Semillas envejecidas Revelan el rol clave de una enzima en la germinación y la recuperación

 

 Semilla normal de A. thaliana bajo microscopio confocal. Créditos: gentileza investigadores.

Revelan el rol clave de una enzima en la germinación y la recuperación de semillas envejecidas

El estudio de un equipo del CONICET describe por primera vez la actividad de la proteína MBD4L en la reparación de los daños genéticos que sufren las semillas al ser almacenadas. 

La investigación representa un valioso aporte a futuros desarrollos biotecnológicos para la agricultura.

Especialistas del CONICET describieron por primera vez la función clave de una enzima de reparación del ADN, llamada MBD4L, en la germinación de las semillas y en evitar su envejecimiento durante el almacenamiento. 

Sus hallazgos, publicados recientemente en la revista The Plant Journal, abren nuevas perspectivas sobre la importancia de esta enzima en las primeras etapas de vida de las plantas y podrían tener significativas aplicaciones en la agricultura y la biotecnología.

“El envejecimiento de las semillas es un proceso que lleva a la acumulación de daños en sus moléculas y su genoma. 

Constituye un problema, porque las semillas envejecidas tienen menor viabilidad y vigor, lo que puede resultar en cosechas menos productivas. 

Si bien el envejecimiento ocurre de forma natural, también puede ser exacerbado por ciertas condiciones climáticas, como una alta humedad relativa y temperaturas extremas”, explica Ignacio Lescano López, investigador del CONICET en la Unidad de Estudios Agropecuarios (UDEA, CONICET-INTA) y primer autor del trabajo.

María Elena Álvarez e Ignacio Lescano López. Créditos: gentileza investigadores.

Ya se sabe que estas mutaciones en el genoma deben repararse antes de la germinación, para que no se transmitan a la siguiente generación y puedan perjudicar el crecimiento y sobrevida de la planta. 

“En este estudio, verificamos que MBD4L es necesaria para activar un mecanismo que remueve los errores acumulados en el ADN, denominado sistema de reparación por escisión de bases (BER). 

Vimos que la actividad de la enzima ocurre durante la imbibición, que es el proceso de toma de agua de la semilla en momentos previos a la germinación. 

Con la imbibición, se empieza a activar el metabolismo de la semilla, así como estos sistemas de reparación del ADN”, destaca Lescano.

Para investigar los efectos de MBD4L en la germinación, los científicos utilizaron semillas de una planta modelo, Arabidopsis thaliana, con distintos niveles de la enzima. 

Por un lado, demostraron que las semillas mutantes que no producen la enzima sufren un retardo en la germinación y tienen menor viabilidad, luego de ser almacenadas por un año. 

A su vez, obtuvieron líneas transgénicas que producen más copias de MBD4L y observaron que sus semillas presentan una mejor respuesta de la reparación y una germinación más rápida. 

“Al ver las dos caras de la misma moneda, la falta y el exceso de la enzima, se confirma su función en las plantas”, comenta María Elena Álvarez, investigadora del CONICET en el Centro de Investigaciones en Química Biológica de Córdoba (CIQUIBIC, CONICET-UNC) y directora del equipo.

Según los autores, estos hallazgos podrían tener gran relevancia para el desarrollo de herramientas biotecnológicas que propicien la viabilidad de semillas y las vuelvan más resistentes al envejecimiento. 

“En 2022, presentamos nuestros resultados en un congreso internacional sobre respuestas moleculares en plantas frente al cambio climático y recibimos buenas repercusiones. 

En el contexto actual de cambio global, uno de los problemas es el aumento de la temperatura en los lugares donde se conservan las semillas. 

Por eso, es crucial encontrar maneras de mantener y mejorar la calidad de las semillas almacenadas para garantizar una producción agrícola sostenible”, afirma Lescano.

Izq. a der.: Ignacio Lescano López, José R. Torres, Nicolás Cecchini y María Elena Álvarez. Créditos: gentileza investigadores.

La investigación básica germina con el esfuerzo sostenido

Aunque desde hace tiempo se conoce la función de esta enzima de reparación genética en mamíferos, su equivalente en plantas ha sido menos investigado. 

El equipo dirigido por María Elena Álvarez tiene una trayectoria de diez años en el estudio de la actividad de MBD4L en Arabidopsis thaliana.

“Varios becarios han transitado por esta línea de investigación, aportando distintos conocimientos sobre la enzima. 

Nuestro interés es conocer sus efectos en diferentes condiciones en las que la planta está sometida a estrés. 

En una investigación previa mostramos por primera vez, mediante experimentos in vivo, que la enzima se activa en las plantas frente al daño generado por agentes genotóxicos. 

Luego, en el presente trabajo, buscamos detectar la actividad de MBD4L en alguna etapa de la vida de la planta, en condiciones fisiológicas. 

Así, elegimos la semilla como modelo para estudiar la reparación de las lesiones que se producen en el ADN durante el tiempo en que está conservada en estado de dormancia”, relata la científica.

De la investigación publicada este año en The Plant Journal también participaron José R. Torres, actualmente becario postdoctoral del CONICET en el Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura (IFEVA , CONICET-UBA), y Nicolás Cecchini, investigador del CONICET en el CIQUIBIC.

“Estamos abiertos a colaborar con expertos del área aplicada y de la biotecnología que tengan interés en el tema. 

Contamos con muchas herramientas para monitorear la actividad de la enzima y saber si está activa o no, sabemos dónde y cómo estudiarla y aunque aún no tenemos modelos de plantas de interés agronómico, estamos abiertos a emprender este tipo de estudios. 

Este es un ejemplo de que los desarrollos aplicados son fruto de una larga historia de inversión en investigación básica, cuya continuidad depende del apoyo a los jóvenes científicos que serán los nuevos líderes de la ciencia argentina”, concluye Álvarez.

Referencias bibliográficas:

Lescano López, I., Torres, J. R., Cecchini, N. M., & Alvarez, M. E. (2024). Arabidopsis DNA glycosylase MBD4L improves recovery of aged seeds. The Plant Journal, 119(4), 2021-2032. Doi: .Arabidopsis DNA glycosylase MBD4L improves recovery of aged seeds - Lescano López - 2024 - The Plant Journal - Wiley Online Library

Por María Pía Tavella – Área de Comunicación CONICET Córdoba

CONICET

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La esclerosis múltiple dejó de ser sinónimo de discapacidad

  

La médica Berenice Silva (der) junto a la investigadora Carina Ferrari, en el Laboratorio de Terapias Regenerativas y Protectoras del Sistema Nervioso Central de nuestro Instituto.

“Gracias a la ciencia, la esclerosis múltiple dejó de ser sinónimo de discapacidad”

En el Día Mundial de la Esclerosis Múltiple, la neuróloga e investigadora de nuestro Instituto Berenice Silva asegura que los nuevos tratamientos cambiaron el curso natural de la enfermedad en sólo una década. 

Y cuenta cómo avanza su prometedor trabajo para encontrar terapias efectivas contra las formas más severas de la patología.

“Cuando empecé en esta especialidad, hace unos 12 años, había muy pocas opciones terapéuticas y era muy duro darle a los pacientes un diagnóstico de esclerosis múltiple, porque era una enfermedad que llevaba irremediablemente a la silla de ruedas y a un deterioro cognitivo severo. 

Hoy ese panorama cambió de manera rotunda: gracias a la investigación científica, que aportó más de 10 nuevos tratamientos, los pacientes pueden llevar una vida normal y dejó de ser sinónimo de discapacidad”. 

En el Día Mundial de la Esclerosis Múltiple, Berenice Silva, neuróloga e investigadora de nuestro Laboratorio de Terapias Regenerativas y Protectoras del Sistema Nervioso Central deja un mensaje esperanzador para los 3 millones de personas que viven con esa enfermedad en el mundo.

Silva se recibió de médica en la Universidad Nacional de La Plata (UNLP) e hizo la especialidad en Neurología en el Hospital Ramos Mejía. 

En esos cuatro años de formación descubrió su interés por la esclerosis múltiple, porque le impactaba que fuera una enfermedad que se diagnosticaba en gente de entre 20 y 40 años. 

“Es de las pocas patologías neurológicas que afecta a personas jóvenes. 

Están en la mejor etapa de sus vidas, con un montón de proyectos laborales, académicos y personales, y justo en ese momento les cae un diagnóstico que es muy fuerte”, explica.

Por aquella época, había unos pocos tratamientos disponibles para la forma más común de la enfermedad, llamada “esclerosis múltiple en brotes y remisiones” (que afecta al 85% de los pacientes) y era un área en la que se estaba investigando mucho, algo que también fomentó la curiosidad de Silva. 

Así fue que viajó a España para profundizar su formación. 

Primero, en el Hospital Vall d’ Hebron, en Barcelona, y luego en el Hospital Carlos Haya, de Málaga, dos centros de referencia mundial sobre la patología.  

“Para formarnos en esclerosis múltiple siempre intentamos ir a algún centro de Europa, Estados Unidos o Canadá, porque ellos tienen una altísima prevalencia de la enfermedad. 

Mientras en Argentina tenemos unos 35 casos por cada 100 mil habitantes, allá hay alrededor de 350 cada 100 mil”, asegura Silva, quien durante su viaje a España descubrió una nueva vocación. 

“Fui como médica a atender pacientes a dos centros líderes, que también son fuertes en investigación clínica y traslacional, aquella que busca transformar hallazgos de laboratorio en tecnologías como puede ser un fármaco. 

Y como me di cuenta que en lo que tenía que ver con lo asistencial no había mucha diferencia con lo que se hacía en Argentina, empecé a pensar qué me podía llevar de diferente para cuando regresara”, dice.

Tentada por el modelo animal de esclerosis múltiple en ratones con el que investigaban sus pares en Barcelona, a Silva le empezó a interesar la parte de la medicina traslacional y la ciencia básica aplicada a esa enfermedad. 

Por eso, cuando volvió a Argentina se propuso buscar investigadores que trabajaran en ese tema en el país. 

Ese fue el inicio de su vínculo con los investigadores del CONICET en la Fundación Instituto Leloir, Fernando Pitossi y Carina Ferrari.

Gracias a una beca de la Fundación René Barón, que le permitió realizar un doctorado con sede en la FIL y el Hospital Italiano de Buenos Aires mientras continuaba con su actividad como médica, Silva pudo desarrollar, junto a Ferrari (quien fue becaria en Inglaterra de la Federación Internacional de Esclerosis Múltiple -MSIF, por sus siglas en inglés), un modelo en ratas que refleja aspectos clínicos importantes de las formas progresivas de la enfermedad. 

Se trata de la variante más discapacitante, que afecta a alrededor del 15% de los pacientes y para las que hay sólo dos opciones terapéuticas. 

“No todas las instituciones financiadoras de tesis doctorales te permiten mantener la actividad asistencial, pero por suerte yo pude sostenerla. 

Me parecía una picardía dejarla de lado, porque creo que mi conocimiento clínico le aportaba muchísimo a lo que quería investigar en animales.

Son áreas que se complementan y se potencian y me parece que justamente gracias a esa combinación de la medicina con la ciencia es que surgen nuevos tratamientos que cubren necesidades no satisfechas de la práctica clínica”, enfatiza Silva, quien asegura que dar ese salto no fue nada fácil. 

“En Argentina prácticamente no existe la investigación financiada en Medicina sin dejar de lado la tarea asistencial y yo me propuse investigar en el marco de una tesis doctoral sin dejar de atender pacientes. 

Tuve que aprender de cero a hacer cosas que no había hecho nunca en mi vida, como usar una pipeta, realizar una PCR [método para amplificar material genético] y trabajar con animales de laboratorio, pero me apasionaba demasiado”, reconoce la especialista. 

Para generar conciencia

La esclerosis múltiple es una de las enfermedades más comunes del sistema nervioso central (cerebro y médula espinal). 

Es crónica y se caracteriza por el ataque del propio sistema inmune del organismo a la sustancia que recubre los nervios (mielina), lo que va generando lesiones en la sustancia blanca del cerebro –donde están las fibras nerviosas–, y en la sustancia gris, que contiene a las neuronas. Por eso, sin tratamiento, la patología deriva en distinto tipo de discapacidades motoras y cognitivas.

Los síntomas más comunes son visión borrosa, debilidad en las extremidades, sensación de hormigueo, inestabilidad, problemas de memoria y fatiga. 

En los casos más graves o cuando la enfermedad ya está avanzada, las personas ya no pueden valerse por sí mismas. 

Si bien, por el momento, no hay ningún medicamento que pueda curarla, existen tratamientos que pueden modificar el curso de la enfermedad y por eso es clave el acceso al diagnóstico temprano.

Impulsado por la MSIF el Día Mundial de la Esclerosis Múltiple se celebra, desde 2009, cada 30 mayo. 

Este año el foco está puesto en el diagnóstico precoz y preciso, y pone de relieve las barreras que lo dificultan. 

También apunta a mejorar la formación de los profesionales de la salud en esclerosis múltiple e impulsa la realización de nuevas investigaciones para lograr avances clínicos. 

En ese camino están, precisamente, Silva, Ferrari y sus colegas de la FIL. 

“Por medio de un subsidio del Laboratorio Biogen estamos avanzando en la búsqueda de nuevos blancos terapéuticos para la afección de la corteza cerebral que se produce más frecuentemente en las formas primaria y secundaria progresiva de la enfermedad, usando nuestro modelo animal”, aseguró la neuróloga. 

Y añadió: “Ya hicimos los estudios de proteómica de sangre, corteza cerebral y líquido cefalorraquídeo de los animales y ahora estamos analizando los datos para poder publicarlos. 

Encontramos moléculas realmente muy interesantes que, esperamos, puedan ayudar al desarrollo de nuevos fármacos”. 

FIL.

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Ciencia del futuro con una supercomputadora

 

Un equipo de la CNEA construye la ciencia del futuro con una supercomputadora

La División Teoría del Departamento de Física de la Materia Condensada está abocada principalmente a la ciencia básica. 

Su principal herramienta es una supercomputadora de 50 nodos y 1.000 núcleos que puede realizar 10.000 millones de operaciones por segundo. 

La utilizan para realizar simulaciones.

¿Cómo fluiría un líquido a través de canales de escala nano revestidos por polímeros? 

¿Cómo se podría mejorar la extracción del calor que generan los dispositivos electrónicos? 

¿Se pueden usar métodos electroquímicos para separar los isótopos del litio para aplicaciones en tecnología nuclear? 

¿Es posible convertir el dióxido de carbono de la atmósfera en combustible? 

Estos son algunos de los interrogantes para los que busca respuestas la División Teoría del Departamento de Física de la Materia Condensada, que depende de la Gerencia de Investigación y Aplicaciones de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA). 

Para resolverlos cuenta con una poderosa aliada: una supercomputadora con la capacidad de hacer 10.000 millones de operaciones por segundo.

La División Teoría está abocada principalmente a la ciencia básica: genera conocimientos que la ciencia aplicada usa como sustento para elaborar soluciones prácticas para diferentes problemas científicos en general y necesidades del área nuclear en particular. 

La jefa de este equipo, la doctora en Física Verónica Vildosola, explica:

“Nuestro objetivo es estudiar las propiedades físicas y físicoquímicas de distintos tipos de materiales y sistemas de interés para la CNEA y también responder problemas fundamentales de las ciencias básicas. 

Para esto nos valemos de diversas técnicas que utilizan tanto herramientas de la mecánica cuántica como de la mecánica estadística”.

La mecánica estadística es la rama de la Física que se vale de la teoría de la probabilidad para deducir el comportamiento de sistemas macroscópicos, que son los que están formados por miles de millones de partículas, como los sólidos, los líquidos o los gases. 

Mientras tanto, la mecánica cuántica estudia los cuerpos a escala muy pequeña, los sistemas atómicos y subatómicos, así como sus interacciones con la radiación electromagnética y otras fuerzas.

La supercomputadora es utilizada para hacer simulaciones y estudiar cómo se comportaría un sistema. 

Se utilizan códigos de primeros principios basados en la mecánica cuántica; de dinámica molecular, que analiza el comportamiento de un sistema físico, químico o biológico a través del tiempo calculando las fuerzas entre sus átomos mediante las ecuaciones del movimiento de Newton, y Montecarlo. 

Este último método es una técnica matemática que, con la ayuda de la estadística, predice los posibles resultados de un evento incierto.

Hacer pruebas mediante simulaciones ofrece la posibilidad de controlar en detalle el sistema, así como de observar cada uno de sus elementos en particular. 

“Es como utilizar un microscopio superpoderoso, pero virtual, que permite ver cosas que en un microscopio normal no se podrían observar”, compara el doctor en Física Claudio Pastorino, que utiliza esta herramienta para estudiar la física de los polímeros, que es la de las grandes moléculas compuestas por la unión de moléculas más pequeñas.

La supercomputadora fue bautizada como Sol 67 y convive con otras más pequeñas en el Laboratorio de Simulación, Diseño y Modelado Computacional (LABSIM). 

La utilizan a tiempo completo 14 investigadores y 12 estudiantes no solo para sus trabajos, sino para la formación de recursos humanos tanto de distintas dependencias de la CNEA como de diversas instituciones de ciencia y técnica.

Ubicado en una sala con una refrigeración especial, el LABSIM cuenta con 50 nodos que reúnen 1.000 núcleos de procesamiento que trabajan en paralelo y sin detenerse nunca. 

De esta manera pueden resolver mucho más rápido los problemas planteados. 

Lo que en una computadora común requeriría un mes, aquí se resuelve en un día. 

La memoria RAM de esta supercomputadora es de 3 Terabytes y tiene capacidad para almacenar 54TB. 

Sus nodos se comunican a través de una red mucho más veloz que Internet, llamada InfiniBand.

Algunas líneas de investigación

Entre otras investigaciones, actualmente el LABSIM se utiliza en los siguientes proyectos:

Flujo de líquidos y gotas en la nano-escala con aplicaciones en microfluídica. 

La microfluídica busca generar procesos bioquímicos o físico-químicos complejos dentro de un chip por el que fluyen líquidos en lugar de corriente eléctrica. 

Un ejemplo de su uso es el “lab-on-chip”, un minúsculo laboratorio para diagnosticar enfermedades. 

Para aplicaciones como esta, es fundamental poder controlar cómo circula el líquido por el chip.

“Utilizamos la supercomputadora para hacer simulaciones de dinámica molecular fuera de equilibrio, con el fin de estudiar el flujo de líquidos simples y complejos confinados en nano-canales. 

Las paredes de esos nano-canales están revestidas con polímeros que modifican la forma en que fluye el líquido o lo convierten en gotas que, a su vez, después pueden transformarse en carriers para, por ejemplo, llevar una medicación”, detalla Pastorino.

Separación isotópica de litio por métodos electroquímicos para aplicaciones en tecnología nuclear. 

Los isótopos son átomos de un mismo elemento químico con la misma cantidad de protones, pero distinto número de neutrones. 

En el caso del litio, tiene un isótopo pesado (7Li) con 3 protones, 4 neutrones y 3 electrones, y uno liviano (6Li) que tiene un neutrón menos. 

Cada uno de ellos sirve para diferentes aplicaciones. 

Por ejemplo, el litio pesado se usa para proteger de la corrosión al circuito primario de los reactores nucleares de agua pesada. 

El litio liviano se utiliza en centelladores, como los que se emplean para hacer diagnósticos médicos por imágenes. 

También es el futuro combustible de los reactores de fusión o soles artificiales.

“Nosotros estudiamos el desarrollo de un método para separar los isótopos del litio -cuenta Vildosola-. 

El método actual para hacerlo utiliza mercurio y es muy contaminante. 

En la CNEA investigamos alternativas sustentables, en particular, en el Centro Atómico Constituyentes trabajamos con métodos electroquímicos. 

En una celda similar a la de las baterías de ion litio, si se eligen bien los materiales, el litio se deposita en diferente proporción a la natural y se pueden separar sus isótopos. 

Las simulaciones nos permiten entender los mecanismos que dan lugar al fraccionamiento isotópico y analizar el comportamiento de distintos materiales”.

Por otro lado, hay un grupo que investiga nuevos materiales y aplicaciones de baterías de litio.

Transferencia de calor a escala nanoscópica en interfaces líquido-vapor. 

Este proyecto investiga el flujo de calor desde una pared caliente hacia otra más fría atravesando una fase gaseosa y otra líquida, como ocurre en intercambiadores de calor que se utilizan para generación eléctrica. 

El objetivo es entender el efecto de los polímeros fijados en la pared en la transferencia de calor, es decir si contribuyen a remover o absorber el calor más eficientemente.

Los fenómenos de transferencia de calor tienen una gran importancia en un amplísimo rango de aplicaciones que van desde los procesos de generación y conversión de energía, el enfriamiento de motores o la criogenia hasta los dispositivos electrónicos. 

En el futuro, estas aplicaciones requerirán un funcionamiento a mayor densidad de energía, lo que implicará una mayor generación de calor, que deberá ser removido de manera más eficiente.

A su vez, el flujo de calor puede dar lugar a cambios de fase, como en procesos de condensación o ebullición. 

Estos fenómenos se utilizan en plantas de potencia eléctrica, desalinización térmica, calefacción y refrigeración doméstica, enfriamiento de dispositivos electrónicos y recuperación de calor desechado. 

Una mejora en la eficiencia de los procesos de transferencia de calor implicaría un gran impacto, tanto ambiental como económico. 

Además, uno de los desafíos más importantes para continuar la carrera de miniaturización de los dispositivos electrónicos es lograr una extracción eficiente del calor que se genera en estos.

Propiedades electrónicas de materiales topológicos. 

Los materiales topológicos se caracterizan por tener propiedades de simetría en su interior que afectan de manera particular el comportamiento de los estados de sus superficies o bordes, los que son robustos a imperfecciones como la presencia de tensiones, defectos o impurezas. 

Por ese motivo, se los considera prometedores en cuanto a su potencial aplicación en computación cuántica, al desarrollo de novedosos dispositivos electrónicos y a la ciencia de materiales en general. 

En la CNEA se estudia el comportamiento de los estados de superficie topológicos (ETS) en presencia de moléculas adsorbidas con el fin de entenderlo con vistas a su control o manipulación. 

Además, se busca saber si estos materiales pueden catalizar en forma más eficiente reacciones químicas de interés en energía y medio ambiente. 

El proyecto consiste también en describir las propiedades electrónicas de diferentes materiales topológicos en interacción con distintas moléculas

Electrorreducción del dióxido de carbono. 

El aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera y su impacto negativo en el medio ambiente han estimulado el desarrollo de tecnologías y procesos para capturarlo y convertirlo en compuestos que puedan ser utilizados como combustibles o materias primas en procesos industriales. 

Estos procesos pueden darse en una celda electroquímica eligiendo componentes apropiados para los electrodos. 

El CO2 ingresa en forma de gas en la celda y se adhiere al material utilizado como electrodo. 

Luego reacciona químicamente con otras especies presentes (protones) y así se convierte en un producto diferente. 

Con la herramienta de la simulación computacional, en la CNEA se trabaja para comprender los fenómenos fisicoquímicos involucrados, lo que complementa la tarea experimental hecha en el laboratorio y permite diseñar materiales más eficientes para catalizar la reacción de conversión de CO2.

CNEA

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