Podcast CB SyR 362: estrella Earendel, galaxias en radio, genoma humano, CRISPR-Cas9, energía oscura y agujeros negros supermasivos

Por Francisco R. Villatoro, el 13 abril, 2022. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Podcast Coffee Break: Señal y Ruido • Recomendación • Science ✎ 3

He participado en el episodio 362 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVooxiTunes], titulado “Ep362: Earendel; Galaxias; Genoma; CRISPR-Cas9; Energía Oscura; Agujeros Negros», 07 abr 2022. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: Más discusión sobre Earendel (min 6:00); Galaxias en radio y formación estelar (29:00); El genoma humano (37:00); Un nuevo Cas9 mejorado (58:00); Energía oscura, campos de quintaesencia y el destino del Cosmos (1:17:00); Agujeros negros y formación estelar (2:04:00); Señales de los oyentes (2:22:00). Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso. CB:SyR es una colaboración del Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife con el Área de Investigación y la UC3 del Instituto de Astrofísica de Canarias».

Portada gentileza de Manu Pombrol (@manupombrol).

Ir a descargar el episodio 362.

Como muestra el vídeo, en el Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife se encuentra su director, Héctor Socas Navarro @HSocasNavarro (@pCoffeeBreak), y por videoconferencia Ángel López-Sánchez @El_Lobo_Rayado, Gastón Giribet @GastonGiribet, y Francis Villatoro @emulenews.

Tras la presentación de Héctor, en breves, Ángel nos comenta las dudas que se han publicado sobre la estrella Earendel a z ~ 6.2. ¿Podría ser una estrella de la Vía Láctea? En el artículo en Nature se descarta porque en 3.5 años la estrella no aparenta haberse movido, pero el argumento es flojo. Ese es el problema con las primeras detecciones de un objeto único, siempre generan muchas dudas. En este caso, los espectros que obtendrá el Telescopio Espacial James Webb podrán dilucidar esta cuestión candente. Más información sobre Earendel en CB:S&R 361, LCMF, 01 abr 2022.

Ángel nos habla de las galaxias cercanas observadas en radiocontinuo a 144 MHz con el radio interferómetro LOFAR (LOw Frequency ARray), en el LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS), que se encuentra distribuido por Europa (la sede principal es belga). Las ondas de radio revelan dos componentes de las galaxias que son invisibles para los telescopios ópticos: los electrones de alta energía, producidos en las ondas de choque en las explosiones de supernovas gigantes que alcanzan una velocidad próxima a la de la luz, y los campos magnéticos, generados por procesos de dínamo impulsados ​​por los movimientos del gas. Cuando los electrones giran en espiral alrededor de las líneas de campo magnético emiten ondas de radio (emisión de sincrotrón); su intensidad aumenta con el número y la energía de los electrones y con la fuerza del campo magnético.

Se han estudiado 76 galaxias cercanas (< 30 Mpc), pero se han publicado mapas para 45 de ellas en el LoTSS 2 (LoTSS-DR2). Se ha estudiado la relación radio-SFR, entre la luminosidad en radio y el ritmo de formación estelar (SFR), a 144 MHz; resulta que es superlineal con L144 ∝ SFR1.4−1.5. El índice espectral de radio integrado medio entre 144 MHz y 1400 MHz es ⟨α⟩=−0.56±0.14, como es de esperar según el espectro de electrones en los rayos cósmicos. Los mapas del índice espectral de radio muestran diferencias entre las regiones de formación estelar y las afueras de las galaxias. Se observa que las galaxias más grandes y más masivas aceleran más electrones, con lo que radian una fracción mayor de su energía, lo que explica la relación radio-SFR superlineal. El artículo es V. Heesen, M. Staffehl, …, C. Tasse, «Nearby galaxies in LoTSS-DR2: insights into the non-linearity of the radio-SFR relation,» arXiv:2204.00635 [astro-ph.GA] (01 Apr 2022).

Fuente: Lluís Montoliu, Gen-Ética, 03 abr 2022.

Me toca comentar que se ha publicado un nuevo genoma humano de referencia. En febrero de 2001 se publicó el primer borrador del genoma humano; desde entonces se ha ido actualizando poco a poco, siendo la última versión la de diciembre de 2013, llamada GRCh38.p13, con 3 096 649 726 pares de bases y 20 442 genes codificantes, que ocupan el 2 % del genoma, siendo el resto no codificante, o intergénico (ENSEMBL). El borrador del genoma humano fue secuenciado por el método de Sanger (con lecturas de hasta 800 a 1000 nucleótidos) y mediante secuenciación masiva usando pequeños fragmentos de ADN (de 100 a 200 nucleótidos de longitud) apoyada por algoritmos bioinformáticos. Las regiones repetitivas con más de 1000 nucleótidos no se pueden ensamblar de forma correcta, lo que deja muchos espacios y huecos. Se sabía que faltaba un 8 % del genoma, sobre todo regiones repetitivas difíciles de secuenciar y ensamblar (como ilustra la parte superior de esta figura de Lluís Montoliu).

Ahora se publica en Science (apareció en bioRxiv en junio de 2021) la versión más completa hasta ahora del genoma humano de referencia, llamada T2T-CHM13v1.1 (NCBI), con 3 054 832 041 pares de bases, que incluye 200 millones de letras adicionales, entre las que se encuentran 99 nuevos genes codificantes de proteínas. Se han usado las nuevas tecnologías de secuenciación PacBio y NanoPore, que permiten la obtención de secuencias de ADN mucho más largas; PacBio usa secuencias de <20,000 nucleótidos, mientras que NanoPore alcanza hasta más de un millón de nucleótidos. La desventaja de estas técnicas es su alto porcentaje de error, en NanoPore de hasta del 15 % y en la última versión de PacBio HiFi de 0.1 %; estos valores se deben comparar con el error en la secuenciación por Sanger, la más fiable, de solo el 0.001 %.

El nuevo genoma ha sido el resultado principal del consorcio Telomere to Telomere (T2T). Se han corregido muchos errores del anterior genoma de referencia. Además, se incluyen las regiones centroméricas (centrómero, la parte central estrecha de un cromosoma que separa el brazo corto del brazo largo) y las subteloméricas de los brazos cortos de los cinco cromosomas acrocéntricos (los cromosomas más asimétricos), que contienen muchas repeticiones y hasta ahora se resistían a los algoritmos de ensamblado. Por ejemplo, si hay 500 repeticiones de TATATATA… y se usan fragmentos de menos de 200 letras es imposible saber que hay 500 repeticiones y no 800 o 200. La parte más relevante que se han usado líneas celulares CHM13 que derivan de patologías placentarias y que son haploides (con una sola copia de los 23 cromosomas, a diferencia de las diploides que tienen dos copias de cada cromosoma, 46 cromosomas, 23 del padre y 23 de la madre). Estas células suelen haber perdido el genoma del progenitor masculino; por ello, aún falta por secuenciar completamente el cromosoma Y (las CHM son 46XX), y unos 10 millones de bases en otros lugares; ya se está trabajando en secuenciarlo.

Los trozos cortos de los cromosomas acrocéntricos, las regiones subteloméricas, contienen múltiples copias (hasta 400) de genes que codifican secuencias de ARN ribosómico, elementos móviles, segmentos duplicados, secuencias repetitivas de ADN y copias de genes de otras partes del genoma. Una jungla inesperada.

No hay un genoma humano sino muchos, tantos como personas. Todos compartimos el 99.9 % del ADN y nos diferenciamos en unos tres millones de pares de bases. Disponer de un genoma completa es importante porque en algunas enfermedades raras que podrían ser de origen genético aún no sabíamos si su causa era la mutación de algún gen. El artículo es Sergey Nurk, Sergey Koren, …, Adam M. Phillippy, «The complete sequence of a human genome,» Science 376: 44-53 (31 Mar 2022), https://doi.org/10.1126/science.abj6987, bioRxiv  445798 (27 May 2021), https://doi.org/10.1101/2021.05.26.445798. Más información en Elizabeth Pennisi, «Most complete human genome yet reveals previously indecipherable DNA,» Science 376: 15-16 (31 Mar 2022), doi: https://doi.org/10.1126/science.abq3018; Lluís Montoliu, «Cuando creíamos que ya lo sabíamos todo de nuestro genoma», Gen-Ética, 08 jun 2021; «Ahora conocemos mejor nuestro genoma, aunque no todavía del todo», Gen-Ética, 03 abr 2022.

Las herramientas CRISPR-Cas9 de edición de genoma no son perfectas y pueden conducir a mutaciones no deseadas (off-target, o «fuera del objetivo»). La proteína Cas9 reconoce la región de ADN que debe cortar gracias al ARN guía, pero no puede cortar cualquier región, para ello primero se tiene que unir al ADN en una región PAM (motivo adyacente al protoespaciador). La región PAM es una secuencia de ADN de 2-6 pares de bases que está adyacente a la región de ADN complementario al ARN guía. En la figura el motivo PAM es NRG donde N ∈ {A,C,T,G}, R ∈ {A,G}; la PAM canónica es la secuencia 5′-NGG-3′ (se conocen Cas9 en otras bacterias que usan otras secuencias PAM).

El problema de muchas mutaciones no deseadas es que a veces la proteína Cas9 se une al ADN en una región PAM en una cadena de ADN que no es perfectamente complementaria al ARN guía. Para evitar esta posibilidad se ha diseñado una nueva Cas9 de alta fidelidad, SuperFi-Cas9. Para saber qué modificar se ha realizado una reconstrucción por crimicroscopia electrónica (cryo-EM) de Cas9 unida a varios sustratos de ADN parcialmente desapareados, con resoluciones de 2.8 a 3.6 Å. En esta figura el ARN guía está en rojo, el ADN está en verde y la secuencia desalineada está en rosa. Se han observado dos configuraciones de la unión, una lineal y otra retorcida (kinked); esta última es menos fuerte y parece estar asociada a las mutaciones no deseadas. Para evitar la configuración retorcida se puede usar una versión mutada de Cas9, llamada SuperFi-Cas9.

La región de Cas9 que escinde (corta) la hebra de ADN no diana se llama bucle RuvC y la que escinde la hebra diana se llama HNH. En la SuperFi-Cas9 se han introducido mutaciones en RuvC, que mejoran su especificidad, pero no alteran su eficiencia de corte. Las mutaciones están marcadas con asteriscos en esta figura (Y1010*,Y1013*, V1018*, Y1016*, R1019*, Q1027*, K1031*). Ya se habían propuesto otras variantes de Cas9 de alta especificidad, pero que tenían reducciones de eficiencia en el corte (de hasta un factor de 100), como la Cas9 hiperprecisa (HypaCas9) con mutaciones N692A, M694A, Q695A y H698A, y la Cas9 de alta fidelidad (Cas9-HF1) con mutaciones N467A, R661A, Q695A y Q926A. La nueva SuperFi-Cas9 mantiene la efectividad de corte y es unas 400 veces más específica que la Cas9 original.

El artículo es Jack P. K. Bravo, Mu-Sen Liu, …, David W. Taylor, «Structural basis for mismatch surveillance by CRISPR–Cas9,» Nature 603: 343–347 (22 Mar 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04470-1, bioRxiv 14 Sep 2021, doi: https://doi.org/10.1101/2021.09.14.460224; más información divulgativa en «SuperFi-Cas9: the future of gene editing technology?» Univ. Texas Austin (03 Mar 2022).

Nos cuenta Gastón el nuevo artículo de Paul J. Steinhardt (candidato al Nobel por la inflación cósmica, pero más tarde negacionista de la inflación, como padre de la teoría ecpirótica del universo cíclico). El nuevo artículo estudia qué pasaría con la expansión cósmica si la energía oscura fuera debida a un campo de quintaesencia; si dicho campo escalar sigue un potencial monótonamente decreciente V(ϕ) que pasa por debajo de cero una cantidad suficiente, entonces la expansión acelerada actual (debido a la energía oscura) se parará; más aún, un poco más tarde se detendrá la expansión y el universo pasará a una fase de contracción hacia un big crunch. El resultado encaja dentro de las propuestas de universo cíclico.

La parada de la expansión según este modelo especulativo sería próxima, en tiempos geológicos, pongamos unos miles de millones de años; hay que recordar que en cosmología los tiempos cosmológicos son muchos mayores, mucho más allá de billones de años. Héctor le pregunta a Gastón por el concepto de potencial de energía de un campo cuántico y Gastón contesta con una analogía de un muelle con una bola. El artículo es Cosmin Andrei, Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt, «Rapidly Descending Dark Energy and the End of Cosmic Expansion,» arXiv:2201.07704 [astro-ph.CO] (19 Jan 2022).

Uno de los resultados de los mapeados galácticos, como SDSS, es que las galaxias en el universo local se encuentran en el diagrama color-magnitud en dos regiones llamadas «nube azul» (blue cloud), asociada a estrellas azules viejas, o «secuencia roja» (red sequence), asociada a estrellas rojas jóvenes; esta separación persiste hasta al menos 𝑧 ∼ 3. Esta clasificación está asociada a la tasa de formación estelar específica (sSFR, por specific Star Formation Rate) por unidad de masa estelar. Usando galaxias más lejanas se observa una transición entre ambas regiones, lo que se interpreta como resultado de un proceso de cese (quenching) de la formación estelar. La causa de esta transición aún se debate; el nuevo artículo propone que la acreción de materia en el SMBH (el AGN) es una fuente de calor para el gas de la galaxia que induce la formación de nuevas estrellas.

Nos comenta Gastón que se ha observado una correlación entre el cese de la formación estelar en una galaxia y la actividad integrada de su núcleo galáctico  activo (AGN), es decir, el agujero negro supermasivo (SMBH) y su chorro relativista. Joanna M. Piotrowska, del Grupo de Astrofísica del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y varios colegas proponen un mecanismo de realimentación entre el AGN y la formación estelar. Para ello se apoyan en simulaciones por ordenador de formación de galaxias (EAGLE, Illustris, IllustrisTNG) y en las observaciones del universo local (z=0) del mapeado galáctico SDSS (Sloan Digital Sky Survey).

El artículo es Joanna M Piotrowska, Asa F L Bluck, …, Yingjie Peng, «On the quenching of star formation in observed and simulated central galaxies: evidence for the role of integrated AGN feedback,» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) 512: 1052-1090 (24 Dec 2021), doi: https://doi.org/10.1093/mnras/stab3673, arXiv:2112.07672 [astro-ph.GA] (14 Dec 2021).

Y pasamos a Señales de los Oyentes. El público en el Museo pregunta por el universo CPT del programa pasado y sobre la entropía en el otro universo cuyo tiempo va hacia atrás; yo interpreto que en ambos universos la entropía crece, porque sus tiempos van hacia adelante, solo parece que va hacia atrás si lo vemos desde fuera y vemos ambos universos, pero como están casualmente desconectados esto no puede ocurrir. Gastón explica la ley de que la entropía crece es una ley estadística que es difícil aplicar al universo en su conjunto.

Gonzalo Souto pregunta: «¿Hay un límite para el redshift? Por ejemplo, la luz de una estrella de tercera generación la población III eventualmente llegará a radio, incluso aquella luz que fue emitida en gamma, etc. ¿Ha habido tiempo en el universo para que los primeros rayos gamma lleguen a radio?» En principio, no hay límite. Y no ha habido tiempo para que los primeros rayos gamma lleguen a radio.

Cristina Hernandez García pregunta: «Una interacción con intercambio de energía ¿requiere una fuerza? ¿Cuál sería para [que] la inflación cediera [energía] a los demás campos? ¿Y en un choque de branas​? ¿Qué fuerzas podrían ser si fueran necesarias? ¿Deberían estar en una teoría del todo?» Contesto que el concepto de fuerza es newtoniano, obsoleto e inapropiado, solo se debe hablar de interacción. Obviamente, toda interacción requiere una interacción. No conocemos el modelo correcto de la inflación, pero en la mayoría de los modelos el campo inflatón (χ) está acoplado al resto de los campos (ϕ) de forma muy similar al campo de Higgs, con un término tipo masa (g² χ² ϕ²) donde g es la constante de acoplamiento.

En el modelo ecpirótico (choque de branas) aún no está claro cuál es el modelo más adecuado para el recalentamiento (hasta donde me consta; Gastón tampoco lo comenta). Lo más sencillo es asociar un campo escalar efectivo a la colisión que actúa como campo inflatón y usar un acoplamiento estándar tipo Higgs. Pero esta propuesta es poco elegante. Finalmente, una futura teoría de todo debería tener una única interacción unificadora que mediante mecanismos de rotura de la simetría se va disgregando en otras interacciones que al final, a baja energía, se reduzcan a las interacciones que hemos observado. Se espera que dicha teoría proponga una única teoría de gran unificación y un único modelo inflacionario, en el que se explicará el recalentamiento. Pero ignoramos si dicha teoría podrá hacerlo, quizás solo pueda proponer una familia de GUT y de modelos inflacionarios, siendo algo contigente (o accidental) el modelo que describe de forma más adecuada nuestro universo (como ocurre con la formación del sistema solar, que es contingente en la teoría general de formación de sistemas planetarios).

Jaume Lorente pregunta: «¿Por qué después de inflación todo se sigue separando entre si? Si «antes» del big bang estaba todo quieto, ¿por qué al parar la inflación no queda todo estático?» Gastón dice que el campo inflatón cuando tiene una valor aproximadamente durante la inflación acelera la expansión, pero cuando cae en su estado de vacío y se para la inflación, lo que se detiene es la aceleración, pero la «velocidad» de la expansión continúa (como ocurriría con un coche que deja de acelerar y no se detiene, sino que sigue moviéndose a velocidad aproximadamente constante).

¡Qué disfrutes del podcast!



3 Comentarios

  1. Francis en el podcast decis que crisrp casN en futuro podra usarse cuando tenga toda la maquinaria junta, pero ya se usar para curar enfermedades monogeneticas como el caso de las enfermedad de celulas falciformes etc. Con la ciencia y tecnica actual crispr ya puede curar enfermedades monogeticas

    1. Maria Paz, no te dejes engañar con las noticias sensacionalistas. Las terapias CRISPR para enfermedades monogenéticas están en fase experimental y en fase de prueba de concepto; solo me consta que hay unos poquitos ensayos clínicos de fase I. No hay ninguna terapia genética con tecnología CRISPR aprobada para su uso clínico. Las tecnologías CRISPR todavía tienen que mejorar mucho para que se llegue a ello. Al ritmo actual faltan más de 10 años para que se apruebe alguna (si llega a aprobarse).

      Te recomiendo leer a Hope Henderson, «CRISPR Clinical Trials: A 2022 Update,» Innovative Genomics Institute, 29 Mar 2022 (https://innovativegenomics.org/news/crispr-clinical-trials-2022/).

  2. Qué tal Francis,

    DIces:

    «la versión más completa hasta ahora del genoma humano de referencia, llamada T2T-CHM13v1.1 (NCBI), con 3 054 832 041 pares de bases»

    Y sin embargo el ADN de referencia anterior:

    «desde entonces se ha ido actualizando poco a poco, siendo la última versión la de diciembre de 2013, llamada GRCh38.p13, con 3 096 649 726 pares de bases»

    ¿Como es posible que el actual tenga menos pares de bases que el anterior, si se han añadido bases nuevas?

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