’esdevé en algunes línies tumorals que manquen de la proteïna VHL

William G. Kaelin Jr.

William G. Kaelin Jr. (*NYC, 23.11.1957) es va graduar en matemàtiques i química a la Duke University, on es doctorà en medicina (1982). Fou resident de medicina interna al Johns Hopkins i s’especialitzà en oncologia al Dana-Farber Cancer Institute (DFCI). S’incorporà al laboratori de David Livingston, on realitzà recerques sobre el retinoblastoma. En el 1992 encapçalà el seu propi laboratori treballant sobre formes hereditàries de neoplàsies com la de von Hippel-Lindau, amb èmfasi sobre el rol de mutacions en gens supressors de tumors com el p53. En el 2002 esdevingué professor de medicina a la Harvard Medical Shool.

Sir Peter J. Ratcliffe

Peter J. Ratcliffe (*Morecambe, Lancashire, 14.5.1954) es formà a la Lancaster Royal Grammar School. En 1972 ingressà al Gonville and Caius College de Cambridge, i inicià estudis de medicina a la University of Cambridge, que completà el 1978 al St Bartholomew’s Hospital de Londres. S’especialitzà en medicina renal a l’Oxford University, i realitzà estudis sobre l’oxigenació dels teixits renals. El 1989 fundà el seu propi laboratori per treballar sobre la regulació de l’eritropoietina, hormona promotora de la formació de glòbuls vermells que és sintetitzada pels teixits renals en situacions de privació d’oxigen (hipòxia). El laboratori de Ratcliffe mostrà que la regulació de l’eritropoietina també és present en altres tipus cel·lulars, i que fa part de tot un programa cel·lular de resposta a la hipòxia. Ratcliffe contribuí a la identificació de les bases moleculars d’aquesta regulació. El 2014 fou ordenat cavaller per les seves aportacions en medicina clínica.

Gregg L. Semenza

Gregg L. Semenza (*Queens, NYC, 1.7.1956) es formà a la Harvard University, on es graduà el 1978. Es doctorà a la University of Pennsylvania el 1984 amb una tesi sobre la beta-talassèmia. Realitzà recerca a la Duke University, contribuint a la descoberta de l’HIF-1 com a factor de detecció i adaptació a la hipòxia, i després esdevingué professor a la Johns Hopkins University School of Medicine.

Sensors i efectors biomoleculars de l’oxigen: HIF i VHL

L’eritropoietina (EPO) juga un paper en l’adaptació de l’organisme humà a pressions parcials reduïdes d’oxigen, en estimular la producció de glòbuls vermells (eritropoiesi). D’ací el seu ús fraudulent com a agent dopant per millorar el rendiment esportiu. L’eritropoietina és produïda fisiològicament pel ronyó com a resposta a situacions cròniques de limitació d’oxigen.

Gregg Semenza estudià en un model de ratolins modificats genèticament com el gen EPO és regulat a diferents nivells d’oxigen (Semenza et al., 1991). El grup de Semenza identificà les regions promotores del gen EPO que mitjançaven la resposta d’aquest gen a la hipòxia.

El grup de Peter Ratcliffe, des del 1989, també estudiava la regulació dependent d’oxigen del gen EPO. Com el grup de Semenza, constatà que elements d’aquesta regulació no eren exclusius de teixits renals sinó que eren presents en un gran nombre de tipus cel·lulars.

En un model de cultiu d’hepatòcits, el grup de Semenza identificà el complex proteic que s’unia al promotor del gen EPO de manera dependent als nivells d’oxigen. Aquest complex proteic rebé el nom de factor induïble a hipòxia (HIF, en l’acrònim anglès). El 1995 Semenza ja havia identificat els gens responsables de l’HIF: HIF-1α i ARNT (Wang et al., 1995). En condicions de normòxia, l’expressió d’HIF-1α és baixa. En situacions d’hipòxia, hi ha una major expressió d’HIF-1α, que actua unint-se a seqüències específiques de l’ADN, com ara el promotor del gen EPO. D’aquesta manera, HIF-1α en condicions d’hipòxia estimula l’expressió d’un ventall de gens.

En condicions de normòxia, els nivells de proteïna HIF-1α són deprimits per un mecanisme de proteòlisi mediat per ubiqüitina (el proteasoma). En condicions d’hipòxia aquesta proteòlisi és reprimida, de manera que els grups de Semenza i Ratcliffe exploraren aquest mecanisme.

Paral·lelament, el grup de Kaelin treballava sobre el gen VHL (l’acrònim fa referència a que aquest gen fou identificat en la malaltia de von Hippel-Lindau). El gen VHL és un gen supressor de tumors i, si pateix mutacions, condueix a una major exposició a neoplàsies. Kaelin estudiava el mecanisme pel qual la proteïna VHL té un efecte antitumoral. Observà que cèl·lules tumorals sense el gen VHL sobreexpressen gens relacionat amb la resposta a la hipòxia: si hom restaurava la funció del VHL s’alterava aquest patró d’expressió gènica (Maxwell et al., 1999).

La proteïna VHL és present en el complex d’ubiquitinilació, és a dir el responsable d’afegir ubiqüitines a les proteïnes i marcar-les per a la degradació pel proteasoma. El grup de Ratcliffe mostrà que la proteïna VHL interactua directament amb la proteïna HIF-1α.

En el 2001, els grups de Kaelin (Mircea et al., 2001) i Ratcliffe (Jakkola et al., 2001) trobaren el mecanisme pel qual la proteïna HIF-1α actua com a sensor d’oxigen. Aquest mecanisme consisteix en l’addició de grups hidroxils en posicions específiques de la proteïna HIF-1α, un procés d’hidroxilació que no es produeix en cas d’hipòxia. En condicions de normòxia, la hidroxilació de HIF-1α fa que sigui reconeguda per VHL. En la degradació de HIF-1α participen prolil-hidroxilases sensibles a oxigen, que foren identificades pel grup de Ratcliffe.

Lligams:

Comunicat de premsa de l’Assemblea Nobel del Karolinska Institutet.

Publicat dins de 3. La Vida | Deixa un comentari

Un planeta de 8,7E26 quilograms orbitant un estel de 2,4E29: la inestabilitat de disc en la formació del sistema planetari de GJ 3512

Planetologia: El projecte CARMENES s’adreça a la detecció de “planetes blaus” al voltant de “nans vermells”, és a dir de planetes amb certa similitud a la Terra al voltant del tipus estel·lar més abundant de l’univers. El Sol no pertany pas a aquesta categoria, sinó a la de “estel de tipus mitjà ‘groc’”. La massa del Sol és de 1,9891·1030 kg. Un estel nan vermell de molt poca massa, com és GJ 3512, és tan sols un 12% massiu respecte del Sol, és a dir que té una massa de 2,4·1029 kg. En el marc del projecte CARMENES, l’estel GJ 3512 ha estat estudiat. Les observacions a llum visible i a infravermell sobre la velocitat radial d’aquest astre indiquen la presència d’un planeta gegant, GJ 3512 b, amb un període orbital de 204 dies. GJ 3512 b té una massa de 8,7·1026 kg. D’aquesta manera, la relació massa estel·lar:massa planetària és de 280:1, un valor força superior al que podem observar en el nostre Sistema Solar (la massa solar és 1047 vegades superior a la massa de Júpiter). La descoberta de GJ 3512 b ha estat reportada en un article que publica aquesta setmana la revista Science. En aquest article, encapçalat per Juan Carlos Morales Pertalta, investigador post-doctoral de l’Institut de Ciències de l’Espai, de Bellaterra, i de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya, de Barcelona, es comenta el significat d’aquesta descoberta pel que fa als models sobre la formació de sistemes planetaris. En els estels de baixa massa, hom espera amb més freqüència planetes de la massa Neptú que no pas planetes de la massa de Júpiter o de Saturn, i això és precisament el que prediu la teoria d’acreció. GJ 3512 b té una massa superior a la de Saturn. Però també crida l’atenció la forta excentricitat de l’òrbita de GJ 3512 b. Segons els models de dinàmica planetària, una excentricitat elevada d’una planeta gegant hauria d’explicar-se a través de la interacció gravitatòria entre planetes. Les simulacions de Morales et al. mostren la dificultat d’encaixar les dades de GJ 3512 b en les teories clàssiques d’acreció i de migració planetàries. Pensen que les inestabilitats del disc planetari originari hi jugaren un paper rellevant. Alhora, això els fa pensar que les inestabilitats de discs són un mecanisme més eficient que no pas es pensava per a la formació de planetes.

Un dels telescopis, fotografiats el 2008, de l’Observatori de Calar Alto, a la província d’Almeria

Un sistema planetari atípic

Del total de 4000 exoplanetes que s’han descobert fins ara, tan sols uns 400 orbiten al voltant d’estels nans de tipus espectral M. Aquests són els estels més abundants de l’univers, constituint potser vora el 76% de tots els estels de la seqüència principal. La raó d’aquesta desproporció es deuria sobretot a la dificultat d’observar els “nans vermells” en la zona visible de l’espectre electromagnètic.

Dels estels nans de tipus M que han estudiats pel que fa a la velocitat radial i a la detecció de trànsits planetaris, la taxa de descoberta de planetes va de 1 a 2,5. La majoria de vegades són planetes amb masses situades entre 6·1024 kg i 1·1026. Si disposéssim de tècniques més precises, el nombre mitjà de planetes seria superior, i ampliaríem el ventall a planetes menys massius. És cert que en alguns estels nans de tipus M s’han trobat planetes gegants, amb masses properes o semblants a les de Saturn o Júpiter, però la proporció és més o menys l’esperada d’acord amb la teoria d’acreció. Segons aquesta teoria, els planetèssims del disc periestel·lar col·lideixen per formar cossos cada vegades més grans. Els nuclis que assoleixen una massa considerable, de 6·1025 a 1·1026 kg, acaben per atreure també una considerable escorça gasosa: així neixen els planetes jovians (que en el nostre Sistema Solar són representats per Júpiter i Saturn).

Una teoria alternativa per a la formació de planetes jovians és la inestabilitat de disc. En aquest cas, el mecanisme promotor no és la col·lisió de planetèssims sòlids, sinó condensacions de gas i de pols en zones concretes del disc protoplanetari. La condició d’aquesta teoria és una bona densitat del disc protoplanetari i un refredament relativament ràpid. Aquesta teoria explicaria la detecció de planetes jovians que presenten elevadíssims períodes orbitals.

Encara que el principal objectiu del projecte CARMENES és la detecció de planetes “blaus” (és a dir planetes de dimensions i característiques orbitals semblants a les de la Terra), un objectiu secundari és esclarir aquests aspectes de la formació de planetes gegants.

L’estel GJ 3512 (= LP 90-18), de la constel·lació de l’Óssa Grossa, fou seleccionat pel projecte CARMENES pel fet de presentar un elevat moviment propi. El seu tipus espectral, M5.5, també el feia atractiu. Es tracta d’un estel de molt baixa massa, 2,4·1029 kg. Segons les dades de la missió Gaia es troba a una distància de 9,489 parsecs (30,9 anys-llum).

Com que les primeres observacions d’aquest estel pel projecte CARMENES indicaven una tendència clara en les dades de velocitat radial, se n’intensificà la cadència d’observació. Així s’han aconseguit dades de dos anys de les variacions periòdiques de velocitat radial. Aquesta variabilitat periòdica es pot interpretar per la presència d’un planeta, GJ 3512 b, d’una massa de 8,7·1026 kg, amb un període orbital de 203,59 dies, una excentricitat molt considerable (0,4356). Si hom accepta aquesta interpretació, queda encara un residu que podria atribuir-se a un segon planeta, GJ 3512 c, que tindria un període orbital superior als 1400 dies.

La monitorització fotomètrica d’aquest estel des dels observatoris de Sierra Nevada, Montsec i Las Cumbres, han posat de manifest que l’estel GJ 3512 té una activitat magnètica moderada. Les corbes de lluminositat indiquen un període de 87 dies, que reflectiria el període de rotació d’aquest estel. És un període de rotació considerablement llarg, que s’explicaria pel fet que GJ 3512 seria un estel relativament antic, amb una edat de 3 a 8 milers de milions d’anys (el nostre Sol, que en té 5, presenta una metal·licitat semblant a la de GJ 3512). És clar que per a un estel de tipus M això no és més que una petita fracció de tot el llarg període en el que es mantindrà com a estel de seqüència principal.

Si tota aquesta interpretació és correcta, GJ 3512 seria l’estel menys massiu al voltant del qual s’ha trobat un planeta gegant mitjançant la tècnica de velocitats radials. La relació de massa entre el planeta GJ 3512 b i l’estel seria de 0,0034 (la relació entre la Terra i el Sol és de 0,000003).

Una explicació per l’elevada excentricitat orbital de GJ 3512 b

Morales et al. pensen que el sistema planetari de GJ 3512 hauria arrencat amb tres planetes majors. La interacció entre aquests tres planetes conduí a l’ejecció d’un d’ells, i a la forta excentricitat de l’òrbita de GJ 3512 b. Ara romandrien tan sols dos planetes majors, GJ 3512 b i GJ 3512 c.

Aquesta explicació, però, no fa més que refermar l’estranyesa del sistema planetari de GJ 3512. Si un planeta gegant és difícil d’explicar, més encara ho seria un nombre originari de 2 o 3.

Models de formació del sistema planetari de GJ 3512

D’acord amb el model d’acreció de nuclis, caldria formar un nucli de 10-20 masses terrestres per tal que al seu voltant es formés l’atmosfera densa i gruixuda d’hidrogen i d’heli pròpia dels gegants jovians. D’acord amb el model d’acreció de còdols, el nucli podria ja arrencar amb 5 masses terrestres. Però les simulacions de Morales et al. assenyalen que la taxa de migració planetària al voltant d’un estel de baixa massa és relativament alta, i interfereix en la formació de nuclis rocallosos tan grans. Els nuclis planetaris, en un sistema com GJ 3512, tendeixen a migrar a la zona interior del sistema.

Si hom aplica aquests mateixos models a un disc protoplanetari més dens, l’acreció es veu afavorida, certament, però també augmenta la taxa de migració. A més, les observacions no indiquen que aquesta hagi estat la situació de GJ 3512.

Morales et al. passen després a simulacions basades en la inestabilitat gravitatòria del disc de gas quan GJ 3512 era encara un estel molt jove. Proven diferents valors de viscositat i de densitat superficial per trobar en quines condicions hi hauria inestabilitat gravitatòria en zones adjacents a l’estel (de menys de 100 unitats astronòmiques). Fragments de gasos haurien estat realment els elements seminals dels tres planetes majors del sistema GJ 3512.

El rol de l’astrometria de Gaia per afinar els components orbitals de GJ 3512 b

Que GJ 3512 b sigui un planeta tan massiu respecte del seu estel fa que, fins i tot a una distància relativament elevada, els seus efectes es deixin notar en la velocitat radial de l’estel. Amb la missió Gaia hom obté dades ben precises de la posició i moviment estel·lars. Morales et al. confien en poder utilitzar aquestes dades per determinar la inclinació orbital de GJ 3512 b, del qual valor en resultaria una major precisió pel que fa a la massa planetària. Alhora aquestes dades podrien ajudar a determinar els paràmetres orbitals de GJ 3512 c, i entendre així doncs les interaccions presents i passades entre aquests dos planetes.

Morales et al. també pensen que instruments més potents podran arribar fins i tot a aconseguir imatges directes de GJ 3512 b. Creuen que una caracterització completa d’aquest sistema planetari ajudarà a entendre millor els processos d’acreció i de migració planetàries.

Lligams:

A giant exoplanet orbiting a very-low-mass star challenges planet formation models. J. C. Morales, A. J. Mustill, I. Ribas, M. B. Davies, A. Reiners, F. F. Bauer, D. Kossakowski, E. Herrero, E. Rodríguez, M. J. López-González, C. Rodríguez-López, V. J. S. Béjar, L. González-Cuesta, R. Luque, E. Pallé, M. Perger, D. Baroch, A. Johansen, H. Klahr, C. Mordasini, G. Anglada-Escudé, J. A. Caballero, M. Cortés-Contreras, S. Dreizler, M. Lafarga, E. Nagel, V. M. Passegger, S. Reffert, A. Rosich, A. Schweitzer, L. Tal-Or, T. Trifonov, M. Zechmeister, A. Quirrenbach, P. J. Amado, E. W. Guenther, H.-J. Hagen, T. Henning, S. V. Jeffers, A. Kaminski, M. Kürster, D. Montes, W. Seifert, F. J. Abellán, M. Abril, J. Aceituno, F. J. Aceituno, F. J. Alonso-Floriano, M. Ammler-von Eiff, R. Antona, B. Arroyo-Torres, M. Azzaro, D. Barrado, S. Becerril-Jarque, D. Benítez, Z. M. Berdiñas, G. Bergond, M. Brinkmöller, C. del Burgo, R. Burn, R. Calvo-Ortega, J. Cano, M. C. Cárdenas, C. Cardona Guillén, J. Carro, E. Casal, V. Casanova, N. Casasayas-Barris, P. Chaturvedi, C. Cifuentes, A. Claret, J. Colomé, S. Czesla, E. Díez-Alonso, R. Dorda, A. Emsenhuber, M. Fernández, A. Fernández-Martín, I. M. Ferro, B. Fuhrmeister, D. Galadí-Enríquez, I. Gallardo Cava, M. L. García Vargas, A. Garcia-Piquer, L. Gesa, E. González-Álvarez, J. I. González Hernández, R. González-Peinado, J. Guàrdia, A. Guijarro, E. de Guindos, A. P. Hatzes, P. H. Hauschildt, R. P. Hedrosa, I. Hermelo, R. Hernández Arabi, F. Hernández Otero, D. Hintz, G. Holgado, A. Huber, P. Huke, E. N. Johnson, E. de Juan, M. Kehr, J. Kemmer, M. Kim, J. Klüter, A. Klutsch, F. Labarga, N. Labiche, S. Lalitha, M. Lampón, L. M. Lara, R. Launhardt, F. J. Lázaro, J.-L. Lizon, M. Llamas, N. Lodieu, M. López del Fresno, J. F. López Salas, J. López-Santiago, H. Magán Madinabeitia, U. Mall, L. Mancini, H. Mandel, E. Marfil, J. A. Marín Molina, E. L. Martín, P. Martín-Fernández, S. Martín-Ruiz, H. Martínez-Rodríguez, C. J. Marvin, E. Mirabet, A. Moya, V. Naranjo, R. P. Nelson, L. Nortmann, G. Nowak, A. Ofir, J. Pascual, A. Pavlov, S. Pedraz, D. Pérez Medialdea, A. Pérez-Calpena, M. A. C. Perryman, O. Rabaza, A. Ramón Ballesta, R. Rebolo, P. Redondo, H.-W. Rix, F. Rodler, A. Rodríguez Trinidad, S. Sabotta, S. Sadegi, M. Salz, E. Sánchez-Blanco, M. A. Sánchez Carrasco, A. Sánchez-López, J. Sanz-Forcada, P. Sarkis, L. F. Sarmiento, S. Schäfer, M. Schlecker, J. H. M. M. Schmitt, P. Schöfer, E. Solano, A. Sota, O. Stahl, S. Stock, T. Stuber, J. Stürmer, J. C. Suárez, H. M. Tabernero, S. M. Tulloch, G. Veredas, J. I. Vico-Linares, F. Vilardell, K. Wagner, J. Winkler, V. Wolthoff, F. Yan, M. R. Zapatero Osorio. Science 365: 1441-1445 (2019)

Publicat dins de 1. L'Univers | Deixa un comentari

La reconstrucció de l’anatomia de Denisova 3 a partir del seu metiloma d’ADN

Paleoepigenètica humana: Ja fa més de nou anys que vam comentar la descoberta de Krause et al. que la seqüència completa de l’ADN mitocondrial extret d’una falange humana de la Sibèria de fa 40.000 anys (Denisova 3) no encaixava ni amb les variants descrites pels neandertals ni per les dels homes anatòmicament moderns (que, per mantindre el criteri espeleonímic, designarem com a cromanyons). Hom postulà, doncs, l’existència d’un tercer llinatge, subespècie o espècie, en l’Euràsia Central de l’època: els denisovans. Els llinatges de denisovans i de neandertals convergeixen en un moment situat fa 390-440 milers d’anys. I el llinatge del qual descendeixen denisovans i neandertals convergeix amb els dels ancestres dels cromanyons en un moment un xic anterior, fa 520-630 milers d’anys. Recular tant en el temps significa assumir, pel que fa a neandertals i, especialment, per a cromanyons, canvis substancials en l’anatomia. Però si de cromanyons tenim informació anatòmica precisa (7700 milions d’exemplars vius en l’actualitat, i enormes quantitats de restes antigues), i de neandertals en tenim prou (centenars d’espècimens fòssils, més o menys complets, hi han estat adscrits), no podem dir el mateix dels denisovans, dels quals únicament la falange Denisova 3, n’és testimoni anatòmic. A la mateixa cova de Denisova s’hi han trobat altres espècimens, i l’estiu passat parlàvem de la seqüenciació del genoma de Denisova 11, però en aquest cas es tracta de la filla d’una mare denisovana i d’un pare neandertal (Slon et al., 2018). Sense un coneixement anatòmic dels denisovans és més que probable que, en cas de topar-hi amb més restes, aquestes siguin preses com un possible neandertal si no s’hi pot recuperar ADN antic que ho clarifiqui. El camí contrari seria deduir a partir de l’ADN antic de Denisova 3 la morfologia d’aquest llinatge humà. I això és el que proposen un grup d’investigadors encapçalat per David Gokhman i Liran Carmel, del Departament de Genètica de la Universitat Hebrea de Jerusalem. En un article a la revista Cell, Gokhman et al. reconstrueixen la morfologia esquelètica de Denisova 3 a partir de patrons de metilació del seu ADN. La metilació d’ADN és considerada en aquest sentit com un signe de l’expressió gènica: concretament canvis unidireccionals de metilació s’associarien a fenotips de pèrdua de funció. Gokhman et al. també han experimentat la tècnica sobre neandertals i sobre ximpanzés, aconseguint la identificació de trets divergents entre uns i altres amb una precisió superior al 85%. D’acord amb la reconstrucció dels denisovans que ofereixen Gokhman et al., aquests compartien molts dels trets típics dels neandertals: rostre elongat, pelvis ampla. Ara bé, els denisovans també mostrarien uns trets característics diferencials, com un major arc dental i una major expansió cranial en direcció lateral. Cal dir que aquests trets característics han estat observats en el crani de Xuchang, de 90.000 anys d’antiguitat, i que alguns prèviament havien postulat com a possible denisovà. Més enllà de la qüestió concreta dels denisovans, aquesta tècnica de reconstrucció anatòmica sobre els patrons metilació d’ADN antic podria fer notables aportacions en el camp de la paleontologia general.

La tècnica de Gokhman et al. analitza modificacions en la càrrega de metilació d’ADN antic. Així es poden identificar gens que, per a aquest organisme, han perdut funció. Si a través d’una espècie de referència, es coneixen els efectes fenotípics que té la pèrdua d’aquest gen, és possible inferir característiques de l’organisme portador de l’ADN antic analitzat

De la metilació de l’ADN a la morfologia esquelètica

David Gokhman treballa al Departament de Genètica de l’Institut Alexander Silberman de Ciències de la Vida, centre adscrit a la Facultat de Ciències de la Universitat Hebrea de Jerusalem, situat al Campus Edmond J. Safra de Givat Ram. Gokhman és qui concebé la idea d’aquesta recerca, i qui conduí totes les anàlisis.

Nadav Mishol és membre del mateix departament, i recollí dades per a les anàlisis per a l’estudi d’associació de genoma complet.

Les dades per a les anàlisis no-sinònimes foren aportades per Marc de Manuel, David Juan i Tomàs Marquès-Bonet. Tots tres són membres del Laboratori de Genòmica Comparada de l’Institut de Biologia Evolutiva, centre adscrit a la Universitat Pompeu Fabra i al CSIC, i que té la seu al Parc de Recerca Biomèdica de Barcelona. Marquès-Bonet és, a més, membre d’ICREA, del Centre Nacional d’Anàlisis Genòmiques (CNAG) del Centre de Regulació Genòmica (CRG) del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST) i de l’Institut Català de Paleontologia Miquel Crusafont (UAB).

Jonathan Shuqrun anotà fenotips. Shuqrun és membre del Departament de Genètica de la UHJ i pertany al Programa Alpha (l’equivalent al nostre ICREA).

El professor Yoel Rak supervisà les comparacions amb trets coneguts de neandertals i de ximpanzés. Rak, nascut el 1946, és membre del Departament d’Anatomia i Antropologia de la Facultat Sackler de Medicina de la Universitat de Tel Aviv.

El professor Eran Meshorer participà en la supervisió de la generació de dades de metilació de l’ADN de Denisova 3. El laboratori d’epigenètica de Meshorer fa part del Departament de Genètica de la UHJ i alhora és adscrit al The Edmond and Lily Safra Center for Brain Sciences (ELSC).

Liran Carmel és membre del Departament de Genètica de la UHJ. Al costat de Gokhman, dissenyà l’estudi.

El finançament de l’estudi es realitzà amb el projecte que Carmel té amb la National Geographic Society (HJ-111R-17). Carmel supervisà la recerca. Gokhman té el suport de la Clore Israel Foundation. Marquès-Bonet té el suport del Ministerio de Economía y Empresa de España (amb el projecte BFU2017-86471-P, de fons FEDER de la UE), una beca Howard Hughes International Early Career (U01 MH106874), ajut de l’Obra Social “La Caixa”, i de la Secretaria d’Universitats i Recerca de la Generalitat de Catalunya (GRC 2017 SGR 880). Els autors agraeixen el suport tècnic de Shiran Bar, David Reich, Iain Mathieson, Chris Stringer i del Fraser Lab. Les il·lustracions que acompanyen aquesta recerca són obra de Maayan Harel.

Gokhman i Carmel redacten l’article, que trameteren a la revista Cell el 7 de març del 2019. El text fou revisat, i retramès el 24 de maig, aquesta vegada per ésser acceptat el 20 d’agost, i publicat el 19 de setembre.

La informació paleontològica sobre l’anatomia dels denisovans és escassa pel caràcter fragmentari de les restes òssies de les quals es recuperà l’ADN que serví en el 2010 per a la descripció d’aquest grup humà. El nom de denisova fa referència a Denisova 3, un dels espècimens (consistent en una falange humana) trobats en la cova homònima (Дени́сова Пеще́ра) a les muntanyes d’Altai. Denisova 3 ha estat datat amb una antiguitat de 74-82 milers d’anys. Bona part del que sabem dels denisovans es dedueix de l’ADN extret d’aquesta falange. Els ancestres dels denisovans i els ancestres dels neandertals tenen l’ancestre comú més recent en una data reculada: 390-440 milers d’anys. Més reculada encara és la data de l’ancestre comú més recent compartit per cromanyons i neandertals-denisovans: 520 i 630 milers d’anys. Ara bé, aquestes separacions de llinatges no obsten per l’existència de creuaments posteriors. Tant és així, que hom ha descrit en poblacions humanes actuals una ascendència denisovana, que arriba fins al 6% en el cas dels melanesis i dels australians aborígens. Algunes seqüències genètiques originàries dels denisovans s’han vist seleccionades positivament en poblacions humanes modernes exposades a climes freds o d’alta muntanya.

La Cova Deníssova o Аю-Таш

De manera temptativa s’han adscrit a denisovans altres restes fragmentàries: una mandíbula inferior i diverses dents. D’aquestes restes es dedueix que els molars dels denisovans presenten característiques diferencials de neandertals i de cromanyons en les corones i en les arrels, així com en la mida. La mandíbula atribuïda a un denisovà és robusta, prominent, amb llarga arcada dental i sense barbeta, és a dir més de l’estil dels neandertals.

Hom disposa de la seqüència genòmica de Denisova 3. De la comparació d’aquest genoma amb el dels humans moderns en resulten 30.000 canvis fixats, dels quals tan sols 100 consisteixen en substitucions que alteren la seqüència de proteïnes. Els estudis d’associació genòmica basats en els humans moderns són de difícil translació als denisovans. És per això que Gokhman et al. preferiren un enfocament basat en l’expressió gènica més que no pas en la seqüència genètica. Ara bé, l’expressió gènica no es pot seguir directament a partir de l’ARN antic, ja que aquest no s’hi conserva tan bé com l’ADN. Sí que es pot seguir, en canvi, a través de la metilació de l’ADN, que és un element de regulació que juga un paper en l’expressió gènica. L’estudi del “metiloma” (les alteracions en la metilació del genoma) seria una forma indirecta d’estudiar el “transcriptoma” (els transcrits d’ARN fets a partir de l’ADN genòmic).

Es tracta, doncs, de comparar els patrons de metilació de l’ADN de Denisova 3 amb els de neandertals, cromanyons i ximpanzés, per tal d’identificar alteracions en la funcionalitat de gens entre aquests quatre llinatges. Concretament, Gokhman et al. volien identificar gens que haguessin perdut funció en el llinatge dels denisovans. Una vegada identificats aquests gens, calia estudiar en les bases de dades sobre humans moderns les conseqüències de la pèrdua de funció de cadascun d’ells. La precisió d’aquesta metodologia era paral·lelament comprovada en aplicar-la a neandertals i ximpanzés.

La reconstrucció del metiloma a partir de l’ADN antic

La seqüència d’ADN consisteix en la sèrie alternativa de bases en cada posició nucleotídica: guanines (G), citosines (C), timines (T) i adenines (A). La metilació d’ADN té lloc principalment en les citosines, donant lloc a metilcitosines (mC), i particularment en citosines que són seguides de guanines (CpG). Les metilcitosines es poden deduir en l’ADN antic pels patrons de dany en la molècula. El grup de recerca de Gokhman ha desenvolupat un mètode per reconstruir el metiloma d’ADN antic, i l’ha aplicat en Denisova 3, en dos neandertals (d’Altai i de Vindija) i en cinc cromanyons (de 45.000 a 7.500 anys d’antiguitat). En comparar aquests metilomes reconstruïts amb els metilomes d’os d’espècimens actuals d’humans (55 individus) i de ximpanzés (5 individus), el grup de Gokhman ha identificat les regions amb metilacions diferencials segons cadascun d’aquests llinatges d’hominins.

L’existència de metilació diferencial, però, no depèn exclusivament del llinatge. Altres factors, com l’edat o el sexe, hi poden participar. A més, poden haver-hi diferències segons els tipus d’os analitzat. En tot cas, Gokhman et al. se centren en les diferències per llinatge, i assumeixen que aquestes diferències reflecteixen canvis en els nivells d’activitat gènica, i que variacions en l’activitat gènica tenen un impacte fenotípic en la morfologia. Per fer-ho, van haver de descartar tots aquells gens que mostressin diferències de metilació en humans moderns pel que fa al tipus d’os, a l’edat, l’estat de salut o el sexe. Restringiren la seva anàlisi a metilacions diferencials que suposessin, si més no, un 50% de canvi entre llinatges, i que abastessin regions no pas menors a 50 posicions CpG.

Amb aquestes restriccions resulten 873 regions de metilació diferencial per als homes moderns, 939 per als homes arcaics (els ancestres comuns de neandertals i denisovans), 570 per als neandertals, 443 per als denisovans i 2031 per als ximpanzés.

Però quin efecte té la metilació en una seqüència genòmica? En general, la metilació de promotors de gens condueix a un silenciament de l’expressió d’aquest gen. És per això que Gokhman et al. es fixen únicament en les regions de metilació diferencial que afecten promotors de gens (entre 5 i 1 kb abans de l’inici de transcripció). Això redueix la llista a 154 regions d’humans moderns, 171 d’humans arcaics, 113 de neandertals, 55 de denisovans i 415 de ximpanzés. D’acord amb les bases de dades de Roadmap Epigenomics i de GTEx, la hipermetilació en aquestes regions produeix amb més d’un 90% de correlació un silenciament gènic. Val a dir, però, que Gokhman et al. també anoten l’especificitat de 5 regions en les que hi hauria una sobreexpressió associada a la hipermetilació.

Amb aquestes condicions, Gokhman et al. defineixen un seguit de gens diferencialment metilats entre els llinatges estudiats. D’acord amb la base de dades HPO, dedueixen l’efecte del silenciament de cadascun d’aquests gens. HPO es basa en els símptomes de 4000 trastorns humans monogènics.

D’aquesta manera, es dedueixen fenotips diferencials entre els llinatges. En alguns casos es tracta de fenotips direccionals, és a dir que varien en un eix unidimensional. Gokhman et al. se centren en aquests fenotips (uns 815 en la base de dades de HPO per a característiques esquelètiques), i descarten els fenotips no-direccionals, que són d’una natura més complexa.

La reconstrucció anatòmica basada en la metilació: el cas de neandertals i ximpanzés

Gokhman et al. comproven la seva estratègia en neandertals i ximpanzés. Com que d’aquests grups hi ha dades epigenètiques i anatòmiques, la prova serveix per valorar la precisió i la sensibilitat de la tècnica.

En els neandertals, amb aquesta tècnica prediuen 64 trets esquelètics diferencials respecte dels cromanyons. Les comparen amb 107 diferències esquelètiques conegudes, de les quals hi ha 75 que tenen un fenotip a la base de dades HPO. De les 64 prediccions, n’hi ha 53 que encerten (precisió sobre divergència del 82,8%). D’aquestes 53 trets, n’hi ha 33 que són unidireccionals, i el mètode encerta la direccionalitat en 39 d’ells (precisió sobre direccionalitat del 87,9%). Dels 75 trets divergents existents, el mètode identifica 62 (sensibilitat sobre divergència del 82,7%), i dels 46 trets divergents unidireccionals, el mètode identifica la direccionalitat correctament en 36 (sensibilitat sobre direccionalitat del 78,3%).

En els ximpanzés, el mètode prediu 42 trets que difereixen respecte dels humans moderns. D’aquests 42 trets, 38 coincideixen amb les dades anatòmiques (precisió de divergència del 90,5%). Dels 22 trets predits amb direccionalitat, 20 coincideixen amb les dades anatòmiques (precisió de direcció del 90,9%). La sensibilitat de divergència és del 61,4%, i la de direccionalitat de 71,9%.

La reconstrucció de l’anatomia dels denisovans

Gokhman et al. distingeixen entre els trets divergents entre denisovans i neandertals, d’una banda, i cromanyons, de l’altra, i els trets divergents que separen denisovan de neandertals. En total, identifiquen 56 trets en els que Denisova 3 difereix de cromanyons o de neandertals. D’aquests 56 trets, n’hi ha 32 unidireccionals. D’aquests 32 trets unidireccionals, 21 són compartits amb els neandertals: mandíbules robustes, crani baix, augment del creixement de la base cranial, front baix, esmalt dentari gruixut, pelvis àmplia, grans articulacions femorals, puntes amples dels dits, gran caixa toràcica.

Els altres 11 trets mostren divergències unidireccionals entre neandertals i denisovans. Els denisovans, en aquest sentit, presenten un arc dental elongat, un còndil mandibular allargat i expansió biparietal (augment de la distància entre els ossos parietals del crani). Els neandertals, d’altra banda, se separen alhora de denisovans i cromanyons en: ossos temporals del crani més amples en relació a la mandíbula anterior, pèrdua prematura de la dentició permanent.

Gokhman et al. examinen quatre prediccions que fan de la regió mandibular dels denisovans: 1) mandíbula anterior alta; 2) mandíbula anterior àmplia; 3) protrusió manibular; 3) arc dentral llarg. Aquestes prediccions coincideixen en part amb els tres l’única mandíbula atribuïda als denisovans mitjançant anàlisi genètica.

Els denisovans: origen i destí

Ja des de la seva descoberta, hom intuïa que els denisovans podrien haver estat un grup autòcton de l’Euràsia Oriental eventualment desplaçat, primer en part pels neandertals, i després ja pels cromanyons. La reconstrucció de Gokhman et al. coincideix força amb els trets descrits de fòssils xinesos del Pleistocè mitjà i tardà. La classificació d’aquests fòssils és difícil, però alguns d’ells, com el crani de Xuchang (de 100.000 a 130.000 anys d’antiguitat), tenen característiques properes als neandertals. Sense una anàlisi d’ADN antic és encara impossible d’assignar algunes d’aquestes restes als denisovans.

Disposar d’ADN antic denisovà d’altres individus ajudaria a fer més robusta la caracterització genètica i epigenètica d’aquest grup. Alhora, més restes identificades positivament amb denisovans completarien de manera més concloent les característiques anatòmiques, i esclaririen millor la classificació de les restes humanes de l’Àsia Oriental de fa 100.000-50.000 anys que ara romanen en l’aire. És clar que una descripció més precisa d’aquestes poblacions humanes arcaiques, farà aparèixer altres grups i subgrups humans que caldrà classificar al seu torn com ara es comença a fer amb els denisovans.

Lligams:

Reconstructing Denisovan Anatomy Using DNA Methylation Maps. David Gokhman, Nadav Mishol, Marc de Manuel, David de Juan, Jonathan Shuqrun, Eran Meshorer, Tomas Marques-Bonet, Yoel Rak, Liran Carmel. Cell 179: 180-192 (2019)

Publicat dins de 5. La Intel·ligència | Deixa un comentari

L’impacte de la cesària en la conformació de la microbiota del nounat

Microbiologia: En el coneixement de la rellevància fisiològica de la microbiota intestinal ocupà un paper clau l’estudi d’animals axènics, és a dir animals sense cap contingut notable de microorganismes colonitzadors. Per aconseguir aquests animals, calia extraure’ls de l’úter matern bo i procurant que no s’hi contaminessin dels microorganismes materns. És lògic que algú es demani fins a quin punt els parts per cesària influeixen en la conformació de la microbiota del nounat. Un grup d’investigadors coordinat per Trevor D. Lawley, del Host-Microbiota Interactions Laboratory del Wellcome Sanger Institute, i Nigel Field, del Institute for Global Health del University College London ha abordat aquesta qüestió i presenta els resultats de la seva recerca en un article a la revista Nature. En aquest article, Yan Shao et al. mostren que el naixement via cesària afecta la transmissió de soques maternes de Bacteroides. Paral·lelament, es produeix una colonització elevada de patògens oportunistes propis d’ambients hospitalaris (Enterococcus, Enterobacter, Klebsiella). Aquestes tendències, si bé en menor mesura, també s’observen en parts vaginals quan les mares són sota tractament antibiòtic, així com en nadons que des d’un bon principi no mamen del pit. Aquestes conclusions les basen en una anàlisi metagenòmica de 1679 mostres intestinals de nounats i infants corresponents a 596 individus nascuts en hospitals del Regne Unit. També han comparat, dins d’aquesta població, les mostres de 178 infants amb les de les 175 mares respectives. L’estudi també inclou el cultiu a gran escala i la seqüenciació genòmica completa de 800 soques bacterianes procedents d’aquesta població infantil, identificant-hi factors de virulència, resistències a fàrmacs antimicrobians, etc. És sobretot la colonització de nounats per part de patògens oportunistes amb gens de resistència el factor sobre el que més criden l’atenció els autors d’aquest estudi.

Un estudi metagenòmic

Aquesta recerca fou concebuda i dissenyada per Samuel C. Forster, Alison Rodger, Peter Brocklehurst, Nigel Field i Trevor D. Lawley. Forster i Lawley pertanyen al Host-Microbiota Interactions Laboratory de Hinxton. Rodger i Field són de l’Institute for Global Health de l’UCL. Brocklehurst és de la Birmingham Clinical Trials Unit de la University of Birmingham.

L’estudi pilot fou a càrrec de Forster, Evodkia Tsaliki, Nitin Kumar i Mark D. Stares, els quals dissenyaren els protocols de recol·lecció de dades i de processament, sota la supervisió de Field i Lawley. El recrutament de voluntàries fou gestionat per Tsaliki, Angela Strang, Nandi Simpson i Field, els quals coordinaren la recol·lecció de metadades clíniques. Els cultius bacterians i l’extracció d’ADN la realitzà Yan Shao, amb l’ajut de Stares. Shao generà i analitzà les dades, amb l’ajut de Kevin Vervier. Shao, Forster, Field i Lawley redactaren el manuscrit, que fou revisat pels altres autors, i tramès a la revista Nature el 4 de desembre del 2018. Després d’una revisió, l’article fou acceptat el 16 d’agost, i publicat el 18 de setembre.

La recerca fou finançada per Wellcome Trust i el Wellcome Sanger. Els autors tenen paraules d’agraïments per les famílies participants i per llesvadores, així com per als tècnics que processaren les mostres (N. Moreno, H. Ali, S. Bibi i A. Takyi).

L’estudi va rebre l’aprovació del Comitè Ètic de Recerca del NHS London. Els hospitals participants foren els de Barking, Havering, Redbrige, Leicester i Londres. El recrutament es realitzà entre el maig del 2014 i el desembre del 2017.

Dels infants participants es recollia, si més no, una mostra fecal durant els primers 21 dies de vida (principalment, els dies 4, 7 o 21). En alguns infants es recolliren mostres fecals en algun moment entre els 4 i els 12 mesos d’edat. D’algunes mares es recolliren mostres fecals abans o després del part, encara que també algunes llevadores recolliren mostres fecals maternes durant el part.

Les mostres fecals, en arribar al laboratori en el mateix dia de la recol·lecció, eren guardades en refrigeració, i processades en 2-3 dies. Algunes alíquotes es conservaren en el biobanc, i d’altres eren destinades a l’extracció d’ADN. Les mostres d’ADN eren analitzades en la plataforma HiSeq 2500 v4.

Algunes alíquotes del biobanc eren recuperades després per fer-hi cultius bacterians. De les colònies obtingudes, es feren seqüenciacions completes del genoma.

La recerca se centrava especialment en la detecció de gens de virulència i de resistència, i amb aquesta finalitat es feren servir diferents bases de dades (ABRicate, PRJNA313048, ARG-ANNOT, ResFinder).

Les dades genètiques generades en aquest estudi foren dipositades en el European Nucleotide Archive, en les entrades ERP115334 i ERP024601.

Dades de 596 nounats sans

El Baby Biome Study recrutà un total de 596 nounats sans, dels quals 314 nasqueren per part vaginal i 282 via cesària. Dels 596 nounats, en 302 es prengueren mostres en una etapa posterior (4-12 mesos). De 178 infants, s’inclogueren mostres de les seves mares (un total de 175 dones).

L’estudi contemplà l’anàlisi metagenòmica de 1.679 mostres fecals. L’heterogeneïtat dels resultats s’estructurava en les diferències inter-individuals i en la pròpia evolució de la microbiota durant les primeres setmanes de vida.

De totes les covariants clíniques analitzades, la més rellevant per a la composició de la microbiota fecal era si el part havia estat vaginal o per cesària. Eren menors els efectes de l’alletament matern, de l’ús perinatal d’antibiòtics o la durada de l’estada hospitalària.

L’efecte de la cesària en la microbiota neonatal arribava a un màxim als 4 dies del naixement, i si bé després es disminuïa no arribava a desaparèixer del tot en les mostres preses als 4-12 mesos de vida.

En termes generals, els nounats procedents de parts vaginals presentaven una major presència d’espècies de Bifidobacterium, Escherichia, Bacteroides i Parabacteroides. Aquests gèneres comensals constitueixen més de dues terceres parts de la microbiota neonatal.

En els nounats per cesària dominaven espècies com Enterococcus fecalis, Enterococcus faecium, Staphyolococcus epidermis, Streptococcus parasanguinis, Klebsiella oxytoca, Klebsiella pneumoniae, Enterobacter cloacae o Clostridium perfringens, que arribaven a suposar dos terços de la microbiota fecal. Moltes d’aquestes espècies s’associen particularment a l’ambient hospitalari, i són també típiques de la microbiota de nounats prematurs durant el seu període d’hospitalització.

Dels nounats per cesària, un 83,7% presentaven espècies patògens oportunistes, mentre que aquesta proporció es reduïa a un 49,4% entre els nounats per part vaginal. Aquesta disparitat persistia fins i tot quan es comparaven infants de 4-12 mesos, si bé ja no d’una manera tan marcada.

Shao et al. cultivaren 836 soques de patògens oportunistes procedents de mostres fecals de 177 dels infants d’aquest estudi (70 de part vaginal i 107 de cesària) i de 38 de les mares. Feren també seqüenciacions genòmiques completes de 356 soques d’E. faecalis, de 52 de E. cloacae, de 150 de K. oxytoca i de 78 de K. pneumoniaea. D’això en resulta un retrat filogenètic d’aquests bacteris, així com de la seva perillositat d’acord amb els factors genètics de virulència i de resistència a antibiòtics.

Shao et al. pensen que la principal raó de la diferència entre les microbiotes de nounats per part vaginal i per cesària rau que en els primers hi ha una major transmissió de Bacteroides procedents de la mare. Els autors són conscients que per tal de valorar les conseqüències clíniques d’aquestes observacions seran necessaris estudis de cohort a més gran escala i a més llarg termini.

Lligams:

Stunted microbiota and opportunistic pathogen colonization in caesarean-section birth. Yan Shao, Samuel C. Forster, Evdokia Tsaliki, Kevin Vervier, Angela Strang, Nandi Simpson, Nitin Kumar, Mark D. Stares, Alison Rodger, Peter Brocklehurst, Nigel Field & Trevor D. Lawley. Nature 10.1038/s41586-019-1560-1

Publicat dins de 3. La Vida | Deixa un comentari

C/2019 Q4: el cometa molt hiperbòlic de Borisov

Cometografia: La tardor del 2017, vam comentar en aquestes pàgines la detecció de 1I/‘Oumuamua, considerat el primer asteroide extrasolar detectat com a tal. El caràcter extrasolar era deduït per la seva trajectòria hiperbòlica, encara que a dir veritat ja prèviament s’havien detectar planetes menors amb trajectòries hiperbòliques, com C/1980 E1, que presentava una el·lipticitat de 1,057. De tota manera, hom calcula que C/1980 E1 segueix un període orbital de 7,1 milions d’anys, de manera que no entra en la categoria de cometes extrasolars. Si filem prim, tampoc no hi entra ‘Oumuamua, que tot i ésser catalogat com a C/2017 U1 (PANSTARRS) no és pròpiament un cometa. Sí que seria un cometa extrasolar C/2019 Q4 (Borisov). Aquest astre, descobert per Gennadi Borisov el 30 d’agost del 2019 a l’observatori MARGO de Nautxnij, a Crimea, ha suscitat interès perquè assenyalaria com els objectes extrasolars no serien pas una raresa. La disponibilitat d’instrumentals i de tècniques d’anàlisi més potents farà que de ben segur se’n detectin més en els propers anys.

Posició del cometa C/2019 Q4 (Borisov) el 14 de setembre. Segueix una trajectòria hiperbòlica, amb una excentricitat de vora 3, amb una velocitat final de 34 km/s respecte del Sol. Cal pensar, doncs, que és un objecte extrasolar. Assolirà el periheli vora el 7 de desembre del 2019, sense arribar a creuar l’òrbita de Mart. Seguirà després el seu curs fins a abandonar eventualment el Sistema Solar, del qual, a dreta llei, no haurà format part.

La descoberta del cometa C/2019 Q4 per Gennadi Borisov

Генна́дий Влади́мирович Бори́сов (*1962) és un enginyer de telescopis de l’Institut Astronòmic Sternberg. Viu i treballa a Nautxnij, seu de l’Observatori Astrofísic de Crimea, i compagina aquesta feina amb la vocació d’astrònom aficionat amb els seus telescopis personals GENON i GENON Max, situats a l’observatori MARGO. La nit del 29 al 30 d’agost, amb el seu telescopi de 0,65 metres d’obertura, detectà un objecte amb moviment propi en la zona on limiten les constel·lacions de Perseu i de Cassiopea. La direcció del moviment no era del tot coincident amb els asteroides del cinyell de Piazzi (que són el 92% dels 800.000 objectes coneguts en òrbita heliocèntrica). Després de mesurar-ne les coordenades, Borisov consultà la base de dades de Minor Planet Center (MPC), sense trobar-hi cap referència, de la qual cosa deduí que es tractava d’un nou objecte.

Borisov, amb les dades que tenia, calculà la puntuació de l’objecte en l’escala NEO, que avalua fins a quin punt se’l pot considerar un “objecte proper a l’òrbita de la Terra” (NEO). L’objecte tenia una puntuació del 100% en aquesta escala, de forma que Borisov publicà les dades en la pàgina de confirmació de NEOs. En aquest punt, Borisov també comunicava que l’objecte era difús i no puntual, de forma que es tractaria d’un cometa i no d’un asteroide. Dit d’una altra manera, allò que s’observava no era el petit planeta pròpiament, sinó la cabellera o halo format al voltant del nucli sòlid.

No és el primer cometa que descobreix Borisov. En el 2013, en descobrí dos, un de llarg període (C/2013 N4) i un de trajectòria hiperbòlica (C/2013 V2). En el 2014, uns altres dos, un de gairebé parabòlic (C/2014 R1) i un altre de tipus Halley (C/2014 Q3). El 2015, un de període llarg (C/2015 D4). El 2016, un altre de període llarg (C/2016 R3), i el 2017 un d’hiperbòlic (C/2017 E1). Són vuit en total. A més, també ha descobert diversos asteroides propers a l’òrbita de la Terra.

L’era dels caçadors individuals de cometes, opina Borisov, arriba a la fi. Si en el 2013, set astrònoms aficionats van descobrir cometes, en el 2016 tan sols ell en va poder descobrir un. No és que no es facin descobertes de nous cometes, sinó que les fan grans telescopis especialitzats, i així els cometes ara sovint són designats com a PANSTARSS o d’altres noms de projectes col·lectius. C/2019 Q4 ha estat una de les darreres excepcions a aquesta tendència.

El seguiment del cometa C/2019 Q4

El cometa detectat per Borisov el 30 d’agost del 2019, ingressà a la llista de NEOCP (pàgina de confirmació d’objectes propers a la Terra) en l’entrada gb00234. Els primers càlculs de la trajectòria indicaven una distància al Sol de 1,4 UA, i una possible òrbita el·líptica amb afeli situat a 1,6 UA. En el moment de la descoberta, el cometa tenia una elongació solar de 38°.

En pocs dies, però, les incertes es reduïen, i la posició i trajectòria es podien calcular amb més precisió. L’objecte era més allunyat del que no pas es pensava, amb una distància al Sol de 3 UA (i de 3,8 UA respecte de la Terra). La trajectòria no era pas el·líptica, sinó hiperbòlica, de fet molt hiperbòlica (excentricitat de 2,9-4,5). La velocitat d’excés hiperbòlica fou calculada en 34 km/s, és a dir que no orbita al voltant del Sol. És, doncs, un objecte d’origen extrasolar, i de destí també extrasolar, car seguirà el seu curs hiperbòlic per allunyar-se de nou del nostre Sistema Solar.

Després de 13 dies d’observacions, la trajectòria hiperbòlica era confirmada, amb una excentricitat de 3,5. Hom calculava que arribaria al periheli (la distància mínima al Sol) vora el proper 7 de desembre, quan s’hi trobaria a 2,0 UA.

El seu origen extrasolar encaixaria amb el fet que hagués estat descobert en una zona del cel propera al pla galàctic. Al mateix temps, seguia una forta inclinació respecte del pla general del Sistema Solar (44°).

El 13 de setembre, des del Gran Telescopio de Canarias s’obtingué l’espectre de la llum visible de C/2019 Q4 (Borisov). Les dades indicaven un espectre típic de nucli cometari. Com que és el primer cometa extrasolar del qui tenim notícia, De León et al. deduïen que “els cometes formats en altres estels poden presentar una composició semblant als formats en el Sistema Solar, i així serien produïts probablement per processos semblants”.

Una proposa de missió de la Initiative for Interstellar Studies

Adam Hibberd, Nikolaos Perakis i Andreas M. Hein, de la Initiative for Interstellar Studies (I4IS) escrivien la setmana passada sobre l’enviament d’una sonda per explorar el C/2019 Q4. Calculen que per al 2030, s’hi podria utilitzar el Space Launch System, per enviar-hi una sonda de tipus CubeSat, de 3 kg de massa. Aquesta missió arribaria a C/2019 Q4 en el 2045.

Per a I4IS, l’objectiu és arribar en el seu moment a enviar sondes interestel·lars (no hi compten les sondes com Pioneer 10 i 11, Voyager 1 i 2, i New Horizons que eventualment abandonaran el nostre Sistema Solar). De moment, però, sondes que interceptin asteroides o cometes d’origen extrasolar podrien ajudar a estudiar de manera indirecta altres sistemes planetaris.

Lligams:

– Circular MPEC 2019-R106, de l’11 de setembre del 2019 sobre el cometa C/2019 Q4 (Borisov).

Pàgina de C/2019 Q4 (Borisov) al JPL Small-Body Database

Interstellar Visitors: A Physical Characterization of Comet C/2019 Q4 (Borisov) with OSIRIS at the 10.4 m GTC. Julia de León, Javier Licandro, Miquel Serra-Ricart, Antonio Cabrera-Lavers, Joan Font Serra, Riccardo Scarpa, Carlos de la Fuente Marcos, Raúl de la Fuente Marcos.

Publicat dins de 1. L'Univers | Deixa un comentari