L’article de Herwig Czech sobre l’higienisme racial de Hans Asperger

En una cohort de 200 infants, el pediatra vienès Hans Asperger (1906-1980) relatava a “Psicopatia autística en la infantesa”, article del 1944, quatre casos d’infants que presentaven dificultats d’integració social alhora que una intel·ligència normal. Aquests quatre infants mancaven de destresa comunicativa, d’empatia i d’habilitat física. Definí doncs a partir d’aquests casos una “psicopatia autística”, caracteritzada per l’aïllament social, una comunicació verbal distanciada o marcadament formal, i amb una tendència al monotematisme. Asperger contrastava aquesta “psicopatia autística” amb l’autisme en general. Per Asperger, les persones autístiques havien de tindre el seu lloc en l’organisme de la comunitat social. “Acompleixen el llur paper bé, potser millor que ningú altre, i parlem de gent que, quan són infants, tenen les dificultats més grans i provoquen preocupacions inefables als qui se’n cuiden”. Asperger continuava: “en la majoria de casos els aspectes positius de l’autisme no superen els aspectes negatius”. En la psicopatia autística, si més no en alguns casos, els “aspectes positius” sí semblaven prevaldre, especialment ja en l’edat adulta. La síndrome descrita per Asperger el 1944 ja la trobem descrita en l’obra de Grunya Sukhareva (1925) i de Leo Kanner (1943), però la descripció d’Asperger fou la que més va prendre. Així Gerhard Bosch va emprar en els anys 1960 l’expressió “síndrome d’Asperger” per referir-se als autistes d’intel·ligència normal, expressió que seria consolidada el 1981 per Lorna Wing (1928-2014). Així en el DSM-5 hom parla d’espectre autista per referir-se globalment a les categories anteriorment diagnosticades com a autisme, síndrome d’Asperger, etc., i que són enteses com malalties del neurodesenvolupament caracteritzades per problemes de comunicació i interacció socials, i per patrons repetitius de comportament, interessos o activitats. Hom estima que l’1% de la població mundial entra dins de l’espectre autista, i que aquesta prevalença és superior en homes que en dones. El nom de Hans Asperger s’associa, doncs, a la síndrome epònima, que és considerada com la forma més lleu o menys disfuncional de l’espectre autista. Potser per això ha tingut tant de ressò en les darreres hores la publicació a la revista Molecular Autism, d’un article del bioètic Herwig Czech, de la Universitat Mèdica de Viena, titulat “Hans Asperger, nacional-socialisme i la ‘higiene racial’ a la Viena de l’era Nazi”.

Hans Asperger visitant un pacient a la Clínica Pediàtrica de la Universitat de Viena en 1940

Herwig Czech

Existeixen diversos tests diagnòstics per detectar els símptomes de l’autisme i del seu espectre. L’epidemiologia ha identificat factors de risc de caire genètic. Però la causa neurològica de l’espectre autista és encara desconeguda. L’aplicació de la biologia molecular potser més ha fet per copsar-ne la complexitat que per oferir respostes senzilles. Potser per això, la revista “Molecular Autism” fa temps que encoratja una recerca més integrada, que contempli diferents nivells (molecular, cel·lular o neuronal, organogràfic, individual i poblacional) i diferents aproximacions (“cervell, cognició i comportament”).

Herwig Czech

Herwig Czech estudià medicina a la KFU Graz entre el 1993 i 1995, però orientà després els seus estudis cap a la història de la medicina. Es doctorà a la Universitat de Viena el novembre del 2007 amb la tesi “Ärzte am Volkskörper. Die Wiene Medizin und der National-sozialismus”. Ha estat professor a l’Institut für Geschichte der Universität Wien (2004), a la Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu (2008) i a la Newcastle University (2010). S’habilità el 2014 amb un projecte sobre les conseqüències del nacional-socialisme en la població de Viena en termes de sanitat, malaltia i mortalitat. Actualment és docent i investigador sobre història de la medicina a la Medizinischen Universität Wien.

El 28 de febrer del 2017, trameté aquest article sobre Hans Asperger a la revista Molecular Autism. Seguí un llarg procés de revisió que no conclogué fins el 20 de març del 2018. Els responsables de la revista, Simon Baron-Cohen, Ami Klin, Steve Silberman i Joseph D. Buxbaum decidiren dedicar un article editorial a aquest tema.

Les raons de Molecular Autism

No es tracta de dir que Asperger col·laborà amb els nazis, cosa ja sabuda, sinó d’endinsar-se en el seu paper actiu en el programa eugenèsic, que incloïa l’eutanàsia involuntària d’infants discapacitats. És per això, que la revista ha inclòs un article editorial. L’article el signen els editors en cap de la revista, Simon Baron-Cohen i Joseph D. Buxbaum. Baron-Cohen fou l’editor responsable de la revisió de l’article. Els revisors, de fet, foren Steve Silberman i Ami Klin, que han signat també l’article editorial. Aquest editorial insisteix en la rellevància de la història de la medicina per a la revista, i que cap visió integrativa de l’autisme no seria completa si, a banda dels aspectes moleculars, neurològics, psicològics o clínics, no es tenen també presents els aspectes socials. Els editors, en aquest sentit, mostren el seu suport a l’article de Czech. També esmenten el llibre “Asperger’s Children: The origins of autism in Nazi Vienna“, d’Edith Sheffer, en el qual també es conclou la participació activa d’Asperger, des de la clínica d’Am Spiegelgrund, al programa d’higiene racial de les autoritats alemanyes.

Asperger assumia que la inconformitat social de molts infants era determinada genèticament, com també ho seria tota una sèrie de defectes físics i psicològics. Els infants eren morts amb injeccions letals o se’ls deixava morir de gana, si bé es consignava com a causa de mort la pneumònia.

Asperger compartia la cosmovisió col·lectivista de la medicina i de la psiquiatria. L’arianització de la Universitat de Viena arran de l’Anschluss (1938), comportà el cessament de més de la meitat dels professors de l’Escola de Medicina. Entre els cessants hi havia nombrosos metges jueus. Personal jueu de la clínica pediàtrica, com el metge Georg Frankl o la psicòloga Anni Weiss, havien emigrat a Amèrica fins i tot abans de l’Anschluss, ostensiblement per la manca d’oportunitats de promoció. Des de fa uns anys, Steve Silberman i John Elder Robinson han considerat que Asperger s’aprofità dels treballs previs de Frankl i Weiss.

L’editorial de Molecular Autism també mostra comprensió per Lorna Wing, qui fou qui popularitzà en la literatura internacional el nosònim de “síndrome d’Asperger”. Al capdavall, denominar malalties amb noms de metges sempre és un exercici un punt arbitrari, ja que la ciència avança de manera col·lectiva i paral·lela. En els darrers anys, però, hom ha debatut amb intensitat les relacions d’Asperger amb el nazisme. En termes generals, Asperger no publicità gaire les seves simpaties o el seu compromís amb la higiene racial. Així que no li manquen encara defensors que sostenen que va sacrificar infants per salvar-ne d’altres.

En un corrent més profund, els vincles d’Asperger amb la ideologia i la pràctica del nacional-socialisme fan qüestionar la mateixa construcció de la “psicopatia autística”. Wing defensà el nom de “síndrome d’Asperger” per evitar l’expressió “psicopatia autística”, però qui sap quina és pitjor. La tendència actual de parlar, senzillament, d’autisme o d’espectre autista pot contribuir a arraconar l’expressió, però en la cultura popular el nom d’asperger associat a l’autisme d’alta funcionalitat ha pres força. El fet que el mateix Asperger, de nen, tingués alguna característica autística ha enfortit aquesta associació.

L’arxiu personal de Hans Asperger

Àustria s’incorporà al Reich alemany el 1938. Aquell mateix anys comencen formalment els estudis de Hans Asperger sobre un grup d’infants que ell qualificava de “psicòpates autistes”. El terme “autisme” havia estat introduït per Eugen Bleuler el 1910 en el marc del seu treball sobre el símptomes definidors de l’esquizofrènia. Bleuler utilitzava “autisme” per referir-se a l’auto-admiració mòrbida, en el sentit de “retir autístic del pacient envers les seves fantasies, contra les quals qualsevol influència exterior esdevé un pertorbació intolerable”. En la reformulació d’Asperger l’autisme perd la noció d’auto-admiració però reté la del retraïment. De totes maneres, la divulgació del terme “autisme” en la literatura mèdica cal atribuir-la als treballs de Leo Kanner al Johns Hopkins Hospital a partir del 1943 (el “cas 1” de Kanner, de fet, havia estat diagnosticat el 1938).

Fos com fos, el treball d’Asperger sobre la “psicopatia autística” fou presentat a la Universitat de Viena el 1942 com a tesi postdoctoral. El treball fou publicat el 1944, però no fou conegut de manera internacional fins el anys 1980, gràcies a la divulgació de Lorna Wing. Ja en els anys 1980, algú va posar objeccions d’emprar una obra escrita a la Viena nacional-socialista per a denominar aquesta síndrome. El perfil baix que Asperger havia mantingut pel que fa a l’expressió política va fer que alguns el consideressin apolític, i encara uns altres que assumissin que fou un actiu oponent al nacional-socialisme. Com que el mateix Asperger s’havia mort el 1980, fou aliè a aquests debats.

Herwig Czech considera que la visió d’Asperger com a “neutral” o com a “antinazi” es fonamenta en declaracions fetes per Asperger després de la guerra o en passatges isolats de la seva obra. Així, Czech ha consultat un gran nombre de publicacions contemporànies, però també documents inèdits i inexplorats, començant pels arxius personals d’Asperger i els historials clínics dels seus pacients.

Czech conclou que Asperger s’acomodà al règim nazi (1938-1945) i n’afirmà la lleialtat fins al punt d’ésser recompensat en la promoció de la seva carrera. És cert que mai no fou membre de l’NSDAP, però sí s’afilià a organitzacions associades. Públicament defensà les polítiques d’higiene racial, incloent-hi les esterilitzacions forçoses. Cooperà activament en el programa d’eutanàsia infantil. La manera com descriu els pacients sona dura fins i tot comparant-ho amb els textos escrits per personal actiu en el programa eutanàsic, i no hi ha indicis que intentés protegir pacients infantils contra aquest programa. Per Czech, “l’ús futur de l’epònim hauria de reflectir el context problemàtic dels seus orígens a la Viena de l’època nazi“.

Asperger abans del 1938

Asperger arribà a la Heilpädagogische Station el 1931. Aquest centre, associat a la Clínica Infantil de la Universitat de Viena i a l’hospital general de la ciutat, havia estat establert vint anys enrere per Erwin Lazar (1874-1932). Per Lazar, la pedagogia terapèutica era una evolució de la psiquiatria. A mitjan dels anys 1920, aquest centre rebia uns 5.000 pacients anuals, la immensa majoria pacients externs. Durant molts anys n’havia estat director Clemens von Pirquet (1874-1929), que fou succeït per Franz Hamburguer (1874-1954). Asperger era inicialment metge auxiliar (Hilfsarzt), però el 1935, ja com a ajudant, assumí la direcció de l’estació. Asperger no tenia formació com a pediatra especialista. El 1934 publicà un article sobre l’enuresi a la revista Arch. Kinderheilkd. La promoció d’Asperger hauria estat facilitada pel bandejament de dones jueves com Anni Weiss i Valerie Bruck en el marc del règim que ara denominem com a “austrofeixisme” (1933-38). A petita escala, aquesta política havia estat aplicada per Hamburger.

Les polítiques antisemites, però, no esdevingueren matèria legal fins el 1938, amb l’Anschluss. Les Lleis de Nuremberg afectaren al 65% dels metges vienesos i, dins d’aquests, al 70% de pediatres. Però la Clínica Infantil d’Hamburger ja era “lliure de pediatres jueus” en aquell moment. En comparació amb els seus col·legues de la Clínica, Asperger podia passar com a apolítica, i és veritat que en la desnazificació del 1945 fou l’únic entre els habilitats que no fou destituït. Sembla que el motiu pel qual Asperger no s’adherí a l’NSDAP fou el fet de no compartir el pangermanisme völkisch. De jove, Asperger havia estat membre de Bund Neuland, una organització catòlica que es definia com a cristiana, catòlica i pangermànica. Així doncs, Asperger era d’un pangermanisme catòlic, humanista i elitista. El 1932 havia entrat en la Deutscher Schulverein Südmark.

La trajectòria política després de l’Anschluss

Czech resegueix aquesta trajectòria prescindint de les declaracions posteriors d’Asperger. Asperger mai no arribà a unir-se a l’NSDAP. Sí ho va fer al Deutsche Arbeitsfront (abril del 1938) i a la Nationalsozialistische Volkswohlfahrt (maig del 1938). El juny del 1938 presentà la sol·licitud d’ingrés a la Nationalsozialistischer Deutscher Ärztebund, que aconseguí. Cal pensar que aquestes adhesions era senzillament obligatòries si volia continuar la seva carrera. La clau era que mantenia la confiança d’Hamburger.

El 22 de març del 1938, Asperger havia diagnosticat un infant jueu de 13 anys, Alfred S., com a “psicòpata autístic”. En el seu report, Asperger el considera amb capacitats intel·lectuals “per damunt dela mitjana en certs respectes” i recomana que sigui confiat a una llar adoptiva jueva (Alfred S. fins llavors havia estat acollit en una llar no-jueva).

Czech també segueix la relació d’Asperger amb un altre jove pacient jueu, Walter Brucker, ingressat a la clínica el 14 de març del 1938. Asperger el diagnosticà de “psicopatia severa, amb una sensibilitat particular i una irritabilitat paranoide”.

En termes generals, els reports escrits no indiquen que Asperger tingué cap animositat personal envers els jueus. No obstant, el novembre del 1940, en tractar un noi jueu d’11 anys, Ivo P., sosté que “no és constitutivament dissocial” sinó que “l’únic problema és que aquest noi és un Mischling de primer grau”. Czech troba exemples d’estereotips jueus en els papers d’Asperger, que parla “d’aparença jueva”, de “caràcter jueu”.

Asperger i la higiene racial

L’aportació de Czech se centra en la qüestió de la higiene racial en el sentit eugènic del terme. Asperger sostenia que els metges tenia una responsabilitat en la prevenció de la transmissió de material hereditari malalt i en la promoció de la salut hereditària. Posa especial ènfasi en els infants amb “debilitat mental”. És cert que aquesta attitud era ben estesa, i no únicament a l’Alemanya nazi. També és cert que Asperger, a diferència d’altres col·legues, sembla centrar-se més en les habilitats dels infants més que no pas en els defectes, i en valorar una diversitat funcional que al capdavall lligava amb el seu concepte elitista i classista de la societat. Conserva la convicció en la capacitat de la pedagogia terapèutica per convertir nens psicològicament malalts en adults útils per a la societat.

L’aspecte més controvertit es troba en les instal·lacions d’Am Spiegelgrund, dirigides per Erwin Jekelius. Sota Jekelius aquest centre aplegava a infants que no complien els criteris de “valor hereditari” o de “puresa racial”. Entre el 1940 i el 1945, gairebé 800 infants moriren a Am Spiegelgrund, molts d’ells enverinats. Asperger, el 27 de juny del 1941, envià Herta Schreiber, nena de menys de tres anys, la petita de nou germans, a Am Spiegelgrund amb el diagnòstic de “severa alteració de la personalitat, amb retard motor”: el criteri principal era alleugerir a la mare, llavors amb cinc infants sans a casa. Schreiber moriria tres mesos després del seu ingrés a Am Spiegelgrund.

La maquinària de l’eutanàsia infantil funcionava de manera secreta. El programa rebia l’eufemisme de Comitè del Reich per al Registre Científic de Malalties Hereditàries i Congènites Serioses. La mort de Schreiber es registra com a pneumònia. Però el terme mateix de pneumònia és utilitzat com a causa de mort en l’eutanàsia induïda a través de l’administració continuada de barbitúrics.

L’article de Czech repassa altres casos on infants acabaren a Am Spiegelgrund després d’una recomanació d’Asperger.

Asperger després de la guerra

El 1943, a 37 anys, Asperger s’enrola en la Wehrmacht. Fou destinat a Vienna, on féu la instrucció, i després a Brno. El desembre del 1943, adscrit a la 392a Divisió d’Infanteria fou destinat a Croàcia en tasques de “protecció” dels territoris ocupats en la lluita contra els partisans.

Acabada la guerra, Asperger tornà a la Clínica Pediàtrica. L’1 de setembre del 1945 sol·licita la confirmació de l’habilitació obtinguda el 1943, exigència derivada de la “desnazificació”. Asperger, que no fou membre de l’NSDAP, fou l’únic que va rebre la confirmació sol·licitada. Així que continuà com a cap de la Heilpädagogik. El juliol del 1946, a més, assumí la direcció provisional de la Clínica Pediàtrica, que conservà fins al nomenament d’un director titular el maig el 1945. El 1957, Asperger deixà Viena per ocupar la direcció de la Clínica Pediàtria Universitària d’Innsbruck. El 1962, passà a presidir la Clínica Pediàtrica de Viena.

Czech fa un repàs de les consideracions d’Asperger en les dècades de postguerra. Tota referència a l’eugenèsia desapareix, però conserva la seva idea del caràcter constitutiu de les alteracions psiquiàtries, que no caldria explicar a través de traumes ni de condicionats socials externs.

Lligams:

Hans Asperger, National Socialism, and “race hygiene” in Nazi-era Vienna. Herwig Czech. Molecular Autism 9: 29 (2018).

Did Hans Asperger actively assist the Nazi euthanasia program. Simon Baron-Cohen, Ami Klin, Steve Silberman, and Joseph D. Buxbaum. Molecular Autism 9: 28 (2018).

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

La hipòtesi siluriana: una paleocivilització industrial a la Terra

“Estem sols en l’univers?”. Aquesta qüestió, presentada com una de les qüestions fonamentals, de la vida, de l’univers i de tot, requereix d’entrada tres definicions. 1) Qui som nosaltres?. 2) Què vol dir sols?. 3) Què vol dir univers? Per simplificar caldrà entendre l’univers com el conjunt de totes les coses, en el sentit més omniversal del terme. Així entès, la soledat vol dir ésser l’únic exemple de “nosaltres” de l’univers. I ara ve doncs el nucli de la qüestió, la definició de “nosaltres”. Nosaltres som una civilització tecnològica, de manera que la qüestió es presenta com “som l’única civilització tecnològica de l’univers?”. Així formulada, en present d’indicatiu, la qüestió ofereix un problema no menor, i és que l’univers és molt gran. La velocitat finita de la llum, associada a la teoria especial de la relativitat, posa greument en qüestió el concepte de simultaneïtat, que és tan evident a nivell “local”. Si poguessim detectar megastructures artificials en una galàxia situada a 136 megaparsecs, diríem: “goita, una civilització tecnològica immensament superior a la nostra, no som pas sols a l’univers”. Però, és clar, que 136 megaparsecs de distància indiquen que allò que veiem en aquella galàxia és allò que era fa 444 milions d’anys. Revisar galàxies a la cerca de megacivilitzacions és fonamentalment mirar al passat. Si entenem el present com un present universalitzador, que inclou el passat i el futur, i que vol respondre la qüestió i no pas contactar amb civilitzacions en actiu, potser això no ens hauria de preocupar. La recerca sobre exocivilitzacions, però, sol cercar nivells tecnològics més modestos, més semblants al nostre. Si d’això es tracta, però, apareix una qüestió. Qui ens diu que nosaltres com la primera civilització tecnològica del planeta Terra? El registre fòssil, respondríem. Però el registre fòssil per força és incomplet, i encara més ho és si atenem a les limitacions de la nostra ciència paleontològica. Gavin A. Schmidt i Adam Frank han posat nom a la hipòtesi d’una paleocivilització industrial en el nostre planeta. Li diuen “hipòtesi siluriana”, en referència a un període geològic de 443,7 a 419,2 milions d’anys d’antiguitat. Gavin A. Schmidt és investigador del NASA Goddard Institute for Space Studies, i Adam Frank ho és del Department of Physics and Astronomy de la Universitat de Rochester. En un article al International Journal of Astrobiology examinen aquesta hipòtesi, no pas perquè hi tinguin proves de la seva veracitat sinó per examinar quina petjada hauria deixat una civilització pretèrita en el registre geològic.

En aquesta roca a l’illa de Hovedøya, s’observa la transició de la capa grisa formada en l’ordovícic a la cap bruna formada en el silurià. Aquesta transició es produí fa 443,7 milions d’anys, i comportà l’extinció de vora el 60% de les espècies marines

La hipòtesi siluriana i la petjada de l’antropocè

La hipòtesi siluriana és, alhora, doncs, una projecció de la nostra pròpia petjada com a civilització industrial en el registre geològic del futur. La nostra civilització industrial marca el nostre present planetari fins el punt que hi ha qui parla d’antropocè, com si fos un nou període geològic de la Terra. Així doncs, es tracta d’imaginar-se una civilització industrial en el silurià o en un altre període geològic pretèrit i demanar-se quines traces hauria deixat en el registre geològic del present. Dit d’una altra manera, es tracta de saber si l’impacte actual de l’antropocè en el clima global pot deixar unes petjades en el registre paleoclimatològic del futur que siguin diferenciables d’altres processos de canvi climàtic d’origen “natural” (és a dir, no provocats per una civilització industrial).

Schmidt i Frank defineixen “civilització industrial” com aquella que té la capacitat d’utilitzar fonts energètiques externes a escala global. Consideren que la nostra civilització industrial apareix com a tal fa 300 anys, amb l’arrencada dels mètodes de producció de masses. Aquests tres segles no són gaire si compten els cinc mil·lennis d’història escrita (6%), els dos milions d’anys d’existència del gènere Homo (150 ppm), o els 400 milions d’anys d’existència de vida complexa damunt de la superfície emergida de la Terra (0,75 ppm). Fins ara no tenim cap indici sobre civilitzacions industrials pretèrites a la Terra. La “hipòtesi siluriana” és la suposició que sí que n’hi ha hagut, si més no alguna. Schmidt i Frank parlen del silurià perquè és en aquest període quan apareixen en les superfícies continentals les primeres plantes vasculars (Cooksonia, Baragwanathia, Psylophyta) i els primers miriàpodes.

Una civilització industrial és el resultat d’un procés complex, que arrenca amb la formació d’estels, i segueix amb la formació d’un planeta, l’habitabilitat d’aquest planeta, l’aparició de vida, l’evolució de formes de vida intel·ligent i el desenvolupament d’una civilització a partir d’aquesta vida intel·ligent. Vist així sembla una cursa d’obstacles. Tots els organismes biològics coneguts a la Terra poden explicar-se a través d’un ancestre comú. Pel que fa a formes de vida intel·ligent, s’han assenyalat les capacitats cognitives dels homínids, dels còrvids, del psitaciformes, dels octòpodes, etc. Però sols en el cas humà aquesta vida intel·ligent s’ha desenvolupat en una civilització industrial, i tan sols ho ha fet de manera recent.

La incompletitud del registre geològic

Com més retrocedim en el passat geològic més escasses són les restes que ens queden. De tota la superfície continental, els terrenys més antics de gran escala no tenen més de 2 milions d’anys. És clar que hi ha formacions terciàries, secundàries i primàries, però aquestes es troben de manera més puntual, i d’ací la necessitat d’excavacions en els treballs de paleontologia. En el cas de les superfícies oceàniques, la cosa és encara més dramàtica, ja que els sediments oceànics més antics existents no tenen més de 170 milions d’anys.

La tafonomia, la ciència del procés de fossilització, ja accepta d’entrada que la fracció d’organismes que arriba a fossilitzar-se és extremadament petita. Ho és menys encara per als organismes sense parts dures (ossos, closques, etc.), o pels organismes tropicals, o pels organismes d’ecosistemes forestals. Anomenem el mesozoic com l’era dels dinosaures, i tanmateix el nombre total d’espècimens complets o gairebé complets d’esquelets de dinosaures és d’uns pocs milers.

En el cas humà, el registre arqueològic complementa les mancances del registre paleontològic, en incorporar-hi artefactes que ens informen de la cultura material del passat. Però el registre arqueològic també és molt incomplet. Si pensem en termes d’arqueologia urbana, cal pensar que la taxa actual d’urbanització de la superfície terrestre no arriba a l’1%, i que en èpoques passades la xifra era encara molt inferior.

L’impacte en el registre fòssil de la nostra petjada de carboni

S’estima en 5·1014 kg C la petjada de la civilització industrial humana des del segle XVIII com a conseqüència del consum de combustibles fòssils (carbó, petroli, gas natural). A aquesta petjada caldria afegir els efectes de la deforestació i de la crema de biomassa.

D’altra banda, la introducció del procés Haber-Bosch per a l’obtenció de fertilitzants nitrogenats artificials ha tingut un impacte en el cicle del nitrogen.

Aquests impactes en els cicles biogeoquímics lligats a la producció industrial deixen una petjada en forma de la distribució isotòpica del carboni, del nitrogen i de l’oxigen.

Però els impactes de la civilització industrial humana també poden registrar-se en:
– el registre sedimentològic, amb canvis quantitatius i qualitatius, del sediments que els rius transporten cap als oceans. Cal esmentar els fluxos antropogènics de plom, crom, antimoni, reni, or i d’altres metalls del grup del platí o de les terres rares.
– radiacions i extincions faunístiques. Hom parla d’una extinció massiva associada a l’antropocè, però alhora algunes espècies (gats, rates, ratolins) es troben en una expansió associada a la civilització humana.
– xenobiòtics. La indústria química ha generat tota una plèade de substàncies que no existeixen en condicions naturals.
– plàstics. La producció mundial de plàstics s’ha accelerat des dels anys 1950, i la seva presència en els sediments podria ser un indicador de l’època actual.
– elements transurànics, particularment de plutoni-244 i de curi-247.

Schmidt i Frank consideren doncs que l’antropocè quedarà en el registre fòssil format pels sediments oceànics com una capa “abrupta i multivariada, consistent en pics concurrents de marcadors biogeoquímics”. Aquesta capa coincidirà amb una transició clara a nivell faunístic.

Esdeveniments abruptes en el registre geològic de la Terra

Per a l’hipòtesi siluriana, doncs, serien rellevants els indicis en el registre geològic que marquin canvis abruptes amb una signatura multivariada. Particularment, caldria posar atenció en els canvis de caràcter hipertermal, com ara el màxim termal del Paleocè-Eocè (PETM), que tingué lloc fa 56 milions d’anys, o esdeveniments d’oceà anòxic que tingueren lloc en el Cretàcic o en el Juràssic. Quedarien descartats canvis abruptes amb una causalitat clara i diferenciada, com l’extinció del Cretàcic-Terciari (atribuïble amb un megaimpacte d’asteroide) o l’extinció de l’Eocè-Oligocè (atribuïble a un vulcanisme massiu).

El PETM de fa 56 milions d’anys abasta un període de 100.000-200.000 anys, centrat en un període de menys de 5.000 anys en el qual hi hagué una entrada ràpida de carboni exògen en els ecosistemes, atribuïda a la intrusió de la Província Ígnia Nord-Americana en sediments orgànics. Les temperatures mitjanes globals pujaren 5-7 K. Hi hagué una extinció massica de foraminífers bèntics (30-50%) i una radiació important de mamífers i de sauris.

En període de 6 milions d’anys que seguí al PETM hi hagué altres esdeveniments hipertermals. Un d’aquests fou l’ETM-2, caracteritzat per un escalfament de les aigües àrtiques, acompanyat d’una disminució de la salinitat i una difusió de les condicions d’anòxia.

Fa 40 milions d’anys té lloc un altre escalfament abrupte, el MECO.

Pel que fa als esdeveniments d’oceà anòxic del mesozoic els més importants foren:
– l’esdeveniment Weissert (fa 132 milions d’anys).
– l’OAE-1a (fa 120 milions d’anys, que durà 1 milió d’anys).
– l’OAE-2 (fa 93 milions d’anys, que durà 800.000 anys). Aquest període es caracteritza per una disminució en l’estratificació dels oceans, un augment de la productivitat de les capes superiors de l’oceà i una expansió de les zones anòxiques o d’oxigen mínim.

En el paleozoic podem esmentar com a canvis abruptes:
– l’esdeveniment Kellwasser (fa 378 milions d’anys).
– l’esdeveniment Hangenberg (fa 359 milions d’anys).
– el col·lapse de la jungla tropical de Pangea (fa 305 milions d’anys). S’associà a un desplaçament cap a un clima més sec i més fred, amb una possible reducció dels nivells atmosfèrics d’O2, que comportà l’extinció d’una part notable de la megafauna del període.
– l’extinció del Permià-Triàssic (fa 252 milions d’anys, que durà 60.000 anys) arrencà amb un escalfament global i una extensa deforestació (mediada per un augment de la taxa d’incendis). Una bona part dels oceans passaren a condicions anòxiques i euxíniques (és a dir, desaparició de l’O2 i elevades concentracions de H2S).

La hipòtesi siluriana d’acord amb els indicis actualment disponibles

Schmidt & Frank admeten que caldria esperar al Carbonífer (fa 300-350 milions d’anys) per trobar quantitats suficients de carboni fòssil com per alimentar a una civilització industrial comparable a la nostra. Cal pensar doncs que els esdeveniments hipertermals posteriors, o algun d’ells, han estat produïts per una paleocivilització prehumana? Schmidt & Frank assenyalen que en molts d’aquests esdeveniments hi ha una explicació més senzilla a través de l’activitat tectònica i/o volcànica, que és la que hauria “cremat” dipòsits de “combustibles fòssils”.

La hipòtesi siluriana deu el nom en darrer terme als silurians del Doctor Who. Inicialment, els silurians del Doctor Who eren una espècie d’humanoids sorgits en el període silurià. Els guionistes posteriors del Doctor Who els traslladaren després al període eocè

Lligams:

The Silurian Hypothesis: Would it be possible to detect an industrial civilization in the geological record?. Gavin A. Schmidt, Adam Frank. Int. J. Astrobiology (2018).

Publicat dins de 6. La Civilització | Envia un comentari

El color del cabell en les poblacions europees: 124 gens diferents hi són associats

La revista Nature Genetics publica avui una meta-anàlisi genòmica sobre la variació i heretabilitat del color de pèl entre les poblacions europees, basades en 300.000 participants. Aquesta meta-anàlisi identifica un total de 124 loci associats significativament amb el color del cabell. Fins ara tan sols se n’havia demostrat associació per a uns 13. La llista dels 124 loci inclou 123 loci autosòmics i 1 de cromosoma X. Els polimorfismes mononucleotídics descrits en aquesta investigació expliquen l’heretabilitat del 34,6% dels cabells rojos, del 24,8% dels cabells rossos i del 26,1% dels cabells negres.

La melanina en la pigmentació humana

Aquesta recerca de Pirro G. Hysi et al. ha estat una feina llarga. El primer esborrany arribà a la revista Nature el 17 de desembre del 2016. Ha hagut de passar més d’un any de revisions fins que l’article fou acceptat el passat 7 de març.

La qüestió de la pigmentació humana, és a dir de la coloració dels teixits externs del cos humà, especialment pell, pèl i iris, ha estat objecte de la recerca científica des de fa segles. La variació en la pigmentació humana s’explica per variacions en la quantitat, relació i distribució dels dos tipus principals del pigment melanina, l’eumelanina i la feomelanina. Aquesta melanina és produïda principalment pels melanosomes, orgànuls pigmentaris localitzats en l’epidermis, en el cabell, en l’iris i en el sistema nerviós central. Hom suposa que els ancestres comuns de la humanitat eren de pell fosca fonamentalment com a protecció contra la radiació ultraviolada, tant pel que fa a càncers de pell com a la depleció d’àcid fòlic. Precisament això va fer que les poblacions humanes situades en latituds septentrionals, amb menys radiació solar, tendissin a una disminució de la pigmentació, ja que això es feia necessari per garantir uns nivells adequats de vitamina D (que depenen de l’exposició a radiació ultraviolada). Entre les poblacions europees hom ha pensat també en un paper de la deriva gènica i fins i tot de la selecció sexual.

Pel que fa al color del cabell, els estudis d’heretabilitat basats en bessons indiquen un índex del 97% (és a dir que gairebé tota la variació s’explicaria per factors heretables). Els estudis genòmics d’associació fins ara havien identificat diverses regions cromosòmiques associades al color del pèl. Però aquesta heretabilitat és molt fragmentada, és a dir que hi ha molts factors genètics que hi contribueixen.

Una meta-anàlisi de 23andMe i de l’UKBiobank

Hysi et al. han feta una meta-anàlisi de dos estudis genòmics d’associació:
– el 23andMe, amb 157.653 participants.
– el UK Biobank, amb 133.238 participants.

En la meta-anàlisi els participants són classificats segons si tenen cabell ros (0), cabell roig (1), cabell castany clar (2), cabell castany fosc (3) i cabell negre (4). Només s’inclouen participants de descendència europea, ja que la major part de variabilitat pel que fa al color del cabell la trobem en aquestes poblacions.

L’anàlisi de components principals permet estructurar la informació genòmica. Hi ha una forta associació entre aquests components principals i el color del cabell, especialment en l’estudis 23andMe, que és ètnicament més divers que el massa britànic UKBiobank. En qualsevol cas, tant el 23andMe com l’UKBiobank assenyalen que l’associació més forta del color del cabell és amb el sexe. Les dones tendeixen a un major percentatge de cabells rossos i cabells rojos, i a un menor percentatge de cabells castanys o negres respecte dels homes.

124 loci associats

La meta-anàlisi identifica, a través de polimorfismes nucleotídics, 124 regions genòmiques associades al color del cabell. D’aquestes regions n’hi ha 123 autosòmiques i 1 en el cromosoma X (gen COL4A6). Val a dir que el cromosoma Y no ha estat inclòs en aquest estudi

En aquesta llista reapareixen loci ja coneguts com HERC2, IRF4 o MC1R.

Les associacions més fortes les troben en gens pels quals s’han descrit mutacions amb impacte en la pigmentació: EDNRB, HPS5, FGF5, TWIST2.

Una validació de les dades amb deu cohorts addicionals

Per validar aquestes dades, Hysi et al. han fet mà de deu cohorts addcionals de l’International Visible Trait Genetics Consortium (VisiGen), amb un total de 27.865 participants europeus. La replicació és bona, ja que de les 123 loci positius de la meta-anàlisi amb 23andMe i Biobank, hi ha 114 que també donen positiu en aquestes cohorts.

Polimorfismes mononucleotídics i expressió gènica

Estrictament, aquests estudis genòmics es fonamenten en associacions amb polimorfismes mononucleotídics. La relació entre aquests polimorfismes i els gens en els quals tenen lloc no és sempre la mateixa. No obstant, sembla que la majoria s’hi relacionen de manera quantitativa pel que fa a l’expressió, si més no en diversos teixits.

Un exemple el tenim en el polimorfisme rs478882, que s’associa amb els nivells de transcripció del gen CBWD1, en teixits cutanis exposats a la radiació solar.

Molts factors genètics amb molt poc pes cadascun

En total, Hysi et al. identifiquen 258 polimorfismes mononucleotídics associats independent amb el color de cabell. Ara bé, tots aquests polimorfismes expliquen tan sols el 20,68% de l’heretabilitat del color de cabell en termes generals, i el 34,58% de l’heretabilitat del pèl roig. Per al cabell ros, el percentatge seria del 24,80%, i per al cabell negre del 26,12%. La major part de la variabilitat hereditària es correspon, doncs, a factors genètics no identificats amb aquest estudi.

Predir el color de cabell a través d’una mostra d’ADN

Una de les finalitats d’aquest estudi és fer una predicció del color de cabell amb les dades genètiques nues. Així, Hysi et al. construeixen un model que té una precisió elevada per cabell negre i per al cabell roig, però no pas tanta per al cabell ros o el cabell bru. Aquests models, en tot cas, ofereixen una millor precisió que els models d’estudis anteriors.

Les bases moleculars de la pigmentació

Les dades de Hysi et al. indiquen que el sexe s’associa veritablement amb el color del pèl. També indiquen que el pèl roig no segueix l’esquema linial de “menys-més pigmentat” dels cabells d’altres coloracions.

Però el més rellevant d’aquest estudi és la llista més d’un centenar de loci associats amb aquesta característica. En aquella llista hi ha gents que participen en la regulació de la transcripció gènica (gens reguladors), gens que participen en la producció de macromolècules (incloent-hi, és clar, les melanines), gens implicats en motilitat cel·lular, gens implicats en la pigmentació i fins a gens implicats en la regulació d’apoptosi.

La combinació de la genètica quantitativa d’aquesta mena d’estudis, amb estudis específics sobre els mecanismes funcionals que vinculen aquests gens a la pigmentació, serà necessària per disposar d’un quadre exhaustiu de les bases moleculars de la pigmentació capil·lar.

Publicat dins de 3. La Vida | Envia un comentari

Un mètode de síntesi de baix a dalt de nanoporus de grafè

El grafè és l’al·lòtrop de carboni consistent en una monocapa d’àtoms de carboni ordenats en una matriu hexagonal. De fet, l’estructura del grafè és la base d’altres al·lòtrops de carboni, com el grafit, el diamant o el carbó, presents a la natura. També ho és de nanotubs i de ful·lerens. En certa manera, podem dir que el grafè és una molècular aromàtica indefinidament estesa, com si fos l’extrem dels hidrocarburs aromàtics policíclics. El grafè és un semimetall i això li confereix un gran interès. La introducció de porus de mida nanomètrica en el grafè, a més, permet que aquest semimetall esdevingui un semiconductor. Si el grafè sense nanoporus és impermeable, l’addició de porus el converteix teòricament en la membrana-tamís més eficient a nivell molecular. El repte, però, és aconseguir porus de mida nanomètrica que siguin compatibles amb les característiques estructurals que hom exigiria per a la confecció de membranes i sensors específics. Un grup d’investigadors encapçalat per César Moreno, de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia, reporta a les pàgines de Science, un mètode d’autoensamblatge de grafè amb nanopors separats per llaços, que pot arribar a una mida de porus d’1 nm.

Esquema d’una làmina de grafè. Cada boleta representa un àtom de carboni. La distància mitjana entre els àtoms és de 0,142 nm.

Un mètode de polimerització de dibrom-difenilbiantracè en una superfície d’or

César Moreno Sierra és investigador en manipulació i espectroscopia atòmiques de l’Institut Català de Nanociència i Tecnologia (ICN2), centre adscrit al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) i a l’Institut de Ciència i Tecnologia de Barcelona, situat al Campus de l’UAB de Bellaterra. D’aquest mateix centre són Marius Vasile Costache, Markos Paradinas, Mirko Panighel, Gustavo Ceballos, Sergio O. Valenzuela (líder del grup de física i enginyeria de nanodispositius) i Aitor Mugarza (líder del grup de manipulació i espectroscopia atòmiques). Valenzuela i Mugarza són membres també de la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA).

Manuel Vilas-Varela és membre del Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CIQUS) i professor del Departamento de Química Orgánica de la Universidade de Santiago de Compostela. També en totes dues institucions trobem Diego Peña, un dels caps del grup de preparació de grans molècules aromàtiques i nanografens.

Bernhard Kretz és membre del Centre de Física Internacional de Donostia, on des del 2014 realitza la tesi sobre propietats electròniques i de transport de nanostructures grafèniques. Aran Garcia-Lekue n’és la supervisora. Garcia-Lekue és membre d’Ikerbasque, l’homòleg basc del nostre ICREA.

Difenilantracè

El punt de partida del mètode és la polimerització de molècules de difenilbiantracè. Per fer-ho possible, empren dibromo-difenilbiantracè que, a través de la reacció d’Ullmann, amb coure com a catalitzador, s’uneixen en molècules d’hidrocarbur aromàtic policíclic com va més grans. Fritz Ullmann i Jean Bielecki (1901) ja havien emprat aquesta reacció amb coure per a la síntesi de sèries bifeníliques, utilitzant com a monòmer en el seu l’o-bromonitrobenzol.

El polímer resultant és ciclodehidrogenat, de manera que l’estructura aromàtica dóna pasa a nanollaços de grafè. L’acoblament creuat d’aquests nanollaços crea un full de grafè amb una mida de porus d’1 nm.

El grafè nanoporós com a semiconductor

L’espectroscopia d’escaneig d’efecte tunel mostra l’estructura electrònica d’aquest grafè nanoporós. Hi coexisteixen bandes semiconductores amb un gap energètic d’1 eV amb estats localitzats associats als porus.

Aquest mètode pot aplicar-se a diversos precursors moleculars, segons els quals en resultaran diferències atòmiques en la mida, densitat, morfologia i composició química dels porus.

L’elevat anisotropisme de l’estructura electrònica del grafè microporós fa d’aquest material un semiconductor altament versàtil. En resulta doncs un material que alhora actua de membrana i d’electrosensor, amb una precisió i especificitat moleculars.

Lligams:

Bottom-up synthesis of multifunctional nanoporus graphene. César Moreno, Manuel Vilas-Varela, Bernhard Kretz, Aran Garcia-Lekue, Marius V. Costache, Markos Paradinas, Mirko Panighel, Gustavo Ceballos, Sergio O. Valenzuela, Diego Peña, Aitor Mugarza. Science 360: 199-203 (2018).

A recipe for nanoporous graphene. Alexander Sinitskii. Science 360: 154-155 (2018).

Publicat dins de 6. La Civilització | Envia un comentari

La connexió de la teoria de representació i de les formes automòrfiques en l’estudi dels grups de Galois (Robert P. Langlands, Premi Abel 2018)

Aquesta setmana commemorem el 250è aniversari del naixement de Joseph Fourier (*Auxerre, 21.3.1768 – m. París, 16.5.1830), i el dilluns es feia pública la concessió del Premi Abel d’enguany. El Premi Abel du aquest nom en memòria de Niels Henrik Abel (*Nedstrand, 5.8.1802 – m.Froland, 6.4.1829). L’Acadèmia Noruega de Ciències i Lletres, doncs, comunicava dilluns que concedia el guardó a Robert P. Langlands, de l’Institute for Advanced Study de Princeton, “pel seu programa visionari de connectar la teoria de representació amb la teoria de nombres“. En efecte, fa més de 50 anys, es formulava el Programa de Langlands, que pretenia relacionar els grups de Galois de la teoria algebraica de nombres amb les formes automòrfiques i la teoria de representació de grups algebraics sobre camps locals i adèles.

Robert P. Langlands

Robert Phelan Langlands

Robert P. Langlands (*New Westminster, British Columbia, 6.10.1936) va ingressar a la University of British Columbia a l’edat de 16 anys. Llicenciat el 1957 per aquesta universitat, l’any següent finalitzà el seu mestratge. Passà a la Yale University, on va fer la tesi doctoral sota la supervisió de Cassius Ionescu-Tulcea. Inicialment aquesta tesi havia d’anar sobre la teoria analítica dels semigrups de Lie. Els grups de Lie reben aquest nom per Sophus Lie (*Nordfjordeid, 17.12.1842 – m. Kristiania, 18.2.1899), fundador de la teoria de grups de transformació continus. Langlands, però, passà aviat a la teoria de representació, és a dir a l’estudi d’estructures algebraiques abstractes a través de representar-ne els elements com a transformacions lineals d’espais vectorials. En aquest sentit, Langlands adaptà els mètodes desenvolupats per Harish-Chandra (*Kanpur, 11.10.1923 – m.Princeton, 16.10.1983) per a la teoria de formes automòrfiques. Les formes automòrfiques són funcions de grups topològics damunt de nombres complexos que són invariants sota l’acció d’un subgrup discret. Langlands presentà una fórmula de la dimensió de certs espais de formes automòrfiques en la qual apareixien tipus particulars de les sèries discretes de Harish-Chandra.

Langlands seguí amb una teoria analítica de les sèries d’Eisenstein per a grups reductius de rangs superiors a 1. Això permeté la descripció en termes generals dels espectres continus de quocients aritmètics. Totes les formes automòrfiques es podien derivar en termes de formes de cúspides i de residus de sèries d’Eisenstein induïdes de formes de cúspide se subgrups més petits. A partir d’això demostrava la conjectura de Weil sobre nombres de Tamagawa per a la gran classe de grups de Chevalley connectats de forma arbitràriament simple sobre els nombres racionals.

El Programa de Langlands

El gener del 1967, Robert P. Langlands era professor associat a Princeton. Durant les vacances de Nadal escrigué una lletra de 17 pàgines a André Weil (*París, 6.5.1906 – m.Princeton, 6.8.1998), l’autor de la conjectura abans citada. La lletra incloïa una referència modesta:

Si voleu llegir-ho com a especulació pura ho apreciaré. Si no – estic segur que teniu una paperera a mà

Hi seguia una teoria sobre les connexions profundes entre la teoria de nombres i l’anàlisi harmònica. El Programa de Langlands enumerava les passes a seguir per mostra l’existència de les connexions, respectivament, dels grups de Galois i de les formes automòrfiques.

El 1830, Évarist Galois (*Bourg-la-Reine, 25.10.1811 – m. París, 31.5.1832) presentà a l’Acadèmia de Ciències de París una memòria amb una teoria sobre la resolubilitat mitjançant radicals d’equacions polinòmiques (Mémoire sur les conditions de résolubilité des équations par radicaux). La memòria no fou acceptada per a publicació al·legant que no era prou desenvolupada i per estat condicionada a les solucions de l’equació per comptes dels coeficients. El mateix Galois es va morir en un duel a 20 anys. Fou Joseph Liouville (*Saint-Omer, 24.3.1809 – m. París, 8.9.1882) qui recuperà l’obra de Galois, sobre la qual parlà en una conferència a l’Acadèmia el 4 de juliol del 1843. La memòria mateixa, completada per Galois mesos abans de la mort, fou publicada per Liouville el 1846 amb plena consciència del que suposava per a la teoria de nombres. Les taules de les relacions simètriques entre les solucions d’equacions polinòmiques serviren per definir els anomenats grups de Galois.

L’anàlisi harmònica estudia les ones periòdiques a partir de l’ona sinusoidal. Si la transformació de Fourier permet l’anàlisi de les ones complexes, les formes automòrfiques generalitzen topològicament les funcions periòdiques, trigonomètriques i el·líptiques. La introducció de les formes automòrfiques es deu a Jules Henri Poincaré (*Nancy, 29.4.1854 – m.París, 17.7.1912).

Per trobar les connexions entre les formes automòrfiques i els grups de Galois, el Programa de Langlands partia de l’aritmètica modular. A Disquisitiones Arithmeticae (1801) Carl Friedrich Gauss (*Brunswick, 30.4.1777 – m. Göttingen, 23.2.1855) havia establert una teoria de l’aritmètica modular que tenia com a teorema fonamental la llei de reciprocitat quadràtica. El Programa de Langlands es fixava en l’aritmètica modular aplicada a la resolubilitat de les corbes el·líptiques (equació polinòmica y2 = x3 + ax + b) quan es prenia com a mòdul un nombre primer. La sèrie numèrica resultant també resultava accessible amb les eines de l’anàlisi harmònica.

El Programa Langlands trobà una expressió més definida al llibre Problems in the Theory of Automorphic Forms (1970). Ja fa, doncs, mig segle que el Programa inicià les passes. Les conjectures formulades pel Programa han estat matèria d’intensa recerca, per part de Langlands, i d’alguns dels seus deixebles, destacadament Diana Shelstad (*Sydney, 19.8.1947). Laurent Lafforgue (*Antony, 6.11.1966) demostrà la correspondència de Langlands per als grups lineals plens GLr (r≥1) sobre funcions de camp. Ngô Bảo Châu (*Hanoi, 28.6.1972) demostrà el lemma fonamental per a les formes automòrfiques de Langlands i Shelstad. Però encara queden moltes conjectures del Programa per demostrar, per bé que plausiblement hagin d’ésser certes. Edward Frenkel (*Kolomna, 2.5.1968) s’ha referit al Programa de Langlands com una mena de gran teoria unificada de la matemàtica. Hom confia que el programa forneixi noves vies per resoldre problemes, particularment de la teoria de nombres, que semblen inabastables.

Don Zagier (*Heidelberg, 29.6.1951) ha dit, referint-se als nombres primers:

Hi ha dos fets sobre la distribució de nombres primers que haurien de quedar-nos gravats permanentment al cor. La primera és que, malgrat una definició i paper simples com a elements constituents dels nombres naturals, els nombres primers creixen com males herbes entre els nombres naturals, sense obeir cap altra llei que la de l’aleatorietat, i ningú no pot predir on brollarà el següent. El segon fet és encara més astorador, ja que afirma exactament el contrari: que els nombres primers mostren una regularitat colpidora, que hi ha lleis que en governen el comportament, i que obeeixen aquestes lleis amb una precisió gairebé militar.

El contrast entre la impredictibilitat de molts aspectes de la teoria de nombres i la simetria i regularitat de formes automòrfiques explica precisament perquè després de mig segle el Programa de Langlands té encara tants fronts oberts.

Lligams:

The Work of Robert Langlands. Institute for Advanced Study.

Robert P. Langlands receives the Abel Prize.

A glimpse of the Laureate’s work, d’Alex Bellos.

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

El genoma de ‘Periplaneta americana’

Amb el nom de paneres, paneroles, cuques molles, cucaratxes, correderes, etc., hom coneix tota una sèrie d’espècies ben diverses. Les primeres van aparèixer en el Carbonífer, fa 320 milions d’anys. Una branca d’elles ha arribat a l’eusocialitat, la dels termes, però d’altres espècies també tenen comportaments socials bo i que no tant desenvolupats. En pensar en elles, pensem sobretot en les espècies adaptades a ambients urbans i, molt particularment, a aquelles que poden constituir plagues no sols estèticament desagradables sinó amb impactes sobre la salut a través de la transmissió de patògens. Una d’aquestes és la panerola americana o panerola roja (Periplaneta americana Linnaeus, 1758). Un grup de científics xinesos, coordinats per Li Sheng i Zhan Shuai, publiquen avui a les pàgines de Nature Communications un article en el qual presenten el genoma d’aquesta espècie i el seu conjunt comú de gens. Li et al. atribueixen a l’expansió de famílies de gens de funcions cabdals la plasticitat ambiental d’aquesta espècie.

“Periplaneta americana”Linnaeus 1758. La panerola americana o panerola roja és, en realitat originària d’Àfrica. No arribà a Amèrica fins el segle XVI. Actualment és una espècie de distribució cosmopolita

La panerola roja

Quan Linné donà l’adjectiu d’americana a l’espècie actualment classificada com a Periplaneta americana ho va fer assumint la concepció habitual de l’època segons la qual aquesta seria una espècie originària de l’Amèrica tropical, des d’on hauria difós al Vell Món. Potser en aquesta concepció hi contribuïa una impopularitat general envers aquesta espècie. En termes generals, són diverses les espècies de paneroles de distribució cosmopolita i d’hàbits antròpics que poden constituir plagues preocupants per a la salut pública. Però la panerola roja o “americana” és especialment assenyalada per ésser un dels insectes més grossos que viu en estreta proximitat a nosaltres. És proverbial la seva resistència vital, i és per això que en xinès li diuen Xiao Qiang. Té pocs requeriments i, si bé prefereix temperatures càlides, allò que més necessita és un cert grau d’humitat. D’ací el nom de “cuca molla”, que en anglès fa “waterbug”.

Avui s’assum que l’origen d’aquesta espècie es trobaria a Àfrica. Hauria arribat a Amèrica potser a començament del segle XVI i, en qualsevol cas, abans del 1625. El desenvolupament comercial i urbà dels darrers segles l’han convertit en una espècie cosmopolita, si bé és cert que com a plaga d’impacte sanitari es concentra a regions tropicals i subtropicals, en tant que vector d’agents infecciosos (virus, bacteris, protoctistes) i com a propiciadors de reaccions al·lèrgiques i asmàtiques. A les regions temperades viu fonamentalment de manera antròpica en espais tancats amb accés a fonts alimentàries (com ara aliments en fermentació). A casa nostra, no cal menysprear el reservori que trobin en espais a l’aire lliure a condició que siguin humits, ombrívols i càlids.

Ara bé, que no tot ha de ser negatiu en el món de les “repugnants cuques paneres”, com en deia Joaquim Ruyra. A la medicina xinesa, la Xiao Qiang apareix esmentada en tractats com el Ben Cao Gang Mu o el Shen Nong Ben Cao Jing. L’extracte etanòlic, Kang Fu Xin Ye, té propietats cicatritzants.

Com a animal de laboratori, Periplaneta americana és considerada un organisme model per als insectes hemimetabòlics. És de ràpid creixement, de cicle biològic breu i d’alta fecunditat. En el cicle vital passa per diversos estadis larvaris, intercalats per un nombre variable de mudes (de 6 a 14). Té també una capacitat elevada de regeneració tissular.

Un projecte concebut per Li Sheng

Li Sheng, del Laboratori de Regulació i Recerca Aplicada sobre Desenvolupament d’Insectes de Guangzhou, centre adscrit a la Universitat Normal del Sud de la Xina, concebé aquest projecte sobre el genoma de Periplaneta americana. En el disseny i direcció del projecte, Li Sheng comptà amb Shuiai Zhan, del Laboratori de Biologia de l’Evolució i Desenvolupament d’Insectes de Shanghai, centre adscrit a l’Acadèmia Xinesa de Ciències. El projecte rebé el suport de la Fundació Nacional de Ciència, del Programa Nacional de Recerca Clau i Desenvolupament i de l’Acadèmia Xinesa de Ciències.

Huiling Hao i Jianchu Mo aportaren mostres de paneroles. Erich Bornberg-Bauer els oferí els resultats preliminars de l’estudi genòmic de la panerola rossa, Blatella germanica.

L’extracció d’ADN i d’ARN fou a càrrec de Yuan Dongwei i Cao Yanghui, de Shanghai. Zhan ensamblà el genoma i generà el conjunt de gens. L’anotació de les famílies gèniques la van fer Li Sheng, Zhu Shiming, Jia Qiangqiang, Li Kang, Liu Suning i Ren Chonghua (de Guangzhou), Yuan, Zhao Haigang, Fang Gangqi i Zhan (de Shanghai), Li Daqi i Zhao Shiaming (de l’Institut de Recerca de Biologia Aplicada de la Universitat Shanxi de Taiyuan). Els experiments funcionals els feren Zhu, Jia, Li Kang, Liu i Ren (a Guangzhou). En la interpretació de dades participaren Li Sheng, Cui Yingying, Yu Xiaoqiang, Feng Qili (de Guangzhou), Zhang Jianzhen (de Taiyuan), Yue Qiaoyun (del Centre de Tecnologia d’Inspecció i Quarentena de Zhongshan), Fan Yongliang (del Laboratori de Gestió Integrada de Plagues, de Yangling) i Zhan (de Shanghai). El manuscrit fou redactat per Li Sheng, Zhu, Jia, Yuan, Ren i Zhan, que el trameteren a Nature el 16 d’agost del 2017. Seguí un procés de revisió, en el qual Cui, Yu i Feng introduïren millores que feren possible l’acceptació per a publicació el passat 2 de febrer.

Les línies utilitzades

Com ja s’ha dit, la línia de Periplaneta americana fou obtinguda de Hao Huiling. Es tracta d’una línia pura aconseguida després de 30 anys d’encreuaments. Com a espècies de referència s’han utilitzat Periplaneta australasiae i Periplaneta fuliginosa, totes dues a partir de les línies de Mo Jianchu, de la Universitat de Zhejiang. Aquests animals es mantenen en el laboratori a 29ºC i a una humitat relativa de 70-80% en caixes de plàstic, amb lliure accés a aliment (pinso de rates) i aigua. D’aquestes colònies s’extreuen adults, mascles i femelles, que hagin musat recentment, així com larves d’edat intermèdia: s’obtenen així grups d’individus de la mateixa edat. Totes les operacions es fan amb anestèsia amb CO2. Cada experiment reportat es fa per triplicat, amb grups de 30 individus.

L’extracció d’ADN es va fer a partir d’una única femella adulta de cada espècie. L’ADN era clonat, i les genoteques eren seqüenciades amb la plataforma Illumina. En total s’hi generaren 1,06 Tb de seqüències (1 bilió de parells de nucleòtids).

L’extracció d’ARN permeté l’elaboració de tres genoteques independents, amb inserts de 1-2 kb, 2-3 kb i 3-6 kb. Això donà lloc a una seqüència transcriptòmica total de 17,5 Gb.

Per fer l’assemblatge genòmic utilitzaren diverses eines bioinformàtics (DiscovarDeNovo, SSPACE, etc.) emprant com a referències les dades d’altres espècies de blatodeus. Aquest assemblatge és el més complet fet sobre una genoma de blatodeu.

Per a l’anotació genòmica han emprat RepeatMasker per indentificar seqüències repetitives i elements transposables. La comparació de les dades genòmiques i transcriptòmiques els permet d’identificar el conjunt de gens.

Per a l’anàlisi ortològica tingueren presents 12 espècies representatives d’espècies. A partir d’un total de 538 gens d’una sola compartits per aquestes espècies feren una reconstrucció filogenètica. Les tres espècies de Periplaneta foren comparades amb B. germanica i Zootermopsis nevadensis per estudiar-ne la identitat de seqüència.

L’anotació manual de gens de P. americana identificà uns 2000 d’interès especial. Les famílies gèniques foren reconstruïdes d’acord amb el model de Drosophila.

Un dels punts d’interès d’aquest estudi és la identificació de pètids antimicrobians. Injectaren a paneroles mascles adultes suspensions de microorganismes (E. coli PTA-5952, S. aureus ATCC29213 o C. albicans ATCC29213). Els insectes injectats eren eventualment mòlts en nitrogen líquid. De la pols resultant s’obtenia un extracte. L’activitat antimicrobiana dels extractes era estudiada en cultius dels microorganismes citats en un assaig de difusió radial.

Per estudiar la funció gènica, empraren tècniques d’ARN d’interferència (ARNi) in vivo. Aquestes tècniques consisteixen en exposar animals a fragments d’ARN bicatenari de 300-500 parells de bases corresponents a la seqüència d’ARNm d’un gen d’interès. A les 24h la injecció els animals eren sacrificats, i es feia una extracció d’ARN total dels cossos grassos abdominals.

Per als estudis de regeneració tissular, emparen 20 larves d’edat intermèdia. Dos dies després de la darrera muda els amputaven apèndixs, i feien un seguiment videogràfic de la regeneració.

El genoma de Periplaneta americana

El nivell de cobertura assolit per al genoma de P. americana és de 295, mentre que per a P. australasiae i P. fuliginosa és de 40. La seqüència genòmica resultant de P. americana és de 3,38 Gb, és a dir una mica més que el genoma humà (3,23 Gb). Es tracta d’un genoma de grans dimensions, si atenem que dels insectes coneguts, aquesta xifra només la supera la Locusta migratoria. Val a dir que el 60% del genoma de P. americana consisteix d’elements repetitius: és aquesta expansió d’elements repetitius la que explica la mida genòmica. En aquest percentatge i en el percentatge de GC, P. americana no es diferencia gaire d’altres blatodeus.

Pel que fa als gens, inicialment Li et al. identificaren 21.336 gens codificadors de proteïna. D’aquests, n’han detectat expressió en un 95% dels casos. El 90% dels gens tenen homòlegs en altres espècies de blatodeus. El nombre d’exons per gen o la mida dels transcrits és la típica en genoma d’insectes. Cal remarcar però que la longitud mediana dels introns de P. americana és de 3 kb, un valor considerable (malgrat que només arriba a la meitat de L. migratoria), però això mateix remarca una correlació positiva entre la mida d’introns i la mida genòmica.

El genoma de P. americana conté 13.555 gens universals multicòpia. De fet, l’expansió relativa del nombre de gens s’explica per l’expansió d’aquests gens universals i no pas a l’aparició de gens específics.

Dels 2000 gens universals d’una sola còpia de P. americana, Li et al. seleccionaren 538 per fer una reconstrucció filogenètica. Els resultats confirmen el caràcter monofilètic dels blatodeus, sempre que dins d’ells incloguem els termits (tradicionalment classificat com a ordre independent sota l’epígraf d’isòpters). De fet, P. americana té un parentiu més estret amb termits com Macrotermes natalensis o Zootermopsis nevadensis que no pas amb B. germanica. El genoma de P. americana, de fet, ajudarà a entendre millor les relacions filogenètiques entre aquestes espècies.

L’adaptació ambiental de la panerola roja

L’adaptació de P. americana als ambients urbans s’ha explicat pel seu omnivorisme detritòfag, que l’ha permès sobreviure amb les restes alimentàries de la humanitat moderna. La comunicació química i la tolerància de factors químics (toxines) i biòlogics (patògens) són essencials per a aquesta adaptació. Així doncs, Li et al. es fixen especialment en gens implicats en la quimiorecepció, la detoxificació i la immunitat.

En la quimiorecepció participaren diverses famílies de quimioreceptors: olfactius (ORs), gustatoris (GRs), ionotròpics del glutamat (IRs). Les proteïnes d’unió a odorants (OBPs) faciliten la interacció de molècules amb els ORs. En el genoma de P. americana hi ha 154 ORs, un nombre que dobla el d’altres genomes de blatodeus. Això deu ajudar a la detecció més eficient de traces d’aliments en fermentació.

De gens GRs n’hi ha 522, la qual cosa suposa el més gran nombre de gens gustatoris mai trobat en una espècie d’insecte. D’aquests 522, n’hi ha 329 que podrien constituir una subfamília especialitzada en la recepció de gustos amargs. Probablement la identificació d’aquests sabors ajuda a la panerola a evitar o a moderar el consum d’aliments tòxics.

De gens IRs n’hi ha 640. És un nombre molt més elevat que el que trobem en els genomes coneguts de termits. Els IRs participen sobretot en connexió sinàptiques.

La família de gens OBPs és, contràriament, relativament poc nombrosa.

Dels gens de detoxificació, en P. americana Li et al. identifiquen 178 gens de citocrom P450, 90 gens d’esterases de carboxil/colina, 39 glutatió-transferases i 115 transportadors d’unió a ATP. Són xifres considerables, particularment la dels P450 (en el genoma humà tenim només 57), que s’atribueixen especialment a CYP3 (79 gens) i CYP4 (62 gens), i que deuen ajudar a la capacitat de resistència a insecticides i a la supervivència en condicions extremes.

El gust de les paneroles pels aliments en fermentació s’explica per la major digestibilitat d’aquests productes. Ara bé, aquests aliments fermenten precisament per l’acció microbiana, i són una font de microorganismes patògens. El sistema immunitari d’insectes és merament innat, i depèn de l’activació de tres vies moleculars principals: Imd, Toll, JAK-STAT. Les vies Imd i Toll condueixen a la síntesi i secreció de pèptids antimicrobians (AMP) a l’hemolimfa. L’activació de la via Toll es mediada per proteïnes d’unió a bacteris gram-negatius (GNBPs) El genoma de P. americana conté 14 gens Toll, 12 gens GNBP1, 2 gens GNBP3, 11 gens d’AMPs (defensines, termicines, attacines, drosomicines, Paprp-1, AFP). En els experiments d’injecció, la resposta antimicrobiana és més efectiva amb E. coli que no pas amb S. aureus o C. albicans. Els experiments d’ARNi mostren la rellevància de quatre gens (Toll-1A, Toll-1B, Myd88 i dorsal) en la supervivència a la injecció de S. aureus. Aquests gens, doncs, podrien constituir una diana d’interès en el control de plagues.

L’alta plasticitat de desenvolupament és un altre factor que explica l’adaptabilitat de les paneroles. Amb una mida mitjana de 53 mm, la panerola roja no sols és la més gran de les paneroles comunes, sinó també la de cicle vital més llarg (700 dies). Abans d’arribar a l’edat adulta fa de 6 a 14 mudes larvàries. L’extensió d’aquesta fase larvària s’explica per l’acció de l’hormona juvenil (JH), que contraresta l’acció de la 20-hidroxiecdisona (20E). En el genoma de P. americana hi ha una expansió de gens implicats en la biosíntesi i metabolisme de la JH (Jhamt i Jhe), del pèptid insulínic (Ilp) i de la proteïna cuticular.

Els experiments d’ARNi mosten l’efectivitat de blocar els gens EcR i RXR (dos gens implicats en el receptor nuclear de la 20E) per induir defectes de muda potencialment letals. El blocatge dels gens Met i Kr-h1, implicats en la via JH, promou una metamorfosi precoç. El blocatge dels gens InR, PI3K i TOR endarrereixen el creixement de les nimfes.

Estudis funcionals de gens implicats en la muda, creixement i maduració de la panerola roja

Si de l’ou a adult reproductor passen 700 dies de mitjana, l’edat adulta reproductora pot arribar als 600 dies. La reproducció segueix un patró periòdic, amb una maduració de l’ovari regulada per insulina, JH o 20E. Facultativament, aquesta espècie pot recórrer a la partenogènesi. El blocatge del gen Vg impedeix la maduració de l’ovari, com també ho fa el blocatge d’altres gens (InR, PI3K, TOR, Met, Kr-h1).

La regeneració d’apèndixs en P. americana és considerable en els estats larvaris. Els estudis funcionals de Li et al. mostren la rellevància dels gens Dpp i Mad.

En resum, Li et al. ofereixen una munió de dades genòmiques funcionals sobre P. americana, amb la identificació de nombroses dianes útils per al desenvolupament d’eines específiques de control de plagues. Ara mateix, però, l’atenció la centren en l’estudi de l’extracte etanòlic de panerola roja (Kang Fu Xin Ye) a la recerca de “factors de creixement” que expliquin la seva capacitat cicatritzants i si aquesta es relaciona amb la capacitat regenerativa del Xiao Qiang.

Lligams:

The genomic and functional landscapes of developmental plasticity in the American cockroach. Sheng Li, Shiming Zhu, Qiangqiang Jia, Dongwei Yuan, Chonghua Ren, Kang Li, Suning Liu, Yingying Cui, Haigang Zhao, Yanghui Cao, Gangqi Fang, Daqi Li, Xiaoming Zhao, Jianzhen Zhang, Qiaoyun Yue, Yongliang Fan, Xiaoqiang Yu, Qili Feng, Shuai Zhan. Nature Communications 9: 1008 (2018).

Publicat dins de 4. L'Animal | Envia un comentari

Els primers estels de l’univers: perfil d’absorció a 78 mHz en l’espectre celeste general

Judd D. Bowman, Alan E. E. Rogers, Raul A. Monsalve, Thomas J. Mozden i Nivedita Mahesh publiquen en la revista Nature d’aquesta setmana un article on descriuen el perfil d’absorció centrat a 78 megahertz de l’espectre mitjà celeste. Aquest perfil ens ofereix informació sobre els primers estels de l’univers.

La radiació ultraviolada d’aquests primers estels hauria d’haver interactuat amb el gas hidrogen primordial. Com a resultat d’aquesta interacció s’hauria alterat l’estat d’excitació de la línia hiperfina de 21 cm de l’hidrogen. Aquesta alteració promouria l’absorció fotònica pel gas hidrogen. Això, alhora, hauria afectat els fotons de la radiació còsmica de fons. L’efecte d’aquest darrer procés es manifestaria en una distorsió espectral de la radiació còsmica de fons en la banda de les radioones de freqüències inferiors a 200 mHz.

Bowman et al. han obtingut la mitjana celeste de l’espectre de radioones. Observen un aplanament en el perfiul d’absorció centrat en la banda de 78 mHz. L’amplada a mitja alçada d’aquest aplanament és a 19 mHz. L’amplitud és de 0,5 K.

Aquest aplanament es correspon als efectes de la radiació ultraviolada dels primers estels en el gas hidrogen primordial.

Ara bé, l’amplitud referida de 0,5 K és considerablement superior a la de les prediccions derivades del model cosmològic estàndard.

Aquesta discrepància es podria explicar de dues formes:
– el gas primordial era molt més fred en l’inici de l’era estel·lífera que no pas assum el model cosmològic estàndard.
– la temperatura de la radiació còsmica de fons era molt més elevada en aquesta època que no pas assum el model estàndard.

Bowman et al. consideren improbables alternatives astrofísiques a aquestes dues explicacions. S’orienten més aviat a una explicació basada en el refredament del gas primordial com a resultat d’interaccions entre la matèria fosca i la matèria bariònica. De fet, algunes extensions proposades al model cosmològic estàndard contemplen aquest efecte de la matèria fosca.

D’acord amb les dades de Bowman et al., 180 milions d’anys després del Big Bang, hi havia prou estels com per generar la línia espectral d’hidrogen Lyman-alfa (deguda a l’absorció fotònica del gas hidrogen primordial). El gas hidrogen trigà 100 milions d’anys addicional per escalfar-se a través d’aquest procés per damunt de la temperatura de radiació.

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

Els bots de Twitter durant la campanya del referèndum de l’1-O

Massimo Stella, Emilio Ferrara i Manlio De Domenico acaben de publicar un article (https://arxiv.org/abs/1802.07292) sobre el rol dels bots en el sosteniment i inflamació de contrastos en xarxes socials en-línia. Utilitzen com a cas d’estudi el Twitter durant la campanya del referèndum de l’1 d’octubre. En aquella ocasió, 1 milió d’usuaris generaren 4 milions de missatges. Stella et al. constaten la polarització entre “independentistes” i “constitucionalistes”. El seu estudi quantifica la influència dels bots polítics en aquells bescanvis. Remarquen que els bots interactuaren amb humans influents de tots dos grups, per bé que el gros consistí en bots que bombardaven independentistes amb continguts negatius i violents.

Massimo Stella i Manlio De Domenico són membres de la Fondazione Bruno Kessler, de Trento. Emilio Ferrara és membre de la USC Information Sciences Institute de Marina del Rey (Califòrnia).

Per a recollir les dades empraren etiquetes com #Catalunya, #Catalonia, #Catalogna, #1Oct, #votarem, #referendum, #1O. Utilitzaren Twitter Search API aplicat entre el 22 de setembre del 2017 i el 3 d’octubre del 2017. En total, recuperaren 3,6 milions de piulades úniques, emeses per 523.000 usuaris únics. A través de les repiulades, respostes i citacions construeixen una xarxa, el nucli de la qual inclou 12.000 usuaris i 16.000 interaccions.

De les piulades analitzades, el 23,6% eren de bots. De les respostes, aquesta xifra arribava al 38,8%. Els bots interactuaven amb humans principalment a través de repiulades i citacions.

Els sentiments positius dominaven en els dies previs del 30 de setembre. A partir de la mitja nit del del dia 1, va decréixer el sentiment a partir del compartiment d’opinions negatives. El sentiment negatiu assolí el màxim el migdia 1 d’octubre, per passar després a un sentiment més neutre.

Els autors reconstrueixen la xarxa en dos grups confrontats, independentistes i constitucionalistes. En tots dos grups hi ha humans i bots. Els independentistes parlen de “lliberat” i d'”independència” i s’associen amb la idea de combat i de vergonya envers el govern espanyol i la “violència policial”.

En tots dos grups, els bots actuen sobretot a través de la interacció dels “influencers” humans. Remarquen com bots interactuen amb el grup independentista promovent sentiments negatius, inspirant-hi idees de lluita, violència i vergonya contra el govern i la policia.

Els autors conclouen que els bots tenen un impacte potencial de manipulació social. Promouen una violència a les plataformes socials que poden impactar en el món real.

Publicat dins de 6. La Civilització | Envia un comentari

La descoberta de les malacidines, una nova classe d’antibiòtics dependents de calci

L’augment de la prevalença de la resistència d’antibiòtics entre els microorganismes patògens, no compensada per una introducció suficient de nous antibiòtics, constitueix una preocupació sanitària global. La mortalitat per infeccions que no responen a cap tractament antibiòtic podria decuplicar-se en qüestió de tres dècades. La penicil·lina fou descoberta en el 1928 com a producte natural del metabolisme secundari de fongs del gènere Penicillium. En les dècades següents, el rastreig deliberat dels productes naturals de bacteris i fongs cultivats en el laboratori va permetre ampliar l’arsenal d’antibiòtics. Però aquest ritme de descoberta ha decaigut. Una alternativa seria cerca productes naturals de microorganismes que no s’hagin pogut cultivar mai en el laboratori. El grup de recerca de Sean F. Brady, de la Rockefeller University, ha desenvolupat en aquest sentit una plataforma de descoberta de productes microbians sense passar per cultiu, que explota eines de seqüenciació, anàlisi bioinformàtica i expressió dels gens detectats. És així com han descobert una família fins ara desconeguda de productes antibiòtics, que han denominat malacidines. La descoberta la comuniquen en un article publicat aquesta setmana a Nature Microbiology. El fet que les malacidines siguin calci-dependents, les fa un antibiòtic més focalitzat. L’aplicació farmacològica d’aquestes substàncies dependrà ara dels resultats d’ulteriors experiments. Però allò més important és que la plataforma del grup de Brady, juntament amb altres iniciatives, obra la porta a la detecció de metabolits microbians fins ara gairebé inaccessibles.

L’aïllament d’ADN ambiental de mostres de 2000 sòls dels 48 estats contingus dels Estats Units és el punt de partida d’una plataforma que clona aquest ADN, el seqüencia, el transfereix a un bacteri hoste i n’obté els productes naturals codificats per aquest ADN

Una plataforma de rastreig de la diversitat ambiental de productes naturals

La Plataforma “Environmental Surveyor of Natural Product Diversity” (eSNaPD) ha estat desenvolupada pel “Laboratory of Genetically Encoded Small Moleculecules“, de The Rockefeller University de Nova York. El director d’aquest laboratori és Sean F. Brady, que és alhora professor associat de la universitat.

Aquesta recerca fou dissenyada per Brady i per Bradley M. Hover, del mateix laboratori. La realització fou a càrrec de Hover, de Seong-Hwan Kim, Michah Katz, Jeremy G. Owen, Melinda A. Ternei, Jeffrey Maniko i Andreia B. Estrela, tots ells del laboratori de Brady, a més de Henrik Molina, del Proteomics Resource Center de la mateixa universitat. En l’anàlisi de les dades participaren Hover, Kim i Zachary Charlop-Powers (també del laboratori de Brady). Steven Park i David S. Perlin, del Public Health Research Institute de la Rutgers University, de Newark, ajudaren a emmarcar la recerca en les necessitats de la microbiologia mèdica. La redacció de l’article la feren Hover i Brady, que la trameteren a Nature el 15 de juliol del 2017. Després d’una revisió l’article fou acceptat el 3 de gener del 2018 i publicat el 12 de febrer.

Aquesta investigació fou finançada en part per la Gates Foundation i pel National Institute of Health (projecte NIH U19AI109713). Hover i Charlop-Powers reben ajuts del NIH. Brady, Hover, Katz i Charlop-Powers treballen, a més, per a Lodo Therapeutics. Lodo Therapeutics, una start-up creada per Brady i de la qual Hover n’és director associat, també rep suport financer de la Gates Foundation.

Del sòl a l’antibiòtic

Amb motiu d’aquesta recerca, el Laboratori de Brady incorporà a la seva col·lecció de 185 mostres de sòl unes 1800 addicionals. Aquesta decuplicació de la col·lecció la fa més representativa de la diversitat de sòls dels Estats Units d’Amèrica.

D’una alíquota de 25 grams de mostra de sòl fan una extracció d’ADN. En aquest ADN ambiental cerquen la presència de dominis d’adenilació (ADs) de pèptid-sintetases no-ribosomals (NRPS). Les NRPS són enzims de síntesi que produeixen pèptids com a via independent de la síntesi proteica ribosomal. Tots els antibiòtics dependents de calci coneguts (daptomicina, friulimicina, CDA, laspartomicina, A54145, taromicina) són sintetitzats per NRPS, i aquest és doncs el punt de partida de Hover et al. Així doncs utilitzen els encebadors corresponents a aquests AD (5′-GCSTACSYSATSTACACSTCSGG-3′ i 5′-SASGTCVCCSGTSCGGTA-3′) per amplificar selectivament les mostres d’ADN ambiental (eDNA). Per a cada reacció d’amplificació necesiten uns 100 ng d’eDNA.

Els amplicons que resulten contenen seqüències potencialment vinculades a gens de síntesi de productes naturals són seqüenciats i analitzats bioinformàticament.

Paral·lelament, l’eDNA de cada mostra de sòl és clonat en llibreries de còsmids. Aquestes llibreries contenen fragments del metagenoma de cada mostra, incloses aquelles seqüències identificades bioinformàticament. Els clons de còsmids positius per a aquestes seqüències són seqüenciats per tal de recuperar els gens potencialment d’interès.

L’expressió heteròloga d’aquests gens es realitza primer en llevats, subclonant-los en un cromosoma bacterial artificial. Els constructes són després integrats en el cromosoma de Streptomyces albus J1074. Les espores dels bacteris així modificats genèticament són cultivades en un brou de soja.

Després de 14 dies de cultiu dels estreptomicets, se’n recupera el líquid de cultiu. Se’n fa una separació cromatogràfica, acoblada a una espectrometria de masses amb la finalitat de recuperar els metabòlits peptídics resultants. És així com s’aconseguí la separació de la malacidina-A i la malacidina-B.

L’estructura de les malacidines A i B fou estudiada per ressonància magnètica nuclear i per ionització d’elecrosprai. A través de la hidròlisi determinaren la configuració absoluta dels aminoàcids que integren les malacidines.

La susceptibilitat de bacteris patògens a les malacidines fou assajada en microplaques. Hom comparava aquesta susceptibilitat amb la daptomicina. També s’analitzava la susceptibilitat en absència o presència d’una suplementació de clorur càlcic (CaCl2), en absència o presència de sèrum boví fetal. Els bacteris estudiats foren una soca de tipus USA3000 del Staphylococcus aureus PFGE resistent a la meticil·lina (MRSA) i la soca TCH8431 de Streptococcus pneumoniae.

L’estudi de citotoxicitat de les malacidines es va fer amb les línies cèl·lulars HEK293 i MRC5. La HEK293 és una línia cel·lular derivada de ronyó embrionari humà (extret el 1973 d’un fetus legalment avortat als Països Baixos). La MRC5 és una línia derivada de fibroblasts pulmonars d’un fetus avortat el 1966. També feren un estudi d’activitat hemolítica in vitro.

La capacitat antibiòtica fou assajada en un model d’infecció cutània en rata produïda per la soca MW2 de MRSA.

En cultius de MRSA USA300 es va fer un assaig de resistència a les malacidines. Aquest assaig consisteix en una exposició continuada a malacidina-A i malacidina-B que seleccioni positivament bacteris resistents a aquests agents.

Quant al mecanisme d’acció de les malacidines, s’aplicà un assaig d’integritat de membrana en cultius de MRSA USA300. La integritat de membrana és assajada amb el colorant verd SYTOX.

Un altre assaig aplicat és el de l’acumulació UDP-MurNAc, que analitza possibles disfuncions de la síntesi de paret bacteriana. En aquest assaig, Hover et al. comptaren amb l’assessorament i suport de Frederick Rubino i Daniel Kahne.

Rubino i Kahne també els forniren de lípid II. Això els permeté d’estudiar la interacció directa de les malacidines amb precursors de la paret cel·lular, com el lípid II o el C55-P.

Els antibiòtics dependents de calci

Els antibiòtics dependents de calci són pèptids cíclic N-acilats. La seva acció antimicrobiana depèn de la unió a calci, que fan a través d’un motiu Asp-X-Asp-Gly de la seva seqüència peptídica. El més conegut és la daptomicina, que s’ha mostrat útil en el tractament de bacterèmies multiresistents. Aquests antibiòtics actuen interferint la biosíntesi de la paret cel·lular o afectant la integritat de la membrana cel·lular.

A partir del motiu Asp-X-Asp-Gly, com hem vist, Hover et al. aixequen el seu rastreig de sòls. Es tracta de trobar agrupacions de gens biosintètics que codifiquin aquestes seqüències.

Hom calcula que, en termes generals, cada gram de sòl conté un miler d’espècies bacterianes diferents. Així doncs, una col·lecció de 2000 sòls que sigui ecològicament i geogràficament diversa pot contindre un nombre d’espècies bacterianes superior a les de les col·leccions de cultius bacterians.

De les 2000 mostres de sòl, Hover et al. han trobat presència de dominis AD en tres quartes parts. D’aquests dominis AD tan sols un 13% es correspon a antibiòtics dependents de calci ja caracteritzats. I tan sols un 30% d’aquestes seqüències es troba en més d’una mostra. Aquestes xifres fan veure a Hover et al. que fins i tot una col·lecció de 2000 sòls dels Estats Units tan sols deu capturar una fracció de tota la diversitat biosintètica en antibiòtics dependents de calci. I això sense comptar que poden haver antibiòtics dependents de calci que utilitzin motius diferents a Asp-X-Asp-Gly.

La descoberta de les malacidines

El primer aspartat del motiu Asp-X-Asp-Gly és l’Asp4, i resulta el més rellevant des d’un punt de mira funcional. Una anàlisi filogenètica dels dominis AD recuperats per Hover et al. mostra una diversitat que depassa la dels antibiòtics dependents de calci prèviament coneguts. L’atenció la focalitzen en les seqüències més divergents que, alhora, siguin les més abundants. Una d’aquestes seqüències divergents és present al 19% dels metagenomes analitzats. A la família d’antibiòtics que s’hi correspon la denominen “malacidina”, a partir de l’acrònim de “metagenomic acidic lipopetide” + “cidina” (amb capacitat de matar).

La mostra de sòl DFD0097, corresponent a un sòl desèrtic, era ric en seqüències associades a aquestes malacidines. De la mostra de sòl elaboraren una llibreria de 20 milions de còsmids. La potència de la plataforma del grup de Brady es manifesta en la capacitat d’identificar en aquest oceà de còsmids, tres (DFD0097-644, DFD0097-735 i DFD0097-388) que contenen els 72 mil parells de nucleòtids d’un clúster de gens biosintètics. Generaren un cromosoma artificial bacterià (DFD0097-644:735:388) que feren créixer en cultius líquids de Streptomyces albus
J1074. Els extractes d’aquests cultius presentaven activitat antibacteriana contra Staphylococcus aureus. En aquests cultius aïllaren dos metabòlits específics, als que denominaren malacidina A i malacidina B.

La síntesi de malalcidines és codificada per un clúster de gens (mlcA, mlcK, mlcL, mlcM). Les malacidines són lipopèptids cíclics integrats per vuit aminoàcids i per lípids poliinsaturats.

La diferència entre la malacidina A i la malacidina B és la presència o absència d’un grup metilè en l’extrema de la cua lipídica. L’anell peptídic és de tan sols 10 aminoàcids. Les malacidines, de fet, no contenen el motiu Asp-X-Asp-Gly.

La dependència de calci de les malacidines

L’acció antibiòtica de les malacidines contra bacteris MRSA és clarament dependent de calci. En absència de calci, encara que hi siguin presents altres cations divalents les malacidines no tenen capacitat antibiòtica.

En presència de calci, però, les malacidines són actives contra un ventall de bacteris gram-positius, incloent-hi també patògens multiresistents.

La malacidina A reté la seva capacitat antibiòtica en presència de surfactants pulmonars. Això la diferencia de la daptomicina, que no és efectiva en pneumònies nosocomials perquè perd activitat en presència de surfactants.

L’administració de malacidina A per via tòpica és capaç de frenar la infecció amb MRSA en el model de ferida de rata.

Citotoxicitat i activitat hemolítica de les malacidines

En l’assajos de citotoxicitat i hemòlisi, les malacidines donen negatiu fins i tot en les concentracions més elevades (100-250 µg/mL).

Resistència a les malacidines

Malgrat els assajos realitzats, Hover et al. no han aconseguit la detecció de resistències a malacidines. Per exemple, després de 20 dies d’exposició a concentracions subletals de malacidina A, no detectaren la presència de S. aureus que en foren resistents a concentracions letals. Una línia de recerca que s’obre és la detecció de bacteris ambientals que siguin resistents a malacidina, i la possibilitat de transferència horitzontals dels gens de resistència corresponents.

El mecanisme d’acció de les malacidines

Les malalcidines no semblen actuar en la integritat de membrana, com si ho fa la daptomicina (a través de l’oligomerització de fosfolípids).

En presència de calci, però, les malacidines interfereixen en la síntesi de paret bacteriana. La malacidina interactua amb el lípid II, precursor necessari per a la paret cel·lular. Aquest és el mecanisme d’acció de la vancomicina, un antibiòtic clínic de darrer recurs. És molt interessant que la malacidina sigui activa, però, contra patògens resistents a la vancomicina.

El potencial dels mètodes metagenòmics de descoberta d’antibiòtics

Hover et al. tenen la intenció d’escalar i automatitzar la plataforma eSNaPD 2.0. Aquesta plataforma permetria la descoberta sistemàtica de productes naturals amb propietats antibiòtiques. La perspectiva metagenòmica fa que les malacidines hagin estat descobertes sense haver ni cultivat ni identificat el microorganisme que les sintetitza. El punt de partida, això sí, era el coneixement sobre antibiòtics dependents de calci.

Com diuen Hover et al, “els microbis ambientals són en una cursa armamentística continua”. Si per cada antibiòtic han d’aparèixer selectivament mecanismes de resistència, també per cada mecanisme de resistència es desenvolupen nous antibiòtics. Aquesta cursa armamentísica,
quan parlem de microorganismes patògens, i més en l’entorn de les infeccions nosocomials, es dispara a una escala descomunal. I caldrà veure encara si la descoberta i introducció de nous antibiòtics efectius es farà en les properes dècades a un ritme suficient.

Lligams:

Culture-independent discovery of the malacidins as calcium-dependent antibiotics with activity against multidrug-resistant Gram-positive pathogens. Bradley M. Hover, Seong-Hwam Kim, Micah Katz, Zachary Charlop-Powers, Jeremy G. Owen, Melinda A. Ternei, Jeffrey Maniko, Andreia B. Estrela, Henrik Molina, Steven Park, David S. Perlin, Sean F. Brady. Nature Microbiology doi:10.1038/s41564-018-0110-1 (2018).

Environmental Surveyor of Natural Product Diversity.

Publicat dins de 3. La Vida | Envia un comentari

L’habitabilitat subsuperficial de Terra durant l’Hadeà

Hom anomenà “hadeà” el primer eó geològic de la Terra, que abasta els primers 600 milions d’anys de l’existència planetària. El nom d’Hadeà a les condicions infernals (d’Hades) que regnaven com a conseqüència del procés d’acreció planetària i de la desintegració d’una càrrega superior d’elements radioactius. L’acreció, de fet, encara prenia la forma de freqüents col·lisions amb petits asteroides. O de no tan petits, car se suposa que l’impacte de la Terra amb el planeta Teia conduí a l’ejecció dels materials que donaren lloc a la Lluna. Fos com fos, és normal que hom assumís històricament que en aquest període la Terra no era habitable, i que els primeres formes de vida aparegueren en l’eó següent, l’arqueà, potser fa 3800 milions d’anys. De totes maneres, la tendència actual és fer retrocedir aquesta data. El geofísic Robert E. Grimm i el planetòleg Simone Marchi, del Southwest Research Institute de Boulder (Colorado) han modelitzat els efectes tèrmics del bombardament d’asteroides durant l’Hadeà sobre els primers quilòmetres de l’escorça planetària. Les conclusions les publicara en forma d’article el proper 1 de març a la revista Earth and Planetary Science Letters

Efectes tèrmics directes de l’acreció planetària sobre l’escorça terrestre durant l’Hadeà

Els efectes del bombardament perllongat en l’habitabilitat subsuperficial de la Terra durant l’Hadeà i el primer Arqueà

Un dels inconvenients per penetrar en la història de la Terra en l’Hadeà, és que els processos de circulació de l’escorça n’han esborrat gairebé tot rastre. Existeixen, però, materials datables en l’Hadeà, com zirconis. Alguns d’aquests zirconis detrítics es devien formar en presència d’aigua líquida, la qual cosa indica que, si més no en intervals, hi havia aigua líquida, sinó en la superfície terrestre, si en les capes subsuperficials.

Grimm & Marchi modelitzen l’evolució tèrmica de l’escorça terrestre durant l’Hadeà tenint present estimacions recents sobre el nivell de bombardament d’asteroides. Particularment, consideren els meteorors de majors dimensions (>100 km de diàmetres), que són els que produïen en la superfície terrestre enomes làmines de material fos.

Volums d’habitabilitats definits per temperatures compatibles amb l’aigua líquida

L’habitabilitat es defineix d’acord amb condicions de temperatura i pressió en les quals l’aigua es pugui trobar en estat líquid. Grimm &
Marchi modelitzen l’evolució de l’escorça durant el primer miler de milions d’anys (fa 4,5-3,5 milions d’anys). Segons el seu model tèrmic,
els volums d’habitabilitat creixen de manera continuada en el període. La tendència del bombardament a disminuir en intensitat promou aquest procés de refredament.

L’habitabilitat de la Terra hadeana

Hom anomena “esterilització global” a la desaparició completa del volum d’habitabilitat de l’escorça terrestre. El model de Grimm & Marchi mostra que això únicament abasta els primers 100 milions d’anys del període analitzat. De totes maneres, el bombardament és prou intens com per produir renovacions completes de la superfície terrestre en diverses ocasions durant el primer Hadeà (fa 4500-4200 milions d’anys). Ara bé, en el període posterior l’impacte tèrmic ja no és global. La formació de làmines de fusió com a conseqüència de grans impactes té un impacte limitat en l’espai i el temps i, en fer-se cada vegada més rars els grans impactes, la continuïtat de l’escorça queda com més va més garantida.

Les possibles biosferes subsuperficials de la Terra hadeana, doncs, tenien la capacitat de regnerar-se després d’un d’aquests impactes, a través de la infiltració d’aigües subterrànies. No obstant, Grimm & Marchi no descarten fenòmens d’esterilització global com a conseqüència de la formació d’atmosferes de vapor o de silicat-vapor.

Lligams:

Direct thermal effects of the Hadean bombardment did not limit early subsurface habitability. R. E. Grimm, S. Marchi. Earth Planet. Sci. Lett. 485, 1-8 (2018).

Life may have been possible in Earth’s earliest, most hellish eon. Carolyn Gramling. Science News, 26.01.2018

Publicat dins de 2. La Terra | Envia un comentari