Aunque hay muchos tipos de radiaciones, no hace falta conocer exactamente qué es la radiación para que se nos venga a la mente sucesos como el de Chernobyl (1986), Hiroshima (1945) o el accidente nuclear tras el maremoto en Fukushima (2011). La radiación siempre la asociamos ha algo muy nocivo para la salud. Una mala fama para la palabra radiación, ya que cuando se habla de radiación, poca gente se acuerda que la temperatura o la luz visible son dos formas de radiación. Por eso, voy a dar un breve repaso de lo que significa radiación.
Podemos definir el término radiación como la emisión de ondas electromagnéticas o de partículas subatómicas que producen algunos cuerpos y que se propaga a través del espacio. Por tanto, podemos distinguir la radiación electromagnética (infrarrojos, microondas, luz visible, UV, X, gamma) de la radiación corpuscular (radiación alfa, beta, neutrones, etc.).
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| Fig. 1: Tipos de radiaciones y partículas que la originan. Fuente: https://sites.google.com/site/wikilaradioactividadequipo3/radioactividad |
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| Fig. 2 Tipos de radiación ionizante más frecuentes. Fuente https://www.youtube.com/watch?v=1ZS9lIWmy3o |
Otra forma de agrupar la radiación es en ionizante y no ionizante. La radiación no ionizante no causa daño por poseer poca energía. Sin embargo, la radiación ionizante posee energía suficiente para producir un cambio en la materia, extrayendo electrones e ionizando el material (lo que hace que reaccione con otros). Las radiaciones ionizantes, por tanto, son las que causan daño en el organismo. Generalmente, una exposición elevada a radiación ionizante causa la muerte. Las radiaciones ionizantes son parte de la luz UV, los rayos X, gamma y las radiaciones alfa, beta y neutrinos entre otros. No hace falta entender más para lo que se expone en este post, si alguno quiere saber algo más en la wikipedia viene bastante bien explicado el tema (1,2).
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| Fig. 3 Representación del espectro electromagnético y clasificación según su longitud de onda y/o frecuencia. Imagen modificada de la obtenida en http://ibioii15.blogspot.com/2015/03/c5-4-mzo-reacciones-nucleares-y-rad.html |
En los organismos vivos, la radiación produce muchos daños, dependiendo de la energía y tiempo de exposición al que se someta el organismo a la radiación. Generalmente, el daño principal se ocasiona sobre la estructura de ADN de las células, ya sea directamente o indirectamente por modificaciones de moléculas ionizadas, como las Especies reactivas del oxígeno (ROS), produciendo la rotura del ADN y/o, induciendo mutaciones. Por ello, la célula puede dejar de funcionar a causa de un daño irreparable o inducir un fallo en su mecanismo celular, el más conocido, proliferación celular descontrolada (cáncer), aunque hay más efectos y muy diferentes entre sí.
La radiación ionizante se mide en unas unidades denominadas Grey (Gy). Una dosis media de radiación letal para los ratones está en 7 Gy, mientras que para los seres humanos esta resistencia es menor, de 4 Gy de media (3). Pero, sin embargo, mucha gente conoce "míticos ejemplos" de organismos que son capaces de sobrevivir a la radiación como las cucarachas. Pero ¿Es esto real o un mito? Según un estudio realizado por Discovery Channel, las cucarachas no soportan 100 000 Rads (1000 Gy) y, solo el 10% de cucarachas son capaces de resistir a una irradiación de 10 000 Rads (100 Gy). Solo el 50% de las cucarachas sobreviven a radiaciones que oscilan entre 20-40 Gy (4,5). Si tenemos en cuenta la radiación que emitió la bomba radiactiva lanzada sobre Hiroshima en 1945, soltó una radiación de casi 10 Gy en muchas zonas (6). El accidente de Chernobyl en 1986 dejaba yodo radiactivo que la gente aspiraba vía aérea y que se estimaba emitía 100 mSv (100 mGy) (7).
Lo que sí es seguro, es que los humanos no sobreviviríamos mucho tiempo a exposiciones continuas de radiación sin experimentar daño o muerte. Además, esta vulnerabilidad parece ser mayor cuanto más complejo es el animal. Como ya veremos, esta resistencia parece estar relacionado con el contenido en agua del organismo y proteínas de resistencia a la radiación, entre otros factores.
Los rotíferos, son un grupo de animales microscópico, que vive en entornos acuáticos y pueden llegar a sobrevivir a exposiciones de más de 1000 Gy. En este caso, y en otros muchos, parece que parte de la radiorresistencia o resistencia a la radiación viene de la mano con la capacidad de ciertos animales a resistir la deshidratación. Los rotíferos tienen la capacidad de aguantar la deshidratación formando unas estructuras denominadas quistes (8).
Los tardígrados, también conocidos como "osos de agua", son unos animales microscópicos fascinantes que mide de 0,1 a 1,2 mm, descubierto por el científico italiano Spallanzani en 1776. Se conocen cerca de 1 200 especies y están asociados a entornos húmedos de agua dulce. Sin embargo, estos animales son los más resistentes que yo haya estudiado hasta la fecha. Todos los tardígrados son capaces de aguantar una desecación casi completa, entrando en un estado metabólicamente lento llamado anhidrobiosis, resisten la congelación (-196 ºC) y sobreviven a la descongelación, así como a las altas temperaturas (aprox. 100ºC). Han viajado al espacio y ha revivido tras 10 días de viaje (resisten en el vació = presión negativa) y presiones muy elevadas (aprox. 7,5 GPa). Es decir, en pocas palabras es un "superanimal" capaz de resistirlo todo (3).
Pese a su minúsculo tamaño, estos animales son capaces de resistir en entornos impensables ¿También son capaces de resistir la radiación? Sí, también es capaz de resistir la radiación de entre 1 000 a 6 000 Gy para sobrevivir aproximadamente el 50% de su población (3, 9, 10). Al parecer, esta enorme resistencia que tienen los tardígrados es gracias a una proteína de supresión de daños denominada Dsup. La proteína Dsup, se encarga de interaccionar con el ADN e impedir el daño de la radiación, tanto directamente, como el producido indirectamente por los radicales libres como los ROS (3).
Pero los animales no son los únicos organismos radiorresistentes. Los microorganismos como arqueas y bacterias también son capaces de resistir enormes cantidades de radiación y vivir para contarlo. Un ejemplo de ello es la bacteria Escherichia coli que puede sobrevivir a niveles altos de radiación. Aunque parece que todas las cepas de esta especie bacteriana muere tras una exposición de 2000 Gy (3).
En 1956, en Oregon se identificó la primera cepa de una bacteria altamente radiorresistente, Deinococcus radiodurans. Este descubrimiento se produjo tras aislar esta cepa de D. radiodurans R1 en carne enlatada, que se había echado a perder de una lata irradiada con rayos X para esterilizarla. Estas especies bacterianas del género Deinococcus son grampositivos, no esporulativos, pigmentación roja, consmopolita y no patógena. Se han identificado solo 6 especies de este género que no solo son resistente a la radiación. También son resistentes a la luz UV y al peróxido de hidrógeno entre otros agentes dañinos del ADN. Sobrevive sin problema a radiación gamma de 6 krads/h (60 Gy/h) sin que se afecte su genoma por mutaciones o se dificulte su crecimiento (11).
¿Cómo consigue esta bacteria sobrevivir a más de 4000 Gy? La estructura de sus pared celular recuerda a la de gramnegativas. La pared de peptidoglicano no es continua, y se han llegado a caracterizar 6 tipos de pared celular que se separan que poseen diferentes estructuras y composición. Además, esta especie tiene 8 copias de su ADN en fase de crecimiento exponencial, lo que en parte puede explicar su resistencia a la rotura del ADN por radiación. No obstante, esto no es suficiente para sobrevivir a tales cantidades de radiación ionizante (11,12). Aunque también se ha visto que las células se dividen en tétradas, que pueden permanecer conectadas entre sí, con una división parcial, teniendo en común parte de su genética y siendo necesario aumentar el daño en el ADN para afectar a las tétradas de las células (12).
Hay que recordar, que el daño de la radiación puede ser directo en el ADN o indirecto, ionizando moléculas como el agua para generar ROS y dañar el ADN, entre otras estructuras. D. radiodurans se defiende de los ROS sintetizando proteínas que catalizan estos ROS dañinos en sustancias inocuas para la célula, llevando a cabo un proceso de desintoxicación. Este mecanismo es común en casi todas las células, ya que el proceso de respiración celular también genera ROS de los que debe defenderse la célula (11,12).
Se ha comprobado, que D. radiodurans es capaz de reparar entre 1 000 y 2 000 roturas de ADN doble en exposiciones de radiación de 1,75 Mrads (17.500 Gy). Esto, sumado a la disposición alienada y agregada de cromosomas para encontrar moldes de copias para la reparación del ADN (12). Por lo que es más eficiente en su reparación (11). Algunos estudios demuestran que las proteínas de resistencia a la desecación son importantes para la radiorresistencia, ya que cuando se elimina esta proteína, también se reduce la capacidad de sobrevivir en presencia de altas dosis de radiación. Estas proteínas, parecen haber sido adquiridas por transferencia horizontal de genes (THG) de plantas (3,11, 12).
Lo que parece ser claro, es que estas especies bacterianas, al igual que los animales resistentes a la radiación, no parecen tener un mecanismo único de defensa a la radiación ionizante. Son muchas las proteínas que están involucrados en la defensa de los diferentes daños que causa la radiación, siendo principal la protección del ADN y las proteínas (13).
Las arqueas (Archea) son organismos unicelulares con organización procariota, siendo más parecidos a las bacterias que a los eucariotas (ej de eucariotas, plantas, animales y hongos). Suelen vivir en hábitat extremos como pueden ser las salinas, aguas termales, fumarolas, etc. No es de extrañar, que habiendo animales y bacterias resistentes a la radiación haya ejemplares de radiorresistencia en un dominio de organismos que vive en ambientes extremos(14,15).
Existen varias arqueas que resisten altas dosis de radiación sin sufrir mutaciones o variaciones en su crecimiento, de entre ellas, la aquea más conocida es Thermococcus gammatolerans. Según estudios moleculares, tiene un único cromosoma circular. Se ha aislado de chimeneas termales ubicadas en las Cordilleras del Atlántico Medio y en la Cuenca de las Guayanas. T. gammatolerans EJ3 se obtuvo usando un cultivo enriquecido tras una exposición de 30 000 Gy. Descrito como un organismo heterótrofo anaerobio obligado con un crecimiento optimo a 88ºC. T. gammatolerans EJ3 es capaz de resistir 5 000 Gy sin detectarse mutaciones ni cambios en su crecimiento. Aunque aumentemos la dosis de radiación, este ve ligeramente reducida su viabilidad mientras que otras arqueas radiotolerantes reducen drásticamente su supervivencia (14). Este organismo crece en presencia de azufre y su ausencia parece correlacionarse con un descenso en su radiotolerancia y, una peor recuperación en el crecimiento tras su exposición a 2 500 Gy (14).
Como se puede comprobar, las estrategias empleadas en la resistencia a la radiación ionizante es muy diversa, dependiendo del tipo de organismo y del habitad que coloniza (recursos que es capaz de emplear como el azufre). Lo que parece ser común, es que esta resistencia no depende nunca de un único factor, hay muchas rutas y mecanismos implicados en esta resistencia.
La pregunta obligada es ¿Podemos usar estos microorganismos de alguna forma?¿Podemos usar su resistencia a la radiación en nuestro beneficio? La respuesta es sí, la utilidad más inmediata que se puede dar a estos microorganismos como la bacteria D. radiodurans es, modificarla genéticamente, para que sea capaz de retirar metales radiactivos de entornos contaminados. El uso de animales radiotolerantes, como rotíferos y tardígrados, es más complicado y muy limitado. Sin embargo, los microorganismos como las bacterias y arqueas, son mucho más sencillo de manipular y utilizar en temas de biorremediación. Además, cumplen un requisito fundamental, no son organismos patógenos (11, 16, 17). Esto puede ayudar a descontaminar con mucho tiempo aquellos sitios que están contaminados con metales radiactivos y, es una tecnología a explotar para intentar remediar errores humanos del pasado.
Lo que sin duda no se puede hacer, es modificar organismos para hacerlos radiotolerantes, ya que como he explicado, no se conocen bien los mecanismos moleculares de esta resistencia, solo se tienen indicios de que pueden estar usando a su favor en esta resistencia. Además, se dificulta su estudio, porque esta claro que intervienen muchas vías metabólicas, lo que hace inviable a día de hoy esta transformación.
Los que no somos capaces de resistir la radiación, somos los humanos, ni la gran parte de animales que habitan el planeta. Afortunadamente, la vida siempre encuentra mecanismos para sobrevivir donde la mayoría no aguantaríamos ni 20 minutos. Podemos cargarnos el planeta a base de contaminación de diversos tipos y provocar una extinción masiva en al que es seguro estaríamos nosotros, pero siempre van a resistir algunos organismos. En nuestra mano está seguir o no en este mundo.
Los microorganismos son capaces de resistir casi cualquier cosa y al ser sencillos podemos usarlos en diversas técnicas de biotecnología en nuestro beneficio.
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| Fig. 4: Daño celular a causada por una exposición a radiación ionizante. |
La radiación ionizante se mide en unas unidades denominadas Grey (Gy). Una dosis media de radiación letal para los ratones está en 7 Gy, mientras que para los seres humanos esta resistencia es menor, de 4 Gy de media (3). Pero, sin embargo, mucha gente conoce "míticos ejemplos" de organismos que son capaces de sobrevivir a la radiación como las cucarachas. Pero ¿Es esto real o un mito? Según un estudio realizado por Discovery Channel, las cucarachas no soportan 100 000 Rads (1000 Gy) y, solo el 10% de cucarachas son capaces de resistir a una irradiación de 10 000 Rads (100 Gy). Solo el 50% de las cucarachas sobreviven a radiaciones que oscilan entre 20-40 Gy (4,5). Si tenemos en cuenta la radiación que emitió la bomba radiactiva lanzada sobre Hiroshima en 1945, soltó una radiación de casi 10 Gy en muchas zonas (6). El accidente de Chernobyl en 1986 dejaba yodo radiactivo que la gente aspiraba vía aérea y que se estimaba emitía 100 mSv (100 mGy) (7).
Lo que sí es seguro, es que los humanos no sobreviviríamos mucho tiempo a exposiciones continuas de radiación sin experimentar daño o muerte. Además, esta vulnerabilidad parece ser mayor cuanto más complejo es el animal. Como ya veremos, esta resistencia parece estar relacionado con el contenido en agua del organismo y proteínas de resistencia a la radiación, entre otros factores.
Los rotíferos, son un grupo de animales microscópico, que vive en entornos acuáticos y pueden llegar a sobrevivir a exposiciones de más de 1000 Gy. En este caso, y en otros muchos, parece que parte de la radiorresistencia o resistencia a la radiación viene de la mano con la capacidad de ciertos animales a resistir la deshidratación. Los rotíferos tienen la capacidad de aguantar la deshidratación formando unas estructuras denominadas quistes (8).
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| Fig. 5: Imagen de un rotífero del genero Euchlanis. Fuente: https://www.naturalista.mx/taxa/126917-Rotifera |
Los tardígrados, también conocidos como "osos de agua", son unos animales microscópicos fascinantes que mide de 0,1 a 1,2 mm, descubierto por el científico italiano Spallanzani en 1776. Se conocen cerca de 1 200 especies y están asociados a entornos húmedos de agua dulce. Sin embargo, estos animales son los más resistentes que yo haya estudiado hasta la fecha. Todos los tardígrados son capaces de aguantar una desecación casi completa, entrando en un estado metabólicamente lento llamado anhidrobiosis, resisten la congelación (-196 ºC) y sobreviven a la descongelación, así como a las altas temperaturas (aprox. 100ºC). Han viajado al espacio y ha revivido tras 10 días de viaje (resisten en el vació = presión negativa) y presiones muy elevadas (aprox. 7,5 GPa). Es decir, en pocas palabras es un "superanimal" capaz de resistirlo todo (3).
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| Fig. 6: Imagen de un tardígrado o también llamado oso de agua. Fuente: http://www.flickriver.com/photos/microagua/3098217603/ |
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| Fig. 7: Modelo esquemático de la protección del ADN por la proteína Dsup del daño por radiación. La radiación induce roturas del ADN, que podrían interferir en la replicación del ADN y en la expresión génica. Las células muy dañadas pierden su capacidad proliferativa y están destinadas a la muerte. La proteína Dsup suprime el daño en el ADN inducido por rayos X dependiendo de la asociación con el ADN nuclear, posiblemente a través de la protección física o la desintoxicación de especies reactivas de oxígeno (ROS) generadas por los efectos de la radiación indirecta. De este modo, la proteína Dsup puede mejorar la radiotolerancia de las células animales cultivadas..Fuente: Hashimoto & Kunieda (2017). |
Pero los animales no son los únicos organismos radiorresistentes. Los microorganismos como arqueas y bacterias también son capaces de resistir enormes cantidades de radiación y vivir para contarlo. Un ejemplo de ello es la bacteria Escherichia coli que puede sobrevivir a niveles altos de radiación. Aunque parece que todas las cepas de esta especie bacteriana muere tras una exposición de 2000 Gy (3).
En 1956, en Oregon se identificó la primera cepa de una bacteria altamente radiorresistente, Deinococcus radiodurans. Este descubrimiento se produjo tras aislar esta cepa de D. radiodurans R1 en carne enlatada, que se había echado a perder de una lata irradiada con rayos X para esterilizarla. Estas especies bacterianas del género Deinococcus son grampositivos, no esporulativos, pigmentación roja, consmopolita y no patógena. Se han identificado solo 6 especies de este género que no solo son resistente a la radiación. También son resistentes a la luz UV y al peróxido de hidrógeno entre otros agentes dañinos del ADN. Sobrevive sin problema a radiación gamma de 6 krads/h (60 Gy/h) sin que se afecte su genoma por mutaciones o se dificulte su crecimiento (11).
¿Cómo consigue esta bacteria sobrevivir a más de 4000 Gy? La estructura de sus pared celular recuerda a la de gramnegativas. La pared de peptidoglicano no es continua, y se han llegado a caracterizar 6 tipos de pared celular que se separan que poseen diferentes estructuras y composición. Además, esta especie tiene 8 copias de su ADN en fase de crecimiento exponencial, lo que en parte puede explicar su resistencia a la rotura del ADN por radiación. No obstante, esto no es suficiente para sobrevivir a tales cantidades de radiación ionizante (11,12). Aunque también se ha visto que las células se dividen en tétradas, que pueden permanecer conectadas entre sí, con una división parcial, teniendo en común parte de su genética y siendo necesario aumentar el daño en el ADN para afectar a las tétradas de las células (12).
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| Fig. 8: Imágenes de Deinococcus radiodurans. A) Imagen obtenida por microscopía de fluorescencia a partir de 1 sola célula cultivada en TGY a 30ºC. La membrana a sido teñida con FM 4-64 (rojo) y los nucleótidos con DAPI (azul). B) Imagen obtenida con un microscopio de contraste de fases a partir de una sola tétrada. C) Microscopía electrónica de transmisión (MET). Imagen modificada de (3) |
Hay que recordar, que el daño de la radiación puede ser directo en el ADN o indirecto, ionizando moléculas como el agua para generar ROS y dañar el ADN, entre otras estructuras. D. radiodurans se defiende de los ROS sintetizando proteínas que catalizan estos ROS dañinos en sustancias inocuas para la célula, llevando a cabo un proceso de desintoxicación. Este mecanismo es común en casi todas las células, ya que el proceso de respiración celular también genera ROS de los que debe defenderse la célula (11,12).
Se ha comprobado, que D. radiodurans es capaz de reparar entre 1 000 y 2 000 roturas de ADN doble en exposiciones de radiación de 1,75 Mrads (17.500 Gy). Esto, sumado a la disposición alienada y agregada de cromosomas para encontrar moldes de copias para la reparación del ADN (12). Por lo que es más eficiente en su reparación (11). Algunos estudios demuestran que las proteínas de resistencia a la desecación son importantes para la radiorresistencia, ya que cuando se elimina esta proteína, también se reduce la capacidad de sobrevivir en presencia de altas dosis de radiación. Estas proteínas, parecen haber sido adquiridas por transferencia horizontal de genes (THG) de plantas (3,11, 12).
Lo que parece ser claro, es que estas especies bacterianas, al igual que los animales resistentes a la radiación, no parecen tener un mecanismo único de defensa a la radiación ionizante. Son muchas las proteínas que están involucrados en la defensa de los diferentes daños que causa la radiación, siendo principal la protección del ADN y las proteínas (13).
Las arqueas (Archea) son organismos unicelulares con organización procariota, siendo más parecidos a las bacterias que a los eucariotas (ej de eucariotas, plantas, animales y hongos). Suelen vivir en hábitat extremos como pueden ser las salinas, aguas termales, fumarolas, etc. No es de extrañar, que habiendo animales y bacterias resistentes a la radiación haya ejemplares de radiorresistencia en un dominio de organismos que vive en ambientes extremos(14,15).
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| Fig. 9: Árbol filogenético de la vida según su clasificación en los tres dominios: Bacteria, Arquea y Eucariota. Fuente: Wikipedia. |
Existen varias arqueas que resisten altas dosis de radiación sin sufrir mutaciones o variaciones en su crecimiento, de entre ellas, la aquea más conocida es Thermococcus gammatolerans. Según estudios moleculares, tiene un único cromosoma circular. Se ha aislado de chimeneas termales ubicadas en las Cordilleras del Atlántico Medio y en la Cuenca de las Guayanas. T. gammatolerans EJ3 se obtuvo usando un cultivo enriquecido tras una exposición de 30 000 Gy. Descrito como un organismo heterótrofo anaerobio obligado con un crecimiento optimo a 88ºC. T. gammatolerans EJ3 es capaz de resistir 5 000 Gy sin detectarse mutaciones ni cambios en su crecimiento. Aunque aumentemos la dosis de radiación, este ve ligeramente reducida su viabilidad mientras que otras arqueas radiotolerantes reducen drásticamente su supervivencia (14). Este organismo crece en presencia de azufre y su ausencia parece correlacionarse con un descenso en su radiotolerancia y, una peor recuperación en el crecimiento tras su exposición a 2 500 Gy (14).
Como se puede comprobar, las estrategias empleadas en la resistencia a la radiación ionizante es muy diversa, dependiendo del tipo de organismo y del habitad que coloniza (recursos que es capaz de emplear como el azufre). Lo que parece ser común, es que esta resistencia no depende nunca de un único factor, hay muchas rutas y mecanismos implicados en esta resistencia.
La pregunta obligada es ¿Podemos usar estos microorganismos de alguna forma?¿Podemos usar su resistencia a la radiación en nuestro beneficio? La respuesta es sí, la utilidad más inmediata que se puede dar a estos microorganismos como la bacteria D. radiodurans es, modificarla genéticamente, para que sea capaz de retirar metales radiactivos de entornos contaminados. El uso de animales radiotolerantes, como rotíferos y tardígrados, es más complicado y muy limitado. Sin embargo, los microorganismos como las bacterias y arqueas, son mucho más sencillo de manipular y utilizar en temas de biorremediación. Además, cumplen un requisito fundamental, no son organismos patógenos (11, 16, 17). Esto puede ayudar a descontaminar con mucho tiempo aquellos sitios que están contaminados con metales radiactivos y, es una tecnología a explotar para intentar remediar errores humanos del pasado.
Lo que sin duda no se puede hacer, es modificar organismos para hacerlos radiotolerantes, ya que como he explicado, no se conocen bien los mecanismos moleculares de esta resistencia, solo se tienen indicios de que pueden estar usando a su favor en esta resistencia. Además, se dificulta su estudio, porque esta claro que intervienen muchas vías metabólicas, lo que hace inviable a día de hoy esta transformación.
Los que no somos capaces de resistir la radiación, somos los humanos, ni la gran parte de animales que habitan el planeta. Afortunadamente, la vida siempre encuentra mecanismos para sobrevivir donde la mayoría no aguantaríamos ni 20 minutos. Podemos cargarnos el planeta a base de contaminación de diversos tipos y provocar una extinción masiva en al que es seguro estaríamos nosotros, pero siempre van a resistir algunos organismos. En nuestra mano está seguir o no en este mundo.
Los microorganismos son capaces de resistir casi cualquier cosa y al ser sencillos podemos usarlos en diversas técnicas de biotecnología en nuestro beneficio.
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