La espectrometría de masas en la exploración espacial

 

Introducción

 A finales de los ochenta y principios de los noventa, la instrumentación de espectrometría de masas (MS) sufrió una considerable evolución pasando de  aparatos complejos, tan grandes como una habitación, a sistemas más sencillos capaces de caber en una bancada. Este proceso se debe, en gran parte, a las restricciones impuestas por el programa espacial de la NASA (National Aeronautics and Space Administration)  a cualquier instrumento enviado al espacio.  Tales condicionantes a la operación del instrumento hicieron que la espectrometría de masas fuera seleccionada entre otras técnicas analíticas por su versatilidad, robustez y perspectivas de automatización y miniaturización. Así pues, el programa de exploración espacial impulsó el desarrollo de espectrómetros de masas altamente automatizados, de tamaño y peso mínimo y con una elevada robustez a las condiciones ambientales.

Las aplicaciones fundamentales de los MS en el espacio han sido fundamentalmente científicas, sin embargo, no hay que olvidar que también son utilizados para monitorizar las atmósferas las cabinas  de las estaciones espaciales y los transbordadores. El espacio representa quizás el ambiente más hostil para la operación de un instrumento tanto en condiciones físicas como humanas. Un instrumento utilizado en la exploración espacial debe resistir las fuerzas G elevadas, vibraciones y traqueteos de la salida y entrada a la atmósfera. Además, la ausencia de controladores humanos hace imperativa la automatización del sistema así como la redundancia y robustez de los dispositivos que permitan la correcta operación del instrumento aun habiéndose averiado algún componente.  Además, todo el espectrómetro debe soportar los rigores del espacio como la radiación, las grandes variaciones de presión y temperatura o los efectos corrosivos del oxígeno molecular y los radicales en las altas atmósferas. Como condición adicional, los costes económicos del envío de material al espacio obligan a que el instrumento sea lo más reducido posible, siendo imperativa la miniaturización y la optimización del gasto energético producido por el sistema.  Con todo, el MS debe preservar y maximizar sus cualidades analíticas como la precisión, la selectividad, la sensibilidad, la exactitud y la rapidez.

Los MS enviados al espacio han utilizado todo tipo de analizadores desde tiempo de vuelo (TOF), sectoriales en distintas configuraciones, cuadrupolos y trampas de iones cilíndricas y de cuadrupolo.  Puesto que la familia de instrumentos espaciales es relativamente grande, en esta revisión nos centraremos en los ejemplos más notables de dos de las aplicaciones fundamentales de la MS a la exploración espacial: el análisis de composición atmosférica y las sondas terrestres.

Análisis de composición atmosférica

En las misiones atmosféricas, los requerimientos de vacío son considerablemente menores (aún en baja atmósfera) a los de las misiones terrestres. En este sentido, el vacío del espacio y las bajas presiones de la baja atmósfera juegan a favor de la técnica de MS.  En el estudio de la composición atmosférica, es tan relevante la determinación de los compuestos como la información de la abundancia isotópica, que proporciona datos valiosos sobre la evolución del sistema solar.  Los instrumentos deben tener en cuenta el elevado número de especies isobaras que las relativamente simples atmósferas presentan.

La representatividad de la muestra también debe ser tenida en cuenta y el flujo de entrada al MS debe evitar los contaminantes derivados de los combustibles de la nave o los fragmentos de las superficies de la misma. Para ello, los muestreadores generalmente sobresaldrán del marco del instrumento una determinada distancia que minimice estos efectos.  Además, las superficies de los sistemas de entrada al MS pueden catalizar reacciones como la combinación del oxígeno atómico para dar oxígeno molecular con lo que los materiales para su confección deben ser escogidos cuidadosamente.

Pioneer Venus

La misión Pioneer enviada a Venus en 1978 pretendía estudiar nuestro planeta vecino determinado su composición atmosférica y otros parámetros físicos de interés. La misión utilizó varias sondas, habiendo a bordo de ellas cinco espectrómetros de masas para analizar la alta y la baja atmósfera del planeta.

El modelo espectrómetro utilizado para el estudio de la alta atmósfera (140-300 km) presentaba una fuente de ionización de impacto electrónico con una energía de 70 eV (dos filamentos de tungsteno, por redundancia) y un analizador de tipo cuadrupolo hiperbólico. Cabe reseñar que estos analizadores no estuvieron disponibles para su uso comercial hasta mediados de los ochenta principio de los noventa. Como hemos comentado, el vacío espacial es de gran ayuda en la misiones atmosféricas y permite seguir estrategias de muy bajo coste a la hora de mantener el vacío del instrumento. En el caso de esta  sonda, se vació antes de ser lanzada y se mantuvo simplemente con un capturador químico estático (getter) durante la misión. El espectrómetro estaba diseñado para analizar sólo los gases neutros con lo que se proyectó un mecanismo para evitar la entrada de los iones del plasma atmosférico. Simplemente, aplicando un voltaje determinado al sistema de entrada de muestra se logró dicho cometido. Otro aspecto a tener en cuenta, son las posibles interferencias del interior del instrumento o de los fragmentos de la nave generados en la entrada a la atmósfera. Dichos interferentes pueden ser diferenciados de los gases atmosféricos entrantes por su velocidad. Para distinguir entre los iones de dióxido de carbono y el nitrógeno se empleó un segundo voltaje de 27 eV variando el patrón de fragmentación y así diferenciando entre ambos isobaros. Un aspecto reseñable de este instrumento es  que cuando reentró en la atmósfera en 1992 seguía siendo funcional (Palmer et Limero, 2001).

El instrumento para el estudio de la baja atmósfera (menos de 62 km) el LNMS (Large Probe Neutral Mass Spectrometer) tenía unas dimensiones de 31×36 cm (10.6 L) pesando 11 kg  y  contenía el primer microprocesador enviado al espacio. Como su compañero de la alta atmósfera, presentaba una sistema de ionización de impacto electrónico redundante con dos filamentos de tungsteno capaces de operar a dos energías distintas.  En este caso, el analizador seleccionado era de tipo sectorial magnético (monofoco) empleando tanto un getter como una bomba de iones para mantener el vacío. El uso de este doble sistema de mantenimiento de vacío se justifica en las mayores presiones encontradas en la baja atmósfera. Además, el muestreo era mucho más reducido (dos micro-Leak cerámicos). El microchip permitía el control de la válvula y la potencia de la bomba para mantener el sistema en vacío en una atmósfera con una variabilidad de la presión en el descenso de 0.1 a 100 atm. Se empleó un capturador de hidrógeno en uno de los canales de muestra utilizados para discriminar ente HD y ³He. El rango de masas del instrumento cubría de 2-208 Da (dos canales de 2-16 Da y de 15-208 Da) siendo sensible a 1 ppm del componente atmosférico mayoritario (CO₂). La resolución del canal de masa alta se encontraba entorno a los 440 M/ΔM.  La sonda permitió realizar 51 espectros (61 s cada escaneo) durante el vuelo. Además, el instrumento contaba con una celda de enriquecimiento de gases nobles para purgar el CO₂  mayoritario y así incrementar la sensibilidad del MS a los componentes atmosféricos minoritarios (IRMC).  La calibración del instrumento se llevó a cabo en un simulador atmosférico para reproducir el rango de presiones a los que se vería sometido el instrumento en su descenso atmosférico (Hoffman et al. 1980).

 

La misión Pioneer a Venus fue un éxito de la aplicación de la espectrometría de masas a la exploración espacial y sentó un precedente en el uso de estos instrumentos para el estudio atmosférico.

 

Cassini-Hyugens

La misión Cassini-Hyugens con destino al sistema de Saturno fue lanzada en 1997 y llegó a su destino en 2004. La misión seguirá en marcha proporcionado datos del sistema de cuerpos celestes indicado hasta el 2017 cuando colisionará con Saturno. El espectrómetro de masas INMS (Ion Neutral Mass Spectrometer) de la sonda Cassini tiene como objeto analizar la magnetosfera de Saturno, y la alta atmósfera de alguna de sus lunas como Titán y Encelado. El espectrómetro fue especialmente diseñado para poder analizar tanto gases neutros como iónicos. Las densidades de las atmósferas  analizadas por la INMS son lo suficientemente bajas como para permitirse prescindir de sistemas especiales de mantenimiento del vacío (sólo un getter). El analizador que se empleó es de tipo cuadrupolo, con un rango de masas de 0.5 a 8.5 Da y 11.5 a 99.5 Da.

Los sistemas electrónicos y los detectores del instrumento se encuentran protegidos de la radiación cósmica por un escudo de tántalo de 0.23 cm de grosor. Además el instrumento está protegido de los cambios de temperatura y los impactos de micrometeoritos por un aislante mulitcapapa. El aislante no cubre un radiador que disipa el calor generado en el interior del instrumento. Con un peso final del 9.25 Kg, el instrumento fue un referente en cuanto a miniaturización para la época de su construcción.

Como fuente de muestras atmosféricas y, consecuentemente de iones, el INMS presenta dos modos; una fuente abierta y una cerrada. La fuente abierta simplemente permite el paso directo de los iones de la alta atmósfera al espectrómetro. Una serie de lentes coliman el haz de iones positivos llegando a la lente cuadrupolar, que lo enfoca hacia el analizador.  Además, esta fuente permite realizar análisis de gases neutros si se activan los deflectores de iones a la entrada del sistema. Por otro lado, la fuente cerrada fue especialmente diseñada para el análisis de gases neutros al hacer pasar el flujo atmosférico a una antecámara esférica donde se concentran por la presión generada por la aeronave en su aproximación al cuerpo planetario saliendo posteriormente al analizador por un orificio. Al tener un mayor tiempo de contacto con el instrumento, los iones atmosféricos que alcanzan la fuente cerrada reaccionan con las paredes de la cámara, evitando interferencias posteriores y mejorando la sensibilidad del instrumento a los gases neutros. Los parámetros de los que dependen las características de los espectros obtenidos no se limitan sólo a los relativos a los instrumentos. En ambos casos, el volumen de muestra que llega al detector depende de la inclinación de la nave. Especialmente para la fuente cerrada, el grado de concentración es función a su vez de la velocidad de la nave. Así pues, este parámetro de vuelo debe ser tenido en cuenta a la hora de optimizar el instrumento. Como hemos comentado, la selección de la fuente de iones  que envía analitos al analizador es realizada por una lente magnética cuadrupolar. La disposición perpendicular de las dos fuentes permite usar este dispositivo. En ambos tipos de fuente, el sistema ionización utilizado para ionizar los gases neutros fue el impacto electrónico a 70  y 20 eV (Waite et al. 2004).

Exploración terrestre de Marte

 

Introducción

En los apartados anteriores hemos analizado alguno de los espectrómetros de masas enviados en misiones espaciales con el objeto de estudiar las atmósferas de distintos planetas del sistema solar. Mención a parte requieren los sistemas utilizados en el estudio de muestras de suelos de nuestro planeta vecino Marte, puesto que el análisis de estas muestras impone condicionantes muy distintos a los que están sometidos los instrumentos empleados para estudiar la composición atmosférica.

Misión Viking

 

En 1976, la misión Viking de la NASA logró por primera vez el envío con éxito de los primeros aterrizadores a Marte. Los fracasos de los proyectos rusos anteriores habían ensombrecido las perspectivas pero con el viaje de las dos naves gemelas (Viking 1 y Viking 2) y sus respectivos aterrizadores se abrió una nueva etapa en el estudio científico de la superficie marciana. Uno de los objetivos principales de la misión era el de evaluar la existencia de vida, presente o pretérita,  en la superficie marciana a través de varios experimentos metabólicos y el análisis de compuestos orgánicos en la mediante espectrometría de masas. En este sentido, el espectrómetro a bordo de los aterrizadores Viking se enfrentaba a un reto mucho mayor que el de sus congéneres atmosféricos al tener que analizar muestras con moléculas complejas.

El proyecto de diseñar, construir y evaluar el espectrómetro de masas adecuado para la misión Viking corrió a cargo del químico del MIT Klaus Biemann. De nuevo, la miniaturización y automatización del instrumento analítico fueron parámetros fundamentales en el diseño del espectrómetro de masas. El analizador escogido fue de tipo sectorial de doble foco con configuración de Nier-Johnson utilizándose un imán permanente en lugar de un electroimán para reducir las necesidades energéticas del sistema. Este tipo de analizador presenta las ventajas de ser estable, presentar un diseño simple e interferir mínimamente con el resto de dispositivos electrónicos. El rango de masas se encontraba entre 12-200 Da.  Como bomba de vacío se utilizó una bomba de iones de moderada capacidad.

Para el análisis de muestras de suelo, Biemann escogió como método de separación la cromatografía de gases, al presentar una relación óptima de versatilidad, capacidad de miniaturización y capacidad de análisis de muestras complejas de compuestos volátiles. Se empleó una columna microempaquetada Tenax recubierta de poli-MPE al resultar óptima en los ensayos de laboratorio.  Este tipo de columna se desarrolló para maximizar la separación de agua y dióxido de carbono de los compuesto orgánicos, minimizar la adsorción irreversible, operar al nivel de nanogramo, presentar una estabilidad térmica excepcional y tener unas propiedades mecánicas adecuadas a los rigores del viaje espacial (Novotny et al, 1975). El gas portador escogido fue el hidrógeno, que proporcionó los mejores resultados de separación en los ensayos de laboratorio. El sistema de introducción de la muestra consistió en tres hornos distintos en los que poder calentarla durante 30 segundos a 200, 350 y 500ºC  respectivamente y luego analizar los productos de la pirolisis de la muestra triturada. Se escogió la pirolisis por su generalidad y la imposibilidad de utilizar otras técnicas de extracción de orgánicos en ese momento. Para transportar los volátiles generados desde los hornos al cromatógrafo se utilizó ¹³CO_2, que además puede servir de patrón interno. Paralelamente, el uso de CO₂ marcado isotópicamente permitiría estudiar la incorporación de este gas a los analitos durante la pirolisis, evaluando de este modo la termosíntesis de compuestos orgánicos en la operación. La eficiencia de la separación se mejoró utilizando un programa de temperaturas en gradiente, partiendo de una temperatura inicial de 50 º C durante 10 minutos para luego subir hasta los 200 º C  en 18 minutos y permanecer en esta temperatura durante un tiempo seleccionable entre 18, 36 y 54 minutos.

A la salida del GC se colocaron una serie de divisores de flujo con el objeto de limitar la cantidad de efluente que llegaba al MS. La serie de divisiones de flujo (1:0, 1:20, 1:400 y 1:800) eran controladas por un bucle de retroalimentación negativo desde la bomba de vacío. Paralelamente, para evitar daños en el detector y el desbordamiento de la capacidad de bombeo de la bomba de iones, se utilizó un depurador  Ag/Pd/NaOH como método de eliminación del hidrógeno.  Un aspecto a tener en cuenta con este sistema de divisiones es la caída en la sensibilidad que estas provocan y, por tanto, de la señal de la señal en el cromatograma de masas. Por esta razón, el estado de los divisores debe ser tenido en cuenta a la hora de procesar los datos. El instrumento estaba preparado para tomar espectros de masas cada 10 s durante aproximadamente 84 minutos de desarrollo cromatográfico.

Además de los análisis de suelo, el GC-MS de la Viking se diseñó para poder determinar muestras atmosféricas. Las muestras de aire marciano eran aspiradas directamente sin pasar por sistema cromatográfico. En el muestreador se incorporó un sistema de adsorción de dióxido y monóxido de carbono (Ag₂O/LiOH) para poder determinar nitrógeno en ausencia de sus interferentes isobáricos puesto que eliminado el 99% del monóxido y el 99.9% de dióxido de carbono se puede lograr determinar nitrógeno hasta las 100 ppm.

La hazaña de Biemann fue la de poder llegar a un tamaño y peso final del instrumento que sentaría precedentes en la historia de la miniaturización de instrumental científico. El GC-MS del laboratorio de Biemann ocupaba una habitación entera y, sorprendentemente, la versión miniaturizada para las Viking logró reducirse hasta un tamaño final de 21.5x33x25cm y un peso total de 20 Kg.

El calibrado del instrumento se realizó con mezclas sintéticas de compuestos orgánicos candidatos o aires de composición determinada y con fragmentos del meteorito Murchinson. Los resultados para el calibrado con mezclas conocidas de compuestos orgánicos fueron los esperados. Sin embargo, la muestra compleja del meteorito dio algunos problemas relativos la abundancia de agua. Aun así, se pudieron extraer conclusiones positivas del ensayo, ya en el meteorito que se determinaron los mismos compuestos de los que otros autores habían expuesto su presencia en trabajos anteriores. El límite de detección para orgánicos pesados resultó ser de alrededor de una ppb mientras que de una ppm para orgánicos ligeros.

Durante el viaje hacia marte, se realizó un blanco calentando uno de los hornos a 500 º C. Se encontraron niveles residuales de agua y freones que sirvieron para comprobar la calibración del instrumento. Las muestras de suelo estudiadas se limitaron a una profundidad de 10 cm y menos de 200 mg.

Los resultados arrojados por los experimentos bioquímicos de la Viking no fueron concluyentes a la hora de establecer la existencia de una biosfera marciana. Si bien se había producido una metabolización de los compuestos suministrados en el experimento, los resultados podían ser explicados geoquímicamente. La ausencia de materia orgánica detectada por el GS-MS de la Viking ayudó a orientar las interpretaciones abióticas se los resultados (sólo se encontraron trazas de productos clorados que se supusieron terrestres). Sin embargo, la posibilidad de que el instrumento no fuera adecuado para la determinación cobró fuerza cuando se realizaron cálculos del componente orgánico que los meteoritos dejan sobre la superficie marciana. Además, los compuesto encontrados en los meteoritos son volátiles o dejan señales al sufrir pirolisis con lo que el GC-MS de la Viking debería haberlos detectados. La hipótesis más aceptada para explicar el destino de los compuestos orgánicos meteoríticos invoca la posibilidad de que el entorno oxidante del suelo marciano junto con las reacciones fotoquímicas estimuladas por la radiación ultravioleta oxidan las moléculas hasta ácidos carboxílicos que no pueden ser detectados por GC-MS. Otros críticos con el trabajo de Biemann pusieron en duda la capacidad de la pirolisis a 500 ºC para volatilizar polímeros orgánicos complejos como el kerógeno, sugiriendo temperaturas superiores a los 1000 º C para posteriores determinaciones.

Las medidas atmosféricas de la Viking corrieron mejor suerte siendo especialmente relevantes a la hora de establecer la composición de la baja atmósfera marciana (Biemann et al 1997). Los resultados evidenciaron el buen funcionamiento del instrumento diseñado por Biemann al encontrar la misma composición de gases que podía hallarse en las burbujas de vidrio de los meteoritos marcianos encontrados en la Tierra.

 

Misión Phoenix

 

La ausencia de materia orgánica detectada por la Viking no pudo ser revisada hasta 30 años después con la siguiente misión exitosa de la NASA a Marte. El 25 marzo de  2008 el módulo Phoenix tocó la superficie marciana siendo la primera de las misiones de bajo coste (420 millones de dólares) proyectadas por la NASA para la exploración del planeta rojo. El objetivo fundamental del Phoenix era el de confirmar la presencia de agua en la superficie marciana siendo el heredero del proyecto fallido anterior Mars Polar Lander (de ahí su nombre sugiriendo el renacimiento del módulo). El aterrizador inicial (MPL) no contaba con un espectrómetro de masas, sino simplemente con un horno calorímetro (TE) que permitía estudiar la composición de las muestras de suelo a través de los cambios de fase. La adición del espectrómetro de masas al calorímetro dio lugar al instrumento TEGA (Thermal and Evolved Gas Analyzer) que debería repetir, aun sin un mecanismo de separación previo, los análisis de los GC-MS de las sondas Viking.

En esta misión se solventaron algunos de los problemas relativos a la extracción  de orgánicos de las misiones anteriores. El TEGA presentaba una temperatura de pirolisis de 1000 º C permitiendo, a priori, vencer las limitaciones impuestas por los compuestos orgánicos refractarios. El instrumento TEGA disponía de ocho hornos de un solo uso para la pirolisis de las muestras y un espectrómetro de masas magnético de doble foco con un rango de 2-140 Da (Hoffman et al. 2008). El sistema de ionización del espectrómetro de masas consistía en un haz de electrones producido por emisión térmica de dos filamentos de wolframio (uno de recambio) requiriendo 1 W de potencia. Un microprocesador permitía que se emitieran electrones con dos tipos de corriente (25-200 µA) y cuatro energías electrónicas (90, 37, 27 y 23 eV). Como en las sondas Cassini-Hyugens, disponer de varias energías de ionización permite el estudio diferencial de los patrones de fragmentación y la consecuente asignación de los picos del espectro. El analizador es un imán permanente de 0.65 T  hecho con NeBFe material que minimiza el volumen necesario para una determinada intensidad de campo. Se seleccionaron cuatro trayectorias específicas que cubrían los rangos de masas de 0.7– 4, 7–35, 14–70, y 28–140 Da. El uso de cuatro canales permite la cobertura simultánea de distintos rangos de masas.  La resolución del instrumento está determinada por las rendijas objeto y colectora así como el radio descrito por el ion en el analizador. La resolución del canal de masa alta es de 140 M/ΔM siendo proporcionalmente menor para los otros canales. Se utilizó como detector un multiplicador electrónico cerámico operando como conteo de pulso. Los gases evolucionados en los hornos eran transportados a espectrómetro de masas por nitrógeno.

El instrumento del TEGA también realizó determinaciones atmosféricas entre las medidas de muestras de suelo con el objeto de establecer la composición de gases nobles minoritarios. Para ello, el dispositivo contaba con un getter químico que a 250 º C permitía la eliminación del CO₂ y el nitrógeno, dejando el argón y otros componentes minoritarios a una presión parcial superior en un factor de 50 a la atmosférica (el dispositivo utilizado era capaz de eliminar el 99% de los gases mayoritarios).

El TEGA no encontró compuestos orgánicos, al igual que sus predecesores, si bien es cierto que no estaba particularmente preparado para hacerlo. Lo que sí encontró TEGA fue agua y percloratos cuya presencia en las muestra pirolizadas podría haber oxidado completamente los compuestos orgánicos presentes (Hetch et al. 2009, Smith et al. 2009, Boyton et al. 2009). Con estos resultados en mente,  parte de la comunidad de astrobiólogos quedó convencida de que el método pirolítico no era el más adecuado para el estudio de los compuestos orgánicos en al superficie marciana. Grupos como el de Navarro–González estudiaron las diferencias entre análisis pirolíticos y de extracción en análogos marcianos como los suelos de jarosita de Río Tinto. Encontraron que la presencia de óxidos de hierro catalizaba la reacción de oxidación completa de la materia orgánica allí presente. Si a esto se le añade el posible estado como ácido carboxílico de los posibles compuestos orgánicos en el entorno oxidante marciano, aparecen serias dudas sobre el procedimiento de extracción utilizado. En sus estudios, Navarro-González y su grupo determinaron que se podrían obtener resultados positivos con el método pirolítico para suelos (marcianos) con contenido en orgánicos  >1500 ppm y no se observaba traza alguna para contenidos <150 ppm. El mismo grupo afirma que la presencia de perclorato hace que lo poco que quede tras la pirolisis esté clorado tal y como se había detectado en los compuestos residuales de los experimentos de la Viking (Navarro-González et al. 2006, Wu 2007, Inge 2010).

 

Mars Science Laboratory

 

El róver Mars Science Laboratory (MSL), también conocido como Curiosity, llegará a Marte en 2012 (lanzada en octubre del 2011) con el objetivo de esclarecer, en la medida de lo posible, la ausencia de señal de compuestos orgánicos que sus predecesores han reportado. Puesto que ninguna de las misiones anteriores logró establecer sin ambigüedad la presencia o ausencia de compuestos orgánicos en la superficie marciana, el MSL utilizará técnicas más sofisticadas que la pirolisis para sus análisis. Quizás la naturaleza móvil de la estación sea el aspecto más reseñable de la misión que lo diferencia de las anteriores puesto que permite seleccionar cuidadosamente los lugares de toma de muestra. Además, el uso de métodos espectroscópicos para establecer la composición aproximada del suelo marciano permitirá escoger con mucha seguridad la idoneidad del suelo a analizar. Paralelamente, el taladro del rover posibilitará la obtención muestras más profundas escapando de los efectos fotoxidativos que sufre la porción superficial del suelo marciano. Todos los instrumentos fueron calibrados con análogos marcianos como los suelos del desierto de Atacama, suelos del volcán hawaiano Manua Kea y fragmentos de meteoritos marcianos.

El conjunto de instrumentos dedicados al análisis de compuestos orgánicos del MSL recibe el nombre de SAM (Sample Analysis at Mars) y consta de una GC-MS, un equipo de pirolisis, un equipo de derivatización y un espectrómetro láser ajustable. El espectrómetro de masas utilizado es de tipo cuadrupolo y presenta un rango de 2-535 Da, mayor que el disponible para misiones anteriores. Las dudas razonables acerca de el proceso pirolítico como método de extracción de orgánicos han hecho que para este experimento se cuente con un procedimiento de extracción química (sólido-líquido) y derivatización one pot. El disolvente de extracción seleccionado ha sido la dimetilformamida por ofrecer los mejores resultados en análogos de suelo marciano. El procedimiento de derivatización utilizado sililará los posibles ácidos carboxílicos presentes con N-metil-N-(tert-butildimetilsilil)-trifluoroacetamida (MTBSTFA) (Buch et al, 2006). Sin embargo, la reacción puede ser inhibida considerablemente por la evolución de agua de los suelos marcianos y/o su composición química con lo que el uso de un patrón interno es obligatorio. Con este propósito, se someterá a las mismas condiciones de reacción un estándar de un aminoácido fluorado que permitirá evaluar si la reacción ha tenido lugar en las condiciones impuestas por la matriz marciana. La inclusión de orgánicos para este procedimiento hace que sea necesario evaluar su estabilidad a las radiaciones cósmicas durante el viaje, añadiendo un condicionante adicional a los comentados en la introducción para el diseño del instrumento y el método.

El proceso de separación cromatográfica también se ha mejorado considerablemente respecto a misiones anteriores, incluyendo 6 columnas distintas en el instrumento. Algunas de ellas presentan matrices quirales con el objeto de evidenciar asimetrías en la homoquiralidad por su naturaleza generalmente biótica. En este caso, el gas portador escogido ha sido el helio que subsana los problemas del hidrógeno de las misiones anteriores al prescindir de su eliminación.

El horno pirolítico de esta misión es capaz de alcanzar los 1000 º C, solucionando los problemas que presentaban las misiones Viking con posibles compuestos orgánicos refractarios. Por otro lado, en lugar de presentar tantos hornos de un solo uso como muestras a analizar, el SAM dispondrá de 60 celdillas de cuarzo (podrán ser reutilizadas) donde realizar el análisis de las muestras. Esto obliga a disponer de secuencias de limpieza del horno. La capacidad de las celdas es de 0.5 cm³ y el instrumento es capaz de depositar volúmenes exactos de triturado de suelo en porciones mínimas de 0.05 cm³. Paralelamente, la temperatura del instrumento se podrá ajustar hasta los 80 º C para poder llevar a cabo en él la reacción de derivatización del proceso químico de extracción. Otra característica relevante del nuevo proceso pirolítico es la posibilidad e enriquecer la muestra que pase al cromatógrafo mediante un adsorbente de compuestos orgánicos de elevada superficie evitando los posibles problemas de sensibilidad relativos a bajas concentraciones de orgánicos en la superficie (Meunier et al. 2005, Mahaffy, 2007).

Además de la extracción/derivatización y la pirolisis, un tercer procedimiento de análisis será incorporado con el propósito de determinar el ratio C¹³/C¹² de los posibles compuestos orgánicos marcianos. El análisis por combustión de estos compuestos con ¹⁶O₂ puro permitirá distinguir entre los isótopos de carbono mencionados. La selectividad isotópica hacia C¹² de los sistemas vivos terrestres ha sido siempre considerada como una biosignatura relevante aunque no exenta de matizaciones geoquímicas. Como estándares inorgánicos se utilizarán los resultados del análisis atmosférico y de los carbonatos presentes en las rocas.

ExoMars

Las misiones a Marte llevan mucho tiempo de preparación y existe la posibilidad de que no se lleven a cabo con éxito, con lo que no es de extrañar que la próxima misión conjunta de la NASA y la ESA al planeta rojo, proyectada para 2018, también tenga los mismos objetivos que el MSL. La sonda ExoMars contará con el espectrómetro de masas y cromatógrafo de gases MOMA (Mars Organic Molecules Analyser) con el objeto de profundizar y complementar los resultados obtenidos por el MSL.  Como mejoras respecto a instrumentos anteriores, contará con dos fuentes de ionización tanto por impacto electrónico (EI) como la desorción láser (LD) ambiental para poder estudiar las muestras in situ sin necesidad de grandes sistemas de alto vacío. Además, se pretende rebasar el límite de masas impuestos por los otros dispositivos. Una de las razones para ir más allá es la de tratar de encontrar biopolímeros (>1000 Da) que podrían ser indicativos de la presencia de sistemas vivos. En este sentido, ha habido esfuerzos para ampliar el rango de masas de los detectores de tipo cuadrupolo con trampa de iones hasta los 2000 Da a bajos voltajes (Evans-Nguyen et al, 2008). Paralelamente, este analizador permitirá estudios MSⁿ  con lo que la asignación de la naturaleza molecular será mucho más exacta.

Con el instrumental a bordo del ExoMars, se podrán analizar múltiples muestras de suelo conteniendo 50-100 mg. Respecto al proceso de extracción de orgánicos, se utilizarán tres procesos distintos de extracción y derivatización además del método pirolítico. El primer método será la sililación utilizada por el MSL con dimetilformamida y MTBSTFA. Además, teniendo en cuenta la relevancia de la quiralidad como biosignatura, se utilizará un método específico para dicho propósito con N,N-dimetilformamida dimetilacetal  (DMF-DMA). El tercer método será la termoquimiolísis con tetrametilhidróxido de amonio (TMAH). Este último combina la pirolisis a 400 º C (los hornos del MOMA podrán alcanzar 900 º C) con un agente químico derivatizante . Durante los 5 minutos de reacción el TMAH permite la ruptura de los enlaces polares y la metilación de los grupos COOH, OH y NH₂ mejorando considerablemente las separaciones por  GC  al liberar compuestos menos polares (permite la detección de ácidos grasos) (Buch et al. 2011).

Del instrumento MOMA se han realizado pruebas de campo con éxito en el archipiélago ártico de Svalbard además de con análogos marcianos como muestras del desierto de Atacama (Goetz et al. 2011).

Perspectivas de futuro

 

Con todo lo expuesto, todavía queda mucha exploración espacial que realizar y aun cuando proliferan métodos distintos a la espectrometría de masas para el análisis químico de atmósferas y suelos de planetas del sistema solar, la espectrometría de masas continúa siendo una herramienta preferente. En el estudio de composición atmosférica cabe destacar la misión Rostta que en 2014 se encontrará con el cometa Churyumov-Gerasimenko en la que el instrumento COSIMA (Cometary Dust Secondary Ion Mass Analyzer) incluirá un espectrómetro de masas reflectron-TOF y una trampa de iones cuadrupolar (reducida utilizando apenas 300 V). La exploración de marte sufrirá en 2018 un cambio de paradigma importante con la misión de retorno de muestras a marte Mars Sample Return. En este sentido, no se proyectarán nuevos instrumentos puesto que podremos disponer de los laboratorios terrestres para el análisis de las muestras traídas.

Referencias

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Cierre a la cultura

Esta entrada será breve, pero escrita con mucha rabia. Lo que pasa en esta comunidad no tiene nombre porque incluso el término de corrupción se le está empezando a quedar pequeño. «Vivimos en un país de pandereta» se oye muchas veces, y otra vez se vuelve a quedar corta la expresión. Vivimos en un país donde el actual presidente en funciones no sabe inglés y su habilidad de hablar más de 4 palabras seguidas queda en entredicho cada vez que se le oye; el que viene sabe menos inglés que mi primo de 5 años y no sabría ni cuál es su nombre si no lo estuviese leyendo continuamente en un papel. Vivo en una comunidad que está a la cabeza de la corrupción, no española, sino europea, donde sus dirigentes no hacen más que salir elegidos una y otra vez como si a las personas de aquí les gustase tropezar continuamente con piedras del tamaño de Stonehenge. La gente se sentirá muy orgullosa de vivir en un país que ha ganado un mundial, pero a mí me da vergüenza ajena decir que soy español cuando veo noticias como el ERE al CIPF, o la más reciente y la que ha terminado por encenderme la mecha del todo, el cierre del Museo de Historia Natural de Valencia. Por lo que cobra un inútil de estos al año se podría mantener, no uno, sino varios Museos de este tipo durante décadas.

«Por el grosor del polvo en los libros de una biblioteca pública puede medirse la cultura de un pueblo.»  decía John Ernst Steinbeck. Queda ver cuánto se va a acumular hasta que la situación cambie.

Ampliando los límites de la habitabilidad

Hace más o menos un año nos hacíamos eco en este blog sobre una noticia referente al descubrimiento, de lo que parecía ser, el primer planeta extrasolar con unas características aptas para albergar vida como la conocemos hoy en día. Sin embargo, lo de que las condiciones sean razonables o no depende de dónde queramos poner el límite en la detección de variables, y ahí radica uno de los mayores problemas en la búsqueda de planetas con vida, que solamente tenemos un ejemplo: el nuestro. Además de la no trivial cuestión de definir qué es la vida, el no tener más modelos que el real (que no conocemos ni siquiera del todo) junto con otros totalmente teóricos, hace extremadamente complicado este estudio.

Entrando en materia, lo que ocurre es que un grupo internacional compuesto por miembros de la NASA, del SETI y otras cuatro universidades, ha intentado hacer un primer atisbo de catalogación de los exoplanetas existentes en función de su habitabilidad. Para ello se han basado en dos índices creados por ellos y que responden a dos cuestiones clave que se han propuesto: la primera concierne en encontrar planetas parecidos a la Tierra pues ya está más que demostrado que es capaz de albergar vida (ejem) y que han nombrado ESI (Earth Similarity Index), y la segunda se enfoca en buscar otros lugares que pudieran tener una vida más exótica o extraña PHI (Planetary Habitability Index). Es un hecho importante el que se empiecen a tener en cuenta otras posibilidades para la vida, que nos alejemos del «geocentrismo» como dicen los autores, y que exploremos nuevas metas.

Por ahora, y tras este estudio tan precoz, solamente dos exoplanetas han pasado el test: Gliese 581d y HD 85512b. Curiosamente, y si os dais cuenta, se puede caer en el error de pensar que el planeta que orbita alrededor de la enana roja Gliese 581 es el mismo del que hablamos hace tiempo, pero no lo es, este es el «d» y el protagonista de la noticia anterior era el «g». Resulta muy curioso que tras todo el humo que se levantó respecto al descubrimiento de Gliese 581g, al final no haya sido incluido en este, por ahora, selecto grupo de exoplanetas, y sin embargo, su vecino sí que esté presente. Estoy esperando a que salga el artículo y pueda ver en qué se han basado para hacer esta clasificación, aunque puedo suponer que puede que no hayan incluido al planeta «g» debido a que parece ser que hubo algunas controversias en torno a su existencia y quizá no se haya confirmado aún.

Por último, dentro de unos 12 días se abrirá el acceso al catálogo de planetas habitables que está montando la universidad de Puerto Rico. Esperemos que se vayan añadiendo planetas de forma regular, quizá entonces, a la vista de la existencia de otros lugares que poblar, relancemos los olvidados y malogrados programas espaciales de estas últimas décadas a donde les correspondería estar ahora.

Schulze-Makuch, D., et al., 2011. A Two-Tiered Approach to Assessing the Habitability of Exoplanets. Astrobiology. doi:10.1089/ast.2010.0592 (Enlace)

La doble hélice

Si os pensabais que desempolvaríamos Bio-Xano con una magnífica entrada en inglés y con diez hojas de referencias sobre los tardígrados para satisfacer los más ansiosos deseos de nuestros lectores, (en este largo tiempo de hibernación, han sido fundamentalmente gente bizarra y alumnos con dudoso criterio en cuanto a la selección bibliográfica) estabais equivocados (después de un paréntesis tan largo esta estructura enfática carece de sentido). Hoy decido abrir con una noticia triste para la ciencia valenciana: la ominosa “representación artística” del DNA que presagia la entrada al museo de los horrores de la ciencia en Valencia ha escapado del vestíbulo donde se la creía sellada. Pensaba que el desafortunado monumento a la ignorancia y la incompetencia había tenido ya su momento y que sus últimos estertores eran las fotos en perspectiva de Craig Venter, sonriente ante un insulto al resultado del anuus mirabilis de la biología. Sin embargo, la fatua aparición parece no querer abandonar este mundo y ahora es portada de los libros de texto de Valenciano de la editorial Oxford.

 

 

 

Como habitantes del País Valencià considero que debemos exorcizar este demonio y por ello os propongo jugar al juego de las N diferencias. Será sencillo, debéis detectar el mayor número de fallos posibles que contiene la estructura del museo Príncipe Felipe y hacer un motivational con las diferencias titulado Epic Fail y el subtítulo que os plazca. Espero que esta iniciativa sirva, al menos, para concienciar a la comunidad bloggera de que la pasividad ante este tipo de errores (ya me diréis el número) sólo les da tiempo para propagarse y acabar poblando escenarios educativos donde tienen efectos perniciosos (al menos se pone en duda el criterio de los editores). Nada más, espero que la próxima entrada sea una de verdad y no una propuesta para quemar en la próximas fallas la dichosas representación.

Origins 2011: arranque y conferencia de Ada Yonath

Desde Montpelier nos hemos puesto de acuerdo algunos participantes de Bioxano para reavivar este desolado rincón de la blogosfera. Nos encontramos en el día 1 del Origins 2011 Conference, organizado conjuntamente por el ISSOL y la International Astronomic Union. Durante seis días iremos actualizando los acontecimientos más sobresalientes de este suculento congreso.

Tras disfrutar brevemente de la agitación nocturna de una noche de sábado y de la exagerada calma de una mañana de domingo en esta encantadora ciudad, hemos podido asistir a los primeros compases de lo que promete ser una semana apasionante. Las primeras intervenciones, previsiblemente faltas de ritmo, eran el preludio a la conferencia plenaria de inauguración de Ada Yonath, investigadora israelí ganadora del Premio Nobel de Química de 2009 por sus estudios sobre la estructura del ribosoma. Cabe decir que la charla ha sido como una montaña rusa: una introducción innecesariamente simple y tediosa y un final con aderezos decepcionantes han flanqueado un grueso amasijo de información muy ilustrativo e interesante. El avance en el conocimiento de la asombrosa estructura del ribosoma aporta una perspectiva más precisa sobre el funcionamiento de los seres vivos. Por otra parte, el tema del origen y la evolución de esta compleja máquina biológica es sumamente interesante y probablemente lo retomaremos en entradas posteriores.

La demostración del papel catalítico del RNA ribosómico constituye el ejemplo más paradigmático de que las proteínas no poseen el monopolio de la catálisis celular y lanza pistas sugerentes sobre la evolución bioquímica primitiva. Sin querer entrar en detalles excesivos (al menos en este comentario introductorio del congreso), hemos pensado en conseguir algún material que represente visualmente la relevante aportación de Ada a la biología básica. En nuestro esfuerzo, hemos acudido esperanzados a preguntarle a la conferenciante sobre un vídeo que había mostrado en su intervención. Con un rictus demoledor, nos ha espetado un compacto “está en Youtube” antes de darse la vuelta sin mediar más palabra y alejarse cabizbaja de la zona de reunión. De ese modo, además de la sorprendentemente reducida interacción con ella, conseguimos triunfantes un vídeo muy ilustrativo de su presentación que os mostramos a continuación.

 

Otro encuentro a destacar durante el aperitivo ha sido con una asistente que se registró a última hora para sorpresa de los asistentes. Se trata de Felisa Wolfe-Simon, la cabeza destacada de los ya famosos estudios de seres vivos con componentes aparentemente basados en arsénico, que ya comentamos aquí y que tanto ha dado que hablar con posterioridad (véanse por ejemplo los comentarios de Juli Peretó, Carl Zimmer y Steve Benner). Aun sin llegar a hablar con ella, sí pudimos ver que hace gala de una gran vitalidad que le puede venir muy bien en una época tan complicada tras el ya reconocido fiasco del arsénico.

En resumen, hoy hemos disfrutado de un aperitivo para nutrir la ilusión de formar parte de un evento como éste, que aúna en una misma gran sala a científicos de la talla de Gerald Joyce, James Kasting, John Sutherland y Antonio Lazcano, cuyas intervenciones esperamos con la impaciencia de un niño al que llevan a un parque de atracciones. Eso sí: aunque podemos prever algunos éxitos cantados, esperamos que los ponentes no se queden en la superficie de sus respectivos temas y que el debate tras las charlas no sea demasiado tímido. La valentía de los participantes puede hacer que este congreso sea realmente memorable.

Montpelier, por su parte, ha resultado ser una ciudad atractiva y llena de rincones muy agradables. La brisa matutina nos ha acompañado en el paseo por su casco histórico, en el que nos ha faltado visitar uno de los jardines botánicos más antiguos de Europa. También nos ha encantado encontrar en la Place de la Comédie una asamblea de Indignados apoyando la demanda de una democracia real aunque, por supuesto, no les hemos entendido un pijo.

Vergüenza pública, Sandro, el Rey de los magufos de LaSexta

Debido a un reciente artículo del blog Enchufa2  donde se critican las falacias de este personaje y los peligros que puede tener hacerle el mínimo caso, el sujeto en cuestión les ha amenazado con denuciarles por su entrada. Así pues, sumándonos a otros múltiples blogs de internet voy a copiar y pega el artículo de esta gente.

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Esta es la transcripción de un fragmento de vídeo visto este miércoles en el Intermedio (vídeo 2, minuto 20’30”). En ella, una mujer (presumiblemente anciana) llama al programa nocturno del vidente Sandro Rey de La Sexta, para preguntar por la salud de su nieta. Se produce entonces la siguiente conversación:

—Hola, buenas noches.
—Hola buenas noches.
—¿En qué le puedo ayudar señora?
—Pues quería saber por la salud de una nieta.
—La salud de su nieta… hombre, aquí lo que más salen son alergias e insuficiencias respiratorias. ¿Cómo se llama usted?
—Yo soy Leo.
—Pues lo que veo más es cansancio físico o psíquico, o sea, “farta” de oxígeno, alguna alergia, algún problema en las vías respiratorias, las fosas nasales, faringe, bronquitis… eso es lo que yo le veo a esta nena. Pero no le veo nada malo, es pasajero, o sea…
—No, no, no… la niña no tiene eso eh, nada de eso.
—Bueno, eso es lo que yo estoy viendo.
—No, no, no, no.
—¿Qué tiene la niña?
—La niña tiene una enfermedad que le llaman Crohn, el Crohn. Y alergia no tiene ninguna.
—Sí… bueno, piense que… pero piense que esa enfermedad le crea una insuficiencia respiratoria. Eso no lo digo yo, lo dicen los doctores de…
—De momento no la tiene.
—Bueno, esa enfermedad, normalmente, los doctores de este país lo saben, crea a medida que va pasando el tiempo una insuficiencia respiratoria y las defensas al estar muy débiles también crean alergias, alergias internas-externas, o sea… Esa es la enfermedad que usted dice que tiene esa nena. Pues muy bien, pero deriva, deriva… o sea, lo que yo digo estoy diciendo es deriva. Y ella, aunque ahora no lo tenga no quiere decir que no lo vaya a tener pero yo, a la nena, lo que sí le recomiendo es que la pongáis en manos de un buen homeópata.

Es decir, que el tipo le diagnostica a la nena alergia, insuficiencias respiratorias, cansancio físico, cansancio psíquico, falta de oxígeno, problemas en las fosas nasales, la faringe, bronquitis… todo ello pasajero. Y cuando la nena resulta tener una enfermedad crónica intestinal este señor insiste en que ha acertado ¡y le recomienda acudir al homeópata! Desde luego, el que no se consuela es porque no quiere. Por no hablar de su total desconocimiento de la enfermedad de Crohn o las alergias (más le vadría tener un buen acceso a Google y dejar de darle vueltas a la dichosa bolita). Quizás su único acierto (pura poesía) haya sido afiliarse tan oportunamente con esos timadores reconocidos. Habría que incluir una advertencia de este tipo en los medicamentos homeopáticos:

Es de chiste y tendría muchísima gracia si no fuese tan real. Hay gente, especialmente la más vulnerable, que confía verdaderamente en estos estafadores. Y lo malo no es que necesiten una palabra de consuelo y alguien se la proporcione. Supongo que alguien que llama a un programa así tiene una pregunta que no sale de su cabeza y sólo desea darle solución de forma positiva (si recibiese una mala noticia, la preocupación no se disiparía y eso lo saben bien los videntes timadores). Lo malo es cuando este consuelo pretende sustituir al consejo oportuno de un experto, suplantar al médico, cuando se atreve a dar diagnósticos y a sugerir tratamientos. Entonces pone en verdadero riesgo la salud de quien confía en él, a veces más que en su propio médico.

¿No se podrían prohibir este tipo de conductas? ¿denunciar al estafador por negligente en casos parecidos? Sería tan sencillo como obligarles a dar una respuesta estándar cuando se trate de temas médicos. Podría incluso estar grabada, una voz en off que resonaría en el plató automáticamente ante la llamada oportuna: “Las autoridades sanitarias advierten que este intrigante no está autorizado a estafarle en temas relacionados con su salud. Si busca consejo, hable con su médico”. A fin de cuentas, no creo que las cajetillas de tabaco sean mucho más perjudiciales que estos señores.

“Berlin Patient” and gene therapy against HIV infection

The case:

Timothy R.B. probably never believed that the same treatment would save him from two different diseases and one of them incurable. He had presented acute myeloid leukemia (FAB M4 subtype) and HIV-1 infection, in the Charité – Universitätsmedizin Berlin (Germany). In the previous 4 years, the patient had been treated with HAART (600 mg of efavirenz, 200 mg of emtricitabine, and 300 mg of tenofovir per day) and no illnesses associated with the acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) were observed ^1,4,5.

Initial treatment of the acute myeloid leukemia consisted of two courses of induction chemotherapy and one course of consolidation chemotherapy. During the first induction course, severe hepatic toxic effects developed and renal failure occurred. Seven months after presentation, acute myeloid leukemia relapsed, and the patient underwent allogeneic hematopoietic stem-cell transplantation (HSCT) with CD34+ peripheral-blood stem cells from an HLA-identical donor ^1,4,5.

Particularly, this donor had been screened for homozygosity for the CCR5 delta32 allele that contains a 32 b.p. deletion, which results in a truncated protein and so generates a non-functional CCR5 receptor phenotype. This chemokine receptor is a cell-surface cofactor for the gp120-CD4 binding, so it is necessary for viral fusion and entry. Some genetic evidence suggests that individuals homozygous for a CCR5 deletion mutation are resistant to HIV infection ^{1,3,4,5,10,15}.

This therapy was described by Eckhard Thiel et al. in “Long-Term Control of HIV by CCR5 Delta32/Delta32 Stem-Cell Transplantation”, on February 12, 2009 in the New England Journal of Medicine ¹.

On December 9, 2010 Blood journal pre-published online the article: “Evidence for the cure of HIV infection by CCR5delta32/delta32 stem cell transplantation”, in which the authors showed a reconstitution of CD4⁺ T cells at the systemic level as well as any sign of HIV infection. The paper quotes: “in conclusion, our results strongly suggest that cure of HIV has been achieved in this patient” ⁴.

Why gene therapy?

HSCT is used as salvage therapy for patients with malignancies sensitive to chemo-/radiotherapy. These patients receive very dose-intensive cytoreductive regimens designed to eliminate all tumor cells, but the procedure also eliminates the cell substrate necessary to reconstitute the hematopoietic tissue. For this reason it’s require the infusion of HSC (hematopoietic stem cells), that could to reconstitute bone marrow ¹⁹.

This therapy presents risks of transplant-related mortality (TRM) due to some complications, as graft-versus-host disease (GvHD), problems derived of inadequate reconstitution of the immune system, the concominant probability of opportunistic infections, and the possibility of malignant relapse. However, the treatment holds great promise as a curative therapy for several tumor types ¹⁹, but in the case of HIV infection has insurmountable risks compared with HAART.

Thus, the difficulty in reproducing the therapy is clear, due to the low frequency of the Homozygous Δ32 genotype (1%-3%), the difficulty of finding a matched donor and the problems derived of HSCT. For this reason the application of Gene Therapy seems to be a good option. In this sense I show different approaches that have been made and its possible usefulness in the context of gene therapy against HIV infection.

First of all, I consider myeloablative treatment very important according to the elimination of the reservoirs and infected cells ¹⁸, especially having in mind that CCR5 Δ32/Δ32 homozygous does not mean a complete resistance to the HIV infection, due to the presence of CXC4-tropic HIV-1 or dual-tropic. In case of a positive selection of this variant, which normally shows a low frequency (in this patient it was 2.9%) ^1,4,5, there are plenty of therapeutic approaches. For instance, the drug AMD3100 ^8,13 or a siRNA system such the one developed by RJ Pomerantz et al.⁹, which was quite remarkable. Nevertheless, the importance of this receptor in multiple events (immunomodulation, hematopoiesis, organogenesis and cerebellar neural migration) must be considered ^9,10, because inhibition may mean a risk. For this reason, according to its low frequency, the complete reduction of its reservoirs and the stimulation of the Immune System to avoid its reseeding may turn out as a solution ¹.

Also, the importance of the anti-HIV myeloablative therapy (although the low success rate raised by I. Huzicka F.¹⁸) was shown in two cases in which the DNA/RNA viral detection was negative. It was co-related to an intense pre-transplant cytoablative conditioning (Holland et al. & Contu et al.). The fact of reconstituting the immune system means an opportunity to generate a powerful response to an exhaustive viral burden, similar to the acute infection context ^11,12,18. For this reason I think it may be interesting to isolate, stimulate and activate part of the innate immune component (IFN and NK cells) and T cytotoxic of the patient, in order to enhance the innate control events of viremia described in the next image ^11,12.

 

Gene therapy for CCR5 Δ32/Δ32 phenotype generation:

June et al., by using engineered zinc-finger nucleases to disrupt endogenous CCR5 co-receptor in NOG mouse model, generated a robust and stable HIV-resistance genotype, both in vitro and in vivo, which increased the TCD4+ cells recount and reduced viremia (8300 copies/ml) compared with the control (60100 copies/ml). This technology can be designed to make a single break at a specific site in double-stranded genomic DNA, permanently modifying the genome via an imperfect repair by nonhomologous end joining (NHEJ). In this work mice were engrafted with ZFN-modified T CD4+ and showed the previously described results. This technology was also used on human primary T CD4+ cells, obtaining an efficacy and tolerability profile. For this reason an interesting clinic application is proposed ³.

In this context, it may be interesting to consider this technology for autologous CD34+ cells, in order to reconstitute an immune system with phenotype similar to the CCR5 Δ32/Δ32, via autologous stem cells. T cells transfection was accomplished by an adenovirus vector (Ad5/35) that encodes CCR5 ZFNs ³.

Naldini et al. tested the effectivity of the integrase defective lentiviral vectors to allow site specific gen addition through a process which required ZFN break and an homologous DNA template. This approach was carried out, for instance, in CD34+ cells incorporating a GFP cassette at the CCR5 site. Two different experiments showed an addition of the GFP cassete into the CCR5 locus in 80%-90% of the colony-forming cells analyzed ¹⁴. Therefore, another possible approach would be the insertion of a transgene in the CCR5 locus, to deplete its expression and thus generate a resistance phenotype to CCR5-tropic HIV-1.

One of the greatest advantages of this system is that it modifies the genotype of the cell without the need of integrating an alien DNA inside the genome since the expression systems used in this work  transiently expressed CCR5 ZFN. According to this, the use of integrative viral vectors which are related to insertional mutagenesis, becomes unnecessary ^14,16.

Quoting Naldini et al.’s ¹⁴ paper: Gene correction overcomes the major limitations of gene- replacement strategies, as it restores both the function and expression control of the affected gene and avoids the risks associated with semi-random vector integration.

Aubourg et al. implemented a gene therapy in two patients with no matched bone marrow donors. It consisted in isolating CD34+ cells –from peripheral blood mononuclear cells stimulated with granulocyte colony-stimulating factor– by positive selection (with a immunomagnetic technique), and activate them with a mixture of citokines. Then, the cells got infected by replication-defective HIV-1–derived lentiviral vector (CG1711 hALD), which expressed a cDNA of the wild-type ABCD1 gene, which encodes the ALD protein. Transfected cells were then re-infused in both patients after a fully myeloablative conditioning regime with cyclophosphamide and busulfan. The process was clinically uneventful. Also, some months after both patients showed a clinical outcome improvement, similar to the one achieved by allogeneic HCT ².

I believe that this therapy, through an ex-vivo CCR5 gene alteration, may be very interesting in order to reconstitute an hematopoietic system with a CCR5 Δ32/Δ32 phenotype. Nevertheless, while the aim in the X-linked Adrenoleukodystrophy case was the insertion of a wild-type gene ², in the VIH resistance case it is necessary just the opposite thing. Hereby the combination of the successful Aubourg et al. approach ² with the expression of siRNA system against CCR5 expression may turn out useful. Baltimore et al.  constructed a lentivirus-based vector to introduce siRNAs against CCR5 in peripheral blood T lymphocites. This system conferred an important protection against CCR5-tropic HIV-1 infection in these cells ¹⁵. However there are problems regarding the integrative viral vectors previously described, as the difficulties with large-scale manufacture in relation to the use of integrative viral vectors in clinical setting ^6,17. Before this possible context, nonviral carriers which deliver native siRNA could also be considered, because they generate low immunogenicity and offer high structural and functional tunability ⁶.

I think all these approximations should be considered, as the continuous progress in correction and gene replacement system, in order to achieve the generation of a HIV resistance phenotype through an autologous HCT. The valuation of the advantages and disadvantages of different systems is necessary though, and particularly its long-term efficacy. For this reason it is also important employing a mouse model with a functional human immune system and an optimal HIV-1 infection profile. Since the major focus of Thiel at al.’ therapy is immune system reconstitution with HIV resistant phenotype, a mouse model which could accept efficient human HSC engraftment should be used. There is a model, the Rag2-/-gammaC-/- double knockout (DKO) mouse, which lacks T, B lymphocytes and NK cells, and in which the injection of CD34+ human HSC directly into the liver of new born DKO mice allows an efficient engraftment, and a reconstitution of the mouse with a functional human immune system in central and peripheral lymphoid organs ⁷. Using it may be interesting to value the reconstitution with a modified human HSC that expresses CCR5 Δ32/Δ32 phenotype.

Despite advances in gene therapy, this approach is very complicated and therefore in HIV infection would not be a feasible alternative to HAART, actually. However, I consider it an option to develop, especially in cases which HAART is not effective.

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19. Rich RR, Fleisher TA, Shearer WT, Schroeder HW, Frew AJ, Weyand CM. Clinical Immunology. Principles and Practices. Third edition. Mosby Elsevier; 2008.

¡Poyéjali!

La necesidad de conmemorar el 50º aniversario del primer vuelo humano al espacio y la lectura de la entrada 50 años de Gagarin. Y ahora, ¿qué? en la Pizarra de Yuri han sido los catalizadores de la frenética escritura de las líneas que siguen a este breve párrafo introductorio.

Actualmente estamos viviendo un periodo histórico trascendental. Nuestro futuro como especie depende en gran medida de las decisiones que tomemos en los próximos años. Nuestra situación actual es aterradoramente semejante a la de las últimas décadas de la civilización polinesia de la isla de Pascua. Una situación que ya fue predicha por el reverendo Malthus a finales del siglo XVIII. Sin embargo, a las crisis derivadas del problema de la superpoblación y la limitación de los recursos planetarios hemos de añadir los desmanes de un sistema económico generador de sufrimiento humano innecesario. Un sistema que se opone a las necesidades e intereses de la humanidad, y que limita su desarrollo científico-tecnológico, y que en última instancia constriñe su potencial de supervivencia.

El nivel tecnológico actual es insuficiente para escapar del planeta cuna cuando la degradación ecológica se haga intolerable para el grueso de la población. Estamos tan atrapados como los habitantes de la isla de Pascua cuando talaron los últimos ejemplares de la palmera gigante Paschalococos y tuvieron que recurrir al canibalismo. Solamente pensar en ese futuro de decadencia, miseria y muerte me produce escalofríos. Me estremece pensar en el olvido de nuestra especie. Analizando ese sentimiento, llego a la creencia de que una de nuestras necesidades básicas, junto al ansía de pan, refugio, reproducción, y por supuesto felicidad, es la de sentirnos parte de un proyecto sostenible. Algo que continúe cuando seamos pasto de los gusanos. Eso nos crea una sensación de estabilidad y satisface el deseo de que los esfuerzos de nuestras cortas vidas no se pierdan en el olvido y entren a formar parte de un programa con resonancias futuras. La necesidad de sentirnos parte del flujo de la Historia puede llegar a ser tan básica y desesperada que nos horroriza pensar en la detención de ese flujo.

Es el momento de actuar, de luchar para que ese flujo no se detenga. Sin duda, el desarrollo científico y tecnológico es esencial para abordar los problemas que nos aquejan. Es por tanto el momento más que nunca de invertir en I+D y de acabar con la ignorancia científica y el anumerismo dominantes. Una educación científica de calidad es imprescindible para tomar decisiones racionales y acertadas de carácter técnico encaminadas a solucionar las crisis a las que nos enfrentamos. Del mismo modo que decisiones de este tipo, tan cruciales para nuestro futuro, no pueden seguir recayendo en manos de ignorantes, tampoco pueden recaer en cretinos, mezquinos y egoístas. También es crucial que no demos la espalda al cosmos que nos ha visto nacer en este pequeño y hermoso planeta, como ya expresé en la entrada El último gran viaje. Proseguir la senda iniciada por Yuri y aquellos que hace 50 años posibilitaron que fuera el primer hombre en realizar un vuelo al espacio es un requisito imprescindible para asegurarnos un futuro como especie y civilización. Sin embargo, creo que no es suficiente. Si trasladamos el predatorio e irracional modelo capitalista de consumo de recursos al espacio, acabaremos generando nuevas crisis similares a las que nos aquejan actualmente, pero a otra escala.

Me excita imaginar ese futuro que nos espera si demostramos ser capaces de construirnos una oportunidad en las próximas décadas. Supongo que esa excitación en parte proviene de la lectura de tanta ciencia ficción, lo que me ha permitido hacerme una idea parcial del tremendo potencial que la especie Homo sapiens tiene de generar diversidad biológica y cultural entre las estrellas. Sin embargo, estoy convencido de que para salir de este atolladero en el que nos hemos metido en los últimos siglos nos espera un camino que estará pavimentado con blood, toil, tears, and sweat.

¡Poyéjali! Las estrellas nos esperan.

The Mind of God

Para reavivar un poco el blog, os pongo una de las tiras más curiosas que encontré en la magnífica web de abstrusegoose.com Como siempre ocurre con lo que dibuja esta persona, entretiene, divierte y hace pensar.

Is it possible to imagine anything so ridiculous as this miserable
and wretched creature, which is not so much as master of himself,
exposed and subject to offenses of all things; and yet dareth call
himself master and emperor of this universe in whose power it is
not to know the least part of it, much less to command the same?
And the privilege, which he so fondly challengeth, to be the only
absolute creature in this huge world’s frame perfectly able to know
the absolute beauty and several parts thereof, and that he is only of
power to yield the great Architect thereof due thanks for it, and
keep account both of the receipts and layings-out of the world!
Who hath sealed him this patent? Let him show us his letters of
privilege for so noble and so great a charge.

—Michael de Montaigne, An Apology of Raymond Sebond, 1568

 

Matemáticas para disfrutar

Es tarde, lo sé y mañana tengo clase a las 8.30 (de TAI ..chi, concretamente), pero no podía irme a dormir sin recomendaros una serie de clases sobre sistemas dinámicos no lineales, caos y fractales del  IIT Kharagpur. Sus alumnos son fundamentalmente ingenieros con lo que el grado de pureza matemáticas, que a algunos les puede echar a atrás, es el adecuado para los biólogos (que no suelen caracterizarse por una elevada formación matemática). Los videos los conocí a través de una entrada de la mula Francis cuando buscaba material para preparar un seminario de caos dinámico y son muy recomendables a pesar del marcado acento del profesor indio.

A través del primero llegaréis fácilmente al resto de la serie.