Sequencing the human genome

Genomics is a new science which has had a very important boom in recent years, thanks to advanced technologies of DNA sequencing, advances in bioinformatics and increasingly sophisticated techniques for analysing whole genomes. And I will discuss in this article about whole genomes and their sequencing, mentioning the Human Genome Project, which allowed the sequencing of the human genome.

WHY WE SEQUENCED?

Sequencing is the set of methods and biochemical techniques aimed at determining the order of nucleotides (A, T, C and G). Its objective is to get in order all nucleotides DNA of an organism.

The first organisms sequenced were two bacteria, Haemophilus influenzae and Mycoplasma genitalium in 1995. One year later, the genome of a fungus was sequenced (Saccharomyces cerevisiae).

From that moment comes the eukaryotic sequencing project: in 1998 Caenorhabditis elegans (nematode) was sequenced, in 2000 Drosophila melanogaster (fruit fly) and in 2001 the human genome.

But, why we sequenced? In the case of human genome, there is the need to know to help alleviate or prevent diseases.

Some of the organisms sequenced are model organisms, which have:

• Medical importance: there are pathogens and we know diseases that they can cause.
• Economic importance: organisms that humans eat, they can improve with the molecular techniques.
• Study of evolution: in 2007 more than 11 species of Drosophila were sequenced and it tried to understand the evolutionary relationship between their chromosomes. It has also been made in mammals (ENCORE Project).

WHAT WE UNDERSTAND FOR GENOME SEQUENCED?

The human genome has 46 chromosomes, it means 23 chromosome pairs (22 autosomal chromosome pairs and 1 sexual chromosome pair, XX or XY depending if it is female or male).

The size of the human genome sequenced is 32,000Mb, 23 chromosomes plus Y chromosome.

The human genome was obtained from the mixture of human genomes to obtain a representation of all humanity genome.

PARADOX THAT WE FIND IN GENOME

A paradox is a statement that, despite apparently sound reasoning from true premises, leads to a self-contradictory or a logically unacceptable conclusion. In genomes we find two clear paradoxes.

The first one refers to the C-value, which represents the amount of DNA in the genome. As would be expected, if the organism is larger and more complex, the size of its genome will be bigger. However this is not true because there is not this correlation. It is due because the genome not only contains coding genome and proteins, but also contains repetitive DNA. In addition, the most compacted genomes are found in organisms less complexes.

The second paradox refers to the G-value, which represents the number of genes. There is no correlation between the number of genes and its complexity. A clear example is that in human genome has around 20,000 genes and Arabidopsis thaliana (herbaceous plant) has 25,000 genes. The reason is found in the RNA world, which is more complex and it is related to gene regulation.

THE HUMAN GENOME PROJECT (HGP)

The human genome sequencing project has been the most important biomedical research project of the whole history. With a budget of 3 thousand millions of dollars and the participation of an International Public Consortium, which was formed by EEUU, UK, Japan, France, Germany, China and other countries. Its ultimate objective was achieving the complete sequence of the human genome.

It started in 1990, but things get complicated when, in 1999, appeared a private company, Celera Genomics, headed by the scientist Craig J. Venter, who launched the challenge of getting the human sequence in record time, before the expected by the Public Consortium.

At the end it was decided to leave in a draw. The Public Consortium accelerated the process and obtained the draft almost at the same time. On 26^th June 2000, in a ceremony at the White House with President Bill Clinton, the two leading representatives of the parties in competition, Craig Venter by Celera and the Public Consortium director, Francis Collins found. It announced the achievement of two drafts of the complete human genome sequence (Video 1). It was a historic moment, as the discovery of the double helix or the first time the man went to the Moon.

Video 1. Human Genome announcement at the White House (Source: YouTube)

The corresponding publications of both sequences did not appear until February 2001. The Public Consortium published its sequence in the journal Nature, while Celera did in Science (Figure 1). Three years later, in 2004, the Consortium published the final or complete version of the human genome.

Figure 1. Covers publications of the human genome sequence draft in Nature and Science magazines in February 2001 (Source: Bioinformática UAB)

PERSONAL GENOMES

The genome of the year 2001 is the reference genome. From here we have entered in the era of personal genomes, with names and surnames. Craig Venter was the first person who sequenced his genome, and the next one was James Watson, one of the discoverers of double helix.

It took 13 years to sequence the reference genome. It took less time to sequence Craig Venter’s genome and only few months for Watson’s genome.

CLINICAL APPLICATIONS OF SEQUENCING

Without going to sequence the entire genome they have been identified disease-causing genes. An exome is not the whole genome, but the part of the genome corresponding to exons.

An example is the case of Nicholas Volker (Figure 2), the first case of genomic medicine. This child had a severe and intractable inflammatory bowel disease of unknown cause. With exome sequencing was allowed to discover a mutation in the XIAP gene on chromosome X, replacing an amino acid functionally important for another. A bone marrow transplant saved the life of the patient.

Figure 2. Nicholas Volker with his book One in a Billion, which tells his story (Source: Rare & Undiagnosed Network)

REFERENCES

• L. Pray. Eukaryotic genome complexity. Nature Education 2008; 1(1):96
•  Brown. Genomes 3, 3rd edition (2007)
• Bioinformática UAB
• BT.com
• E. A. Worthey et al. Making a definitive diagnosis: Successful clinical application of whole exome sequencing in a child with intractable inflammatory bowel disease. Genetics in Medicine 2011; 13, 255-262

• Main picture: Noticias InterBusca

La secuenciación del genoma humano

La genómica es una ciencia reciente, la cual ha tenido un importante auge en los últimos años, sobre todo gracias a las tecnologías avanzadas de secuenciación de ADN, a los avances en bioinformática y a las técnicas cada vez más sofisticadas para realizar análisis de genomas completos. Y de los genomas completos y su secuenciación os hablaré en este artículo, mencionando también el proyecto Genoma Humano, que permitió la secuenciación del genoma humano.

¿POR QUÉ SECUENCIAMOS?

La secuenciación es el conjunto de métodos y técnicas bioquímicas cuya finalidad es la determinación del orden de los nucleótidos (A, T, C y G). Su objetivo es obtener todos los nucleótidos ordenados del ADN de un organismo.

Los primeros organismos que se secuenciaron fueron dos bacterias, Haemophilus influenzae y Mycoplasma genitalium en el 1995. Sólo un año después se secuenció el genoma de un hongo (Saccharomyces cerevisiae).

A partir de aquí nace el proyecto de secuenciación de eucariotas: en 1998 se secuencia Caenorhabditis elegans (nematodo), en 2000 Drosophila melanogaster (mosca de la fruta) y en 2001 el genoma humano.

Pero ¿por qué secuenciamos? En el caso del genoma humano, hay la necesidad de conocerlo para que ayude a paliar o evitar enfermedades.

Algunos de los organismos que se han secuenciado son organismos modelos, los cuales tienen:

• Importancia médica: hay organismos patógenos y conocemos las enfermedades que pueden causar.
• Importancia económica: los organismos que los humanos consumimos, con técnicas moleculares los podemos mejorar.
• Estudio de la evolución: en el año 2007 se secuenciaron más de 11 especies de Drosophila y se intentó entender la relación evolutiva de los cromosomas de éstas. También se ha hecho en mamíferos (Proyecto ENCORE).

¿QUÉ ENTENDEMOS POR GENOMA SECUENCIADO?

El genoma humano tiene 46 cromosomas, es decir, 23 parejas de cromosomas (22 parejas de cromosomas autosómicos y 1 pareja de cromosomas sexuales, XX o XY dependiendo de si es mujer u hombre).

El tamaño del genoma humano secuenciado es de 32.000Mb, es decir, los 23 cromosomas más el cromosoma Y.

El genoma humano se obtuvo de la mezcla de genomas humanos para obtener una representación del genoma de toda la humanidad.

PARADOJAS QUE ENCONTRAMOS EN EL GENOMA

Una paradoja es un hecho que parece contrario a la lógica. Con los genomas encontramos dos claras paradojas.

La primera paradoja hace referencia al valor C, el valor que representa la cantidad de ADN en el genoma. Como sería de esperar, cuanto más grande y complejo sea el organismo, más grande será el tamaño de su genoma. Pero esto no es así ya que no existe esta correlación. Esto se debe a que el genoma no solamente contiene genoma codificante y proteínas, sino que también contiene ADN repetitivo. Además, los genomas más compactados se encuentran en organismos menos complejos.

La segunda paradoja hace referencia al valor G, el valor que representa el número de genes. Tampoco encontramos correlación entre el número de genes y la complejidad. Un ejemplo claro es que en el genoma humano hay alrededor de 20.000 genes y Arabidopsis thaliana  (planta herbácea) tiene 25.000 genes. La explicación se encuentra en el mundo del ARN, que es más complejo de lo que se pensaba y tiene que ver con la regulación de los genes.

EL PROYECTO GENOMA HUMANO

El proyecto de secuenciación del genoma humano ha sido el mayor proyecto de investigación biomédica de la historia. Con un presupuesto de 3 mil millones de dólares y la participación de un Consorcio Público Internacional, formado por EEUU, Reino Unido, Japón, Francia, Alemania, China y otros países, tenía como objetivo último la consecución de la secuencia completa del genoma humano.

Empezó en 1990, pero la cosa se complicó cuando, en 1999, apareció en escena una empresa privada, Celera Genomics, presidida por el científico Craig J. Venter, que lanzó el reto de conseguir la secuencia humana en un tiempo récord, antes de lo previsto por el Consorcio Público.

Al final se decidió dejarlo en tablas. El Consorcio Público aceleró el proceso y obtuvo el borrador casi al mismo tiempo. El 26 de Junio de 2000, en un acto en la Casa Blanca con el presidente Bill Clinton, se encontraron los dos máximos representantes de las partes en competición, Craig Venter por Celera, y el director del Consorcio Público, Francis Collins. Se anunció de forma conjunta la consecución de dos borradores de la secuencia completa del genoma humano (Video 1, en inglés). Fue un momento histórico, como el descubrimiento de la doble hélice o la primera vez que el hombre pisó la Luna.

Video 1. Acto del anuncio del Genoma Humano en la Casa Blanca (Fuente: YouTube)

Las publicaciones correspondientes de ambas secuencias no aparecieron hasta febrero de 2001. El Consorcio Público publicó su secuencia en la revista Nature, mientras que Celera lo hizo en Science (Figura 1). Tres años después, en 2004, el Consorcio publicó la versión final o completa del genoma humano.

Figura 1. Portadas de las publicaciones de la secuencia borrador del genoma humano en las revistas Nature y Science en febrero de 2001 (Fuente: Bioinformática UAB)

GENOMAS PERSONALES

El genoma que se obtuvo en 2001 es el genoma de referencia. A partir de aquí se ha entrado en la era de los genomas personales, con nombre y apellidos. Craig Venter fue el primero que secuenció su genoma y el siguiente fue James Watson, uno de los descubridores de la doble hélice.

Se tardó 13 años en secuenciar el genoma de referencia (HGP). Con el de Craig Venter se tardó mucho menos y con el de James Watson apenas unos meses.

APLICACIONES CLÍNICAS DE LA SECUENCIACIÓN

Sin llegar a secuenciar el genoma entero se han identificado genes causantes de enfermedades. El exoma no es el genoma entero, sino la parte del genoma que corresponde a los exones.

Un ejemplo es el caso de Nicholas Volker (Figura 2), el primer caso de medicina genómica. Este niño tenía una enfermedad inflamatoria intestinal grave e intratable de causa desconocida. Con la secuenciación del exoma se permitió descubrir una mutación en el gen XIAP del cromosoma X, que sustituye un aminoácido funcionalmente importante por otro. Un trasplante de médula de hueso le salvó la vida al paciente.

Figura 2. Nicholas Volker con su libro One in a Billion, que cuenta su historia (Fuente: Rare & Undiagnosed Network)

REFERENCIAS

• L. Pray. Eukaryotic genome complexity. Nature Education 2008; 1(1):96
•  Brown. Genomes 3, 3rd edition (2007)
• Bioinformática UAB
• BT.com
• E. A. Worthey et al. Making a definitive diagnosis: Successful clinical application of whole exome sequencing in a child with intractable inflammatory bowel disease. Genetics in Medicine 2011; 13, 255-262

• Foto portada: Noticias InterBusca

La seqüenciació del genoma humà

La genòmica és una ciència recent que ha tingut un important auge en els últims anys, sobretot gràcies a les tecnologies avançades de seqüenciació d’ADN, als avenços en bioinformàtica i a les tècniques cada cop més sofisticades per a realitzar anàlisis de genomes complets. I dels genomes complets i la seva seqüenciació és del que us parlaré en aquest article, fent esment al Projecte Genoma Humà, que va permetre la seqüenciació del genoma humà.

PER QUÈ SEQÜENCIEM?

La seqüenciació és el conjunt de mètodes i tècniques bioquímiques que tenen com a finalitat la determinació de l’ordre dels nucleòtids (A, T, C i G). El seu objectiu és obtenir tots els nucleòtids ordenats de l’ADN d’un organisme.

Els primers organismes que es van seqüenciar van ser dues bactèries, Haemophilus influenzae i Mycoplasma genitalium en el 1995. Només un any després es va seqüenciar el genoma d’un fong (Saccharomyces cerevisiae).

A partir d’aquí neix el projecte de seqüenciació d’eucariotes: el 1998 es seqüencia Caenorhabditis elegans (nematode), el 2000 Drosophila melanogaster (mosca de la fruita) i el 2001 el genoma humà.

Però, per què seqüenciem? En el cas del genoma humà hi ha la necessitat de conèixer-lo per ajudar a pal·liar o evitar malalties.

Alguns dels organismes que s’han seqüenciat són organismes models, els quals tenen:

• Importància mèdica: hi ha organismes patògens i coneixem les malalties que poden causar.
• Importància econòmica: els organismes que els humans consumim, amb tècniques moleculars els podem millorar.
• Estudi de l’evolució: en l’any 2007 es van seqüenciar més d’11 espècies de Drosophila i es va intentar entendre la relació evolutiva dels cromosomes d’aquestes. També s’ha fet en mamífers (Projecte ENCORE).

QUÈ ENTENEM PER GENOMA SEQÜENCIAT?

El genoma humà té 46 cromosomes, és a dir, 23 parelles de cromosomes (22 parelles de cromosomes autosòmics i 1 parella de cromosomes sexuals, XX o XY depenent de si és dona o home).

La mida del genoma humà és de 32.000Mb, és a dir, els 23 cromosomes més el cromosoma Y.

El genoma humà es va obtenir de la barreja de genomes humans per obtenir una representació del genoma de tota la humanitat.

PARADOXES QUE TROBEM EN EL GENOMA

Una paradoxa és un fet que sembla contrari a la lògica. Amb els genomes trobem dues clares paradoxes.

La primera paradoxa fa referència al valor C, el valor que representa la quantitat d’ADN del  genoma. Com seria d’esperar, com més gran i complex sigui l’organisme, més gran serà la mida del seu genoma. Però això no és així ja que no existeix aquesta correlació. Això és degut a que el genoma no solament conté genoma codificant i proteïnes, sinó que també conté ADN repetitiu. A més, els genomes més compactats es troben en organismes menys complexos.

La segona paradoxa fa referència al valor G, el valor que representa el número de gens. Tampoc trobem una correlació entre el número de gens i la complexitat. Un exemple clar és que en el genoma humà hi ha al voltant de 20.000 gens i Arabidopsis thaliana (planta herbàcia) té 25.000 gens. L’explicació es troba en el món de l’ARN, que és més complex del que es pensava i té a veure amb la regulació dels gens.

EL PROJECTE GENOMA HUMÀ

El projecte de seqüenciació del genoma humà ha sigut el major projecte d’investigació biomèdica de la història. Amb un pressupost de 3 mil milions de dòlars i la participació d’un Consorci Públic Internacional, format per EEUU, Regne Unit, Japó, França, Alemanya, Xina i altres països, tenia com a objectiu la consecució de la seqüencia completa del genoma humà.

Va començar el 1990, però la cosa es va complicar quan, el 1999, va aparèixer en escena una empresa privada, Celera Genomics, presidida pel científic Craig Venter, que va llençar el repte d’aconseguir la seqüència humana en un temps rècord, abans del previst pel Consorci Públic.

Al final es va deixar en empat. El Consorci Públic va accelerar el procés i va obtenir l’esborrany quasi al mateix temps. El 26 de juny del 2000, en un acte a la Casa Blanca amb el president Bill Clinton, es van trobar els dos màxims representants de les parts en competició: Craig Venter per Celera i el director del Consorci Públic, Francis Collins. Es va anunciar de forma conjunta la consecució de dos esborranys de la seqüència completa del genoma humà (Vídeo 1, en anglès). Va ser un moment històric, com el descobriment de la doble hèlix o la primera vegada que l’home va trepitjar la Lluna.

Vídeo 1. Acte de l’anunci del Genoma Humà a la Casa Blanca (Font: YouTube)

Les publicacions corresponents d’ambdues seqüències no van aparèixer fins el febrer del 2001. El Consorci Públic va publicar la seva seqüència a la revista Nature, mentre que Celera ho va fer a Science (Figura 1). Tres anys després, el 2004, el Consorci va publicar la versió final o completa del genoma humà.

Figura 1. Portades de les publicacions de la seqüència esborrany del genoma humà en les revistes Nature i Science el febrer de 2001 (Font: Bioinformática UAB)

GENOMES PERSONALS

El genoma que es va obtenir el 2001 és el genoma de referència. A partir d’aquí s’ha entrat a l’era dels genomes personals, amb nom i cognoms. Craig Venter va ser el primer que va seqüenciar el seu genoma i el següent va ser James Watson, un dels descobridors de la doble hèlix.

Es va trigar 13 anys en seqüenciar el genoma de referència (HGP). Amb el de Craig Venter es va trigar molt menys i amb el de Watson només uns mesos.

APLICACIONS CLÍNIQUES DE LA SEQÜENCIACIÓ

Sense arribar a seqüenciar el genoma sencer s’han identificat gens causants de malalties. L’exoma no és el genoma sencer, sinó la part del genoma que correspon als exons.

Un exemple és el cas de Nicholas Volker (Figura 2), el primer cas de medicina genòmica. Aquest nen tenia una malaltia inflamatòria intestinal greu i intractable de causa desconeguda. Amb la seqüenciació de l’exoma es va permetre descobrir una mutació en el gen XIAP del cromosoma X, que substitueix un aminoàcid funcionalment important per un altre. Un transplantament de medul·la òssia li va salvar la vida al pacient.

Figura 2. Nicholas Volker amb el seu llibre One in a Billion, que explica la seva història (Font: Rare & Undiagnosed Network)

REFERÈNCIES

• L. Pray. Eukaryotic genome complexity. Nature Education 2008; 1(1):96
•  Brown. Genomes 3, 3rd edition (2007)
• Bioinformática UAB
• BT.com
• E. A. Worthey et al. Making a definitive diagnosis: Successful clinical application of whole exome sequencing in a child with intractable inflammatory bowel disease. Genetics in Medicine 2011; 13, 255-262

• Foto portada: Noticias InterBusca

Basic Microbiology (I): invisible world

The 7 September 1674 Anton van Leeuwenhoek said having watched a few tiny animals in a drop of water. What you referred to the concept of tiny animals? In many of our articles we refer to these organisms. Read on to start your journey into the fascinating world of the invisible. 

A MICROSCOPIC WORLD

“They are imperceptible to the naked eye and abounded in such a way that the water seemed to be alive.” From a simple sample of water, Anton Leeuwenhoek concluded that there were tiny living organisms that were impossible to observe with the naked eye. With the help of a rudimentary microscope, he described the first microorganisms.

A world microscopic drawings of Leeuwenhoek over what he described as tiny animals. (Photo: Miguel Vicente, Madrimasd).

The concept of microorganism refers to a heterogeneous group of organisms that can only be displayed with the help of microscopes, since they have sizes lower than the limits of vision of humans (approximately 0.1 mm). They may be prokaryotic (bacteria), eukaryotic (Protozoa, algae, fungi…) and even entities acellular, as it would be the case of the virus. These organisms are measured by submultiples of the metro, more specifically in micrometers (μm, thousandth of a millimeter) and nanometers (nm, millionth of a millimeter).

The submultiples of the metro table (photo: Science Park).

This small size has its advantages: a high surface to volume ratio. This factor has an important biological effect. For example, the smaller cells tend to grow and multiply more quickly due to a rapid exchange of nutrients. Be reduced in size on the other hand, favors a more rapid evolution already that to multiply more quickly significantly increases the frequency of mutations (remember that mutations are the raw material of evolution). In addition, microorganisms more quickly adapt to the environment.

Let’s look at the different sizes that can be found in this large group of microorganisms. In the image below we can see a simple comparison between the various organisms and cells.

Different microorganisms and cells size scale. (Photo: Isabel Etayo).

BACTERIA

This group of prokaryotes is characterized by a size that includes more than 700 μm and 0.2 μm. It should be noted that this group presents varied morphologies and therefore some are measured by diameter (spherical bacteria or coconuts) or by thickness and height (elongated bacteria or bacilli). A prokaryote’s average size is between 0.5 μm and 4 μm. The bacterium Escherichia coli is usually of approximately of 2 μm x 1 μm. In a small space, as the diameter of the point that there is at the end of this sentence would fit some 500 E. coli.

Size comparative diagram of different bacteria. (Photo: University of Granada).

The largest known bacterium is Thiomargarita namibiensis. This prokaryote was found in Namibia in 1999. Its size is 750 μm in diameter (0.75 mm), so they are almost visible to the naked eye. These microorganisms usually present as large as some nutrient storage mechanism, in this case sulfur. Another great example is that of Epulopiscium fishelsoni with a size of 600 μm. On the right side of the picture below we can see the comparison of the latter with  E. coli.

A. Picture of Thiomargarita namibiensis, of about 750 micrometers. B. comparison between Epulopiscium fishelsoni and E. coli. (Photos: Science Policy)

Having a microscopic size isn’t all advantages, it is obvious that there should be a lower limit. Sizes less than 0.15 μm in a bacterium would be almost impossible. Mycoplasma pneumoniae is the smallest bacterium, with a diameter of 0.2 μm. This is a bacterium without a cell wall which can be purchased in many different ways. Following the example of the final point, at 1 mm diameter would fit 5000 bacteria size of Mycoplasma pneumoniae.

VIRUSES

In general, viruses have sizes much smaller than bacteria. They usually have sizes ranging from 20 to 300 nm. So the virus can be up to one hundred times smaller than a bacterium like E. coli. 

Comparison of sizes of different virus and E. coli. (Photo: diversidad microbiana)

The largest known virus is the Mimivirus. This presents 600 nm in diameter (larger than Mycoplasma pneumoniae). In the image below, you can see the comparison between the size of these giant virus and Rickettsia conorii (bacteria that causes human Boutonneuse Fever).

Comparison between Mimivirus and Rickettsia conorii. (Photo: byte Size Biology)

The Polio virus is one of the smallest viruses that are known, with a size of 20 nm (0.02 μm). If we could observe how many polio virus would fit on the point of the end of the sentence, would find some 50000 polio viral particles.

MICROSCOPIC EUKARYOTES

In Protozoa, the size remains varied. The average size is usually 250 μm in length. Even so, small protozoa as bacteria can be found (between 2 and 3 μm, like for example the Leishmania or Babesia) or large protozoa visible to the naked eye (from 16 mm in the case of Porospora gigantea). In the case of Leishmania can be seen as almost a hundred of bodies (thin arrow) can live inside a macrophage of a 30 μm (coarse black arrow).

Leishmania inside a macrophage (black arrow). The bar represents about 20 micrometers. (Photo: Thatawan Pothirat).

Microscopic fungi, such as yeasts, include sizes 6-20 μm. The best-known yeast is Saccharomyces cerevisiae with a size of oscillates between the 6 and 12 μm depending on its stage of ripeness. In the image below we can see an example very clear.

Size of the cells of Saccharomyces cerevisiae. (Photo: Easy notes).

·

“No view has reached my eye more pleasurable than this of so many living creatures within a small drop of water”. Anton Leeuwenhoek, in 1974, discovered an incredible invisible world.

REFERENCES

• Brock, Biología de los microorganismos. Editorial Pearson.
• Ignacio López-Goñi. Virus y Pandemias. Editorial Naukas.
• Cover Photo: Escuela y Ciencia.

Microbiología básica (I): el mundo invisible

El 7 de Septiembre de 1674, Anton van Leeuwenhoek afirmó haber observado unos minúsculos animálculos en una gota de agua. ¿A qué se refería con el concepto de animálculos? En muchos de nuestros artículos hacemos referencia a estos organismos. Sigue leyendo e inicia tu viaje en el fascinante mundo invisible. 

UN MUNDO MICROSCÓPICO

“Los animálculos son animales imperceptibles a simple vista y abundaban de tal manera que el agua parecía estar viva”. De una simple muestra de agua, Anton Leeuwenhoek concluyó que en el mundo había organismos vivos diminutos imposibles de observar a simple vista. Con la ayuda de un rudimentario pero eficiente microscopio, describió los primeros microorganismos (con permiso de Robert Hooke, el primero en describir estructuras microscópicas de ciertos hongos).

Dibujos de Leeuwenhoek sobre lo que definió como animálculos. (Foto: Miguel Vicente, Madrimasd).

El concepto de microorganismo hace referencia a un grupo heterogéneo de organismos que sólo se pueden visualizar con la ayuda de microscopios, ya que presentan tamaños inferiores a los límites de visión de los humanos (aproximadamente 0,1 mm). Pueden ser procariotas (bacterias), eucariotas (protozoos, algas, hongos…) e incluso entidades biológicas acelulares, como seria el caso de los virus. Estos organismos se miden mediante submúltiplos del metro, más concretamente en micrómetros (μm, milésima parte de un milímetro)  y nanómetros (nm, millonésima de milímetro).

Tabla de los submúltiplos del metro (Foto: Parque Ciencia).

Este tamaño tan pequeño tiene sus ventajas: una relación superficie/volumen elevada. Este factor tiene un importante efecto biológico. Por ejemplo, las células más pequeñas tienden a crecer y multiplicarse más rápido debido a un rápido intercambio de nutrientes. Por otro lado, ser de tamaño reducido favorece una evolución más rápida, es decir, al multiplicarse más rápido la frecuencia de las mutaciones aumenta significativamente ( recuerde que las mutaciones son la materia prima de la evolución). Además, los microorganismos se adaptan más rápidamente a las condiciones ambientales del medio.

Analicemos pues, los diferentes tamaños que podemos encontrar en este gran grupo de los microorganismos. En la imagen inferior podemos observar una comparativa sencilla entre los diferentes microorganismos y células.

Escala de tamaño de diferentes microorganismos y células. (Foto: Isabel Etayo).

BACTERIAS

Este grupo de procariotas se caracteriza por presentar un tamaño que comprende entre los 0,2 μm y más de 700 μm. Hay que destacar que este grupo presenta morfologías muy variadas y, por tanto, algunos se miden por el  diámetro (bacterias esféricas o cocos) o por el grosor y la altura (bacterias alargadas o bacilos). El tamaño de un procariota de tipo medio es entre 0,5 μm y 4 μm. La bacteria Escherichia coli, modelo de estudio, suele ser de aproximadamente 2 μm x 1 μm. En un espacio pequeño, como el diámetro del punto que hay al final de esta frase cabrían unas 500 E.coli.

Esquema comparativo del tamaño diferentes bacterias. (Foto: Universidad de Granada).

La bacteria más grande conocida hasta el momento es Thiomargarita namibiensis. Esta procariota fue encontrada en Namibia en 1999. Su tamaño es de 750 μm de diámetro (0,75 mm), de modo que son casi visibles a simple vista. Generalmente estos microorganismos presentan un tamaño tan grande como mecanismo de almacenamiento de algún nutriente, en este caso azufre. Otro gran ejemplo es el de Epulopiscium fishelsoni con un tamaño de 600 μm. En la parte derecha de la imagen inferior podemos observar la comparativa de este último con E.coli.

A. Imagen de Thiomargarita namibiensis, de unos 750 micrómetros. B. Comparación entre Epulopiscium fishelsoni y E.coli. (Fotos: Science Policy)

Podría deducirse que tener un tamaño microscópico es todo ventajas, pero es obvio que debe existir un límite inferior. Tamaños inferiores a 0.15 μm serían casi imposibles en una bacteria. Mycoplasma pneumoniae es la bacteria más pequeña, con un diámetro de 0,2μm. Esta es una bacteria sin pared celular que puede adquirir muchas formas diferentes. Siguiendo el ejemplo del punto final, en su diámetro de 1 mm cabrían 5000 bacterias de tamaño de  Mycoplasma pneumoniae.

VIRUS

En general, los virus presentan tamaños mucho menores que las bacterias. Suelen tener tamaños comprendidos entre los 20 y los 300 nm. Por tanto los virus pueden ser hasta cien veces más pequeños que una bacteria de tipo medio.

Comparación de los tamaños de diferentes virus y E.coli. (Foto: Diversidad microbiana)

El virus más grande conocido es Mimivirus. Este presenta un diámetro de 600 nm, es decir, 0,6 μm (más grande que  Mycoplasma pneumoniae). En la imagen inferior, podemos observar la comparación entre el tamaño de estos virus gigantes y  Rickettsia conorii (bacteria que provoca la fiebre botonosa mediterránea en humanos).

Comparación entre el tamaño de Mimivirus y Rickettsia conorii. (Foto: Bytes Size Biology)

El virus de la Polio es uno de los virus más pequeños que se conocen, con un tamaño de 20 nm (osea, 0.02 μm). Si pudieramos observar cuantos virus de la polio cabrían en el punto del final de la frase, encontraríamos unas 50.000 partículas víricas de polio.

EUCARIOTAS MICROSCÓPICOS

En los protozoos, el tamaño sigue siendo muy variado. El tamaño medio suele ser de 250 μm de longitud. Aún así, podemos encontrar protozoos pequeños como bacterias (entre 2 y 3 μm, como por ejemplo la Leishmania o Babesia) o grandes protozoos visibles a simple vista (de 16 mm en el caso de Porospora gigantea). En el caso de Leishmania podemos observar como cerca de un centenar de organismos (flecha fina) pueden vivir en el interior de un macrófago de unos 30 μm (flecha negra gruesa).

Amastigotas de Leishmania en el interior de un macrófago (flecha negra). La barra representa unos 20 micrómetros. (Foto: Thatawan Pothirat).

En el caso de los hongos micróscopicos, como las levaduras, comprenden tamaños entre 6 y 20 μm. La levadura más conocida es Saccharomyces cerevisiae con un tamaño de oscila entre los 6 y 12 μm dependiendo de su fase de maduración. En la imagen inferior podemos ver un ejemplo muy claro.

Tamaño de las células de Saccharomyces cerevisiae. (Foto: Easy notes).

·

“Ninguna vista ha alcanzado mi ojo más placentera que esta de tantas criaturas vivas dentro de una pequeña gota de agua”. Anton Leeuwenhoek, en 1974, descubrió un increíble y fascinante mundo invisible. 

REFERENCIAS

• Brock, Biología de los microorganismos. Editorial Pearson.
• Ignacio López-Goñi. Virus y Pandemias. Editorial Naukas.
• Foto de portada: Escuela y ciencia.

Microbiologia Bàsica (I): un món invisible

Anton van Leeuwenhoek va afirmar, el 7 de Setembre de 1674, haver observat uns animálculs en una petita gota d’aigua. A què es referia amb aquest concepte? En molts dels nostres articles n’hi farem referència. Així que, no ho dubtis, segueix llegint i descobreix aquest fascinant món invisible. 

EL MÓN MICROSCÒPIC

“Aquests animálculs són imperceptibles a simple vista i abunden de manera que l’aigua pareix estar viva”. Aquestes paraules foren les emprades per Anton van Leeuwenhoek per descriure el món microscòpic que acabava de descobrir. Amb un rudimentari microscopi va descriure els primers microorganismes procariotes. Cal destacar que Robert Hooke ja havia descrit algunes hifes microscòpiques.

Dibuixos de Leeuwenhoek sobre els seus animálculs. (Imatge: Miguel Vicente, Madrimasd).

El terme microorganisme fa referència a un grup d’organismes molt heterogeni que tenen en comú una mida tan petita que no es poden veure a simple vista (només amb instruments adients com els microscopis). Aquests poden ser procariotes (bacteris), eucariotes (protozous, algues, fongs…) i estructures biològiques acel·lulars com els virus. Aquests organismes es mesuren mitjançant submúltiples del metre, concretament el micròmetre (mil·lèssima part d’un mil·límetre) o el nanòmetre (milionèssima part d’un mil·límetre).

Taula dels submúltiples del metre (Imatge: Parque Ciencia).

Aquesta mida microscòpica té els seus avantatges gràcies a  l’elevada relació superfície/volum. Aquest factor té un important efecte en la biologia d’aquests organismes. Per exemple, les cèl·lules més petites tenen una major capacitat de divisió i creixen més ràpidament. Per altra banda, aquesta mida afavoreix a l’evolució més ràpida dels organismes, ja que la seva freqüència de mutació és més gran. També tenen una major capacitat d’adaptació al medi, ja que presenten un intercanvi de nutrients més ràpid que altres cèl·lules més grans.

En aquest article, analitzem les diferents mides dels organismes que podem trobar en aquest grup tan gran. A la imatge que es troba a continuació, trobem una comparativa senzilla i molt interessant.

Escala de tamany de diferents microorganismes i cèl·lules. (Foto: Isabel Etayo).

BACTERIS

Aquest grup es caracteritza per presentar mides compreses entre els 0,2 i més de 700 μm. Cal recordar que els bacteris presenten morfologies molt variades i per tant, alguns es mesuren en funció del diàmetre i d’altres en funció de la longitud. La mida d’un procariota estàndard es d’entre 0,5 i 4 μm. Escherichia coli, model d’estudi, presenta una longitud de 2 μm, així doncs, en un espai tan petit com el punt  final d’aquesta oració, hi trobaríem unes 500 E.coli.

Esquema comparatiu de la mida de diferents bacteris. (Imatge: Universidad de Granada).

El bacteri més gran conegut fins al moment és Thiomargarita namibiensis. Va ser descoberta l’any 1999 a Namíbia i presenta un diàmetre de 750 μm, fet que la fa visible a simple vista (ja que el límit de visió humana és de 0,1 mm). Generalment aquests microorganismes tenen mides tan grans com a mecanisme per l’acumulació de nutrients, en aquest cas sofre. Un altre exemple molt interessant és Epilopiscium fishelsoni amb una mida de 600 μm de longitud. A la part dreta de la imatge següent, podem veure la comparació entre una E.coli i Epulopiscium.

A. Imatge de Thiomargarita namibiensis, aproximadament uns 750 micrómetres. B. Comparació entre Epulopiscium fishelsoni i E.coli. (Fotos: Science Policy)

Podríem creure que tenir una mida microscòpica només pot tenir avantatges, però òbviament ha d’existir un límit de mida (en el cas dels bacteris es tracta de 0,15 μm). Un dels bacteris més petits és Mycoplasma pneumoniae amb un diàmetre de 0,2μm. Si seguim amb l’exemple del pun final, en el seu diàmetre d’1 mm podríem trobar 5000 bacteris de la mida de Mycoplasma pneumoniae.

VIRUS

En general, aquestes formes acel·lulars presenten mides molt més petites que els bacteris i es mesuren en nanòmetres. Solen tenir una mida entre els 20 i 300 nm. Per tant, els virus són gairebé 100 vegades més petits que E.coli, per exemple.

Comparació de les mides de diferents virus i E.coli. (Imatge: Diversidad microbiana)

El virus més gran que es coneix pertany a la família dels Mimivirus. Aquests presenten de mitjana un diàmetre de 600 nm, és a dir, 0,6 μm (són més grans que els bacteris més petites). A la imatge inferior, podem observar una comparativa entre la grandària d’un Mimivirus i Rickettsia conorii (bacteri que provoca la febre botonosa del mediterrani als humans).

Comparació entre Mimivirus i Rickettsia conorii. (Imatge: Bytes Size Biology)

Alguns virus, com el de la Polio, tenen una mida molt petita (uns 20 nm). Si poguéssim observar la quantitat de partícules víriques (0,02 micròmetres)  hi ha al punt final (1 mm de diàmetre), trobaríem unes 50000 partÍcules.

EUCARIOTES MICROSCÒPICS

En els organismes microscòpics eucariòtics la mida és molt variable. La mitjana de dimensió dels protozous, per exemple, és de 250  μm. Tot i això, podem trobar protozous molt petits  (entre 2 i 3  μm, com Leishmania o Babesia) o grans i en certs casos, visibles a simple vista (com per exemple, Porospora gigantea). Les formes més petites de Leishmania poden viure en centenars dins un macròfag de 30 μm de diàmetre (Imatge inferior).

Amastigotas de Leishmania a l’interior d’un macròfag (fletxa negra). La barra representa uns 20 micròmetres. (Imatge: Thatawan Pothirat).

En el cas dels fongs microscòpics, com els llevats, les mides oscil·len entre 6 i 20  μm. El llevat més conegut, Saccharomyces cerevisiae, presenta un diàmetre d’entre 6 i 12  μm en funció del seu estat de maduració.

Mida de las cèl·lules de Saccharomyces cerevisiae. (Imatge: Easy notes).

 

·

“Cap vista més plaent han conegut els meus ulls, que aquesta de tantes criatures vives dins una petita gota d’aigua”. Anton van Leeuwenhoek va descobrir l’any 1674 un increïble i fascinant món invisible.

REFERÈNCIES

• Brock, Biología de los microorganismos. Editorial Pearson.
• Ignacio López-Goñi. Virus y Pandemias. Editorial Naukas.
• Imatge de portada: Escuela y ciencia.