Microgravedad

Investigación Aplicada en la Dirección de Investigación y Desarrollo Tecnológico en el campo de la BioTecnología

  • Somos un equipo multidisciplinario, que se formo el 2013, el mismo que está conformado por un conjunto de profesionales de diferente formación académica, como experiencia profesional y de diferentes centros de investigación tanto Nacionales como Internacionales, que operamos en conjunto, durante un tiempo determinado, abocados a resolver los enigmas de la microgravedad sobre los sistemas biológicos. Cada uno de los integrantes del equipo es consciente de su papel y del papel de los demás, trabajando en conjunto bajo la dirección del Dr. David Laván Quiroz.

    Investigador Principal:

    David Alfonso Laván Quiroz; Lic., M.Sc and Ph.D [Ver más]

    Investigador Especializado

    “Grupo formado en Memoria al Dr Roberto Marco Cuellar

    y al “Ing. Percy Germán Fernándo Pilco”

    Investigadores:

    marcos.maroto@uam.es
    manuela.garcia@uam.es
    Javier Egea Maiquez, Ph.D – Proyecto 2.2 (Glias)
    javier.egea@uam.es
    Enrique Arias Antunez, Ph.D -Proyecto 1 (Validación) 
    Profesor Titular
    Dirección: Escuela Superior de Ingeniería Informática
    Campus Universitario s/n
    02071 Albacete, España.
    Enrique.Arias@uclm.es
    Diego Cazorla López, Ph.D -Proyecto 1 (Validación) 
    Departamento de Sistemas Informáticos
    Dirección: Escuela Superior de Ingeniería Informática
    Campus Universitario s/n
    02071 Albacete, España.
    Juan José Pardo Mateo, Ph.D -Proyecto 1 (Validación) 
    Departamento de Sistemas Informáticos
    Dirección: Escuela Superior de Ingeniería Informática
    Campus Universitario s/n
    02071 Albacete, España.
    José Luis Sánchez García, Ph.D -Proyecto 1 (Validación) 
    Departamento de Sistemas Informáticos
    Dirección: Escuela Superior de Ingeniería Informática
    Campus Universitario s/n
    02071 Albacete, España.
    Julio Valdivia Silva; M.D and Ph.D -Proyecto 2.1 (Mamas) 
    Investigador Pos Doctoral
    Biotechnology and Space Medicine
    NASA Ames Research Center, Build
    Moffett Field, CA 94035, USA
    julio.silva@singularityu.org
    Javier A. Jo, Ph.DProyecto 2
    Associate Professor of Biomedical Engineering
    Texas A&M University
    5062 Emerging Technologies Building
    3120 TAMU
    College Station, TX 77843-3120
    Office: (979) 458-3335
    Fax: (979) 845-4450
    Becarios:
    César Diego Orihuela Tacuri; B.Sc.
    Becario Fincyt (Bachiller en Genética y Biotecnología)
    diego.orihuelatacuri@gmail.com
    Gabriela Sanabria Manrrique; Estudiante.
    Becario INICTEL-UNI
    Laboratorio de Radiciones no Ionizantes (Biología)
    Juan Carlos Suárez Quispe; B.Sc
    Laboratorio de Radiciones no Ionizantes (Mecatrónica)
    jsuarez@inictel-uni.edu.pe
    Juan Agapito Panta; cPh.D
    Laboratorio de Biología Molecular
    jucar_ap@yahoo.com
    José Manuel Castillo Cara; M.Sc
    Laboratorio de Programación en Paralelo
    Escuela de Computación Científica
    Universidad Nacional de Ingeniería

  •  1. Validación de la máquina de microgravedad mediante niveles de expresión genética provenientes de un microarrays utilizando algoritmos de programación paralela en una arquitectura de GRID Computing. (Ver mas)

    Proyecto financiado por el FINCyT (2014 – 2015), como institución asociada se encuentra la Escuela superior de Informática de la Universidad de Castílla La Mancha y el Instituto Peruano de Energía Nuclear IPEN. Integrantes principales: David Laván, Enrique Arias, Manuel Castillo, Rubén Acosto, Juan Agapito, Juan Carlos Suárez, Diego Orihuela y Gabriela Sanabria.

    2. Implementación de un microscopio de fluorescencia en un equipo de microgravedad para experimentos biológicos

    2.1 Estudio de proliferación celular en tiempo real y estudios genéticos de células de cáncer mamario humanas sometidas a condiciones de microgravedad simulada mediante el análisis de microarreglos, para conocer los nuevos mecanismos de expresión genética en el cáncer

    Proyecto Financiado por el FINCyT (2015-2017), dentro del programa de repatriación de investigadores peruanos.

     2.2 Monitoreo en tiempo real de cultivos primarios de microglias que serán expuestas a microgravedad para luego ser inoculadas en ratones con cerebro lesionado

    Proyecto financiado con recursos propios y del INICTEL-UNI (2015-2017), como institución asociada se encuentra el Instituto Teófilo Hernando del I+D del Medicamento adherido a la facultad de medicina de la Universidad Autónoma de Madrid. Integrantes: David Laván, Manuela García, Javier Egea, Marcos Maroto, Julio Valdivia-Silva, Juan Carlos Suárez y Diego Orihuela.

    Implementación_microscopio_fluorescencia

    Implementación de un microscopio de fluorescencia dentro de una máquina de microgravedad para experimentos biológicos

    Implementación_diagrama_microscopio_fluorescencia

    Sistema de monitoreo en tiempo real de experimentos en condiciones de microgravedad simulada

  • Tutorial

    El aplicativo que se muestra, es utilizando para el análisis de la búsqueda de los posibles sitios de unión a factores de transcripción solo para la familia de Drossophila. El algoritmo compara, por ahora, tres secuencias genéticas correspondientes a las especies de las familias de  Drossophila que son D. melanogaster, D. pseudooscura y D. Viriris, las cuales se encuentran separadas entre ellas 15 millones de años.

    evolucion_drosophila

    Las secuencias pueden ser extraías de la base de datos del NCBI, luego se fijan los exones para luego ubicar las zona promotora y el primer intrón de los tres Ortologos.

    Tutorial

    Las secuencias detectadas serán ingresadas al aplicativo que se ha desarrollado para el análisis de motifs. El algoritmo tiene tres condiciones iniciales, la primera de ellas se recomienda valores entre 5 a 35 %, la segunda valores entre 10 a 40 pb, y por último el porcentaje de conservación debe de tener valores entre 5 a 40 %.

    tutorial_1

    Si te animas ha utilizar nuestro algoritmo de búsqueda de motifs presiona aquí.

  • El Laboratorio de microgravedad tiene un área de 30 m2 aprox. Una vez dentro, a la derecha se puede observar el ambiente donde se desarrollaran los experimentos correspondientes a los proyectos 1, 2 y 3. Las variables termodinámicas del área de experimentación, como temperatura y humedad, permanece constantes y son monitoreadas en tiempo real. El segundo ambiente, que se encuentra a la izquierda del laboratorio de microgravedad, es el área de Bioquímica.

    PROTOCOLOS

    a) Extracción de RNA con TRIZOL

    Si te animas monitorear nuestros experimentos puedes pinchar aquí
    DSC05631

    lab

    1. J.A. Arranz-Tagarro, D. Lavan, R. Lajarín-Cuesta, E. Punzón, I. Colmena, M. Quispe, M. Chuchón, J. Suarez, R. Adriano, R. Acosta, J. Samaniego, A.G. García. “Efectos de las rni sobre la viabilidad celular en cultivos de la línea de Neuroblastoma humano sh-sy5y”. XXXV Reunión del grupo español de neuroprotección y neurotransmision. Cuellera (Valencia) España. 10-13 de 10 Dic. 2014. Pag. 18. (Ver)
    2. David Laván, Rubén Acosta, Juan Carlos Suaréz, Diego Orihuela, Juan Agapito, José Manuel Castillo, Enrique Arias, Jorge Vivar, Javier Medina, Jack van Loon, Julio Valdivia-Silva and Daniel Díaz. “Design and construction of a three-axis microgravity machine for biological experiments”. USA 2014 (ver)
    3. David A. Lavan, Luis Moreno, Rubén E. Acosta, Miguel Díaz, Marcos Moroto, Ricardo Yauri, Roxana Moran, Olga Bracamonte, Julio Valdivia-Silva, Daniel Díaz. “Effects of radiofrequency identifiers in embryos and pupae of Drosophila melanogaster”, 54Th Annual Drosophila Research Conference, “Drosophila Genetics”, Washington DC. USA, 3 al 7 de Abril del 2013.
    4. David A. Lavan Quiróz, Carlos Levano Huamaccto, Erwin Guerra Marroquín and Elek Karsay Rizsanyi. “Experimental treatment of neoplasic diseases and tumors with iono magnetic therapy” AIP (AmericanInstitute of Physics) Conf. Proc. — October 18, 2001 — Volume 593, pp. 151-155

    1. Curso / Taller Científico Internacional Organizado por el INICTEL-UNI, Instituto Peruano de Energía Nuclear y la Universidad Castilla – La Mancha, financiado por el FINCyT “COMPUTACIÓN PARALELA APLICADA A BIOINFORMÁTICA” Lima- Perú Julio 2014 (Ver).

  • La imagen muestra el diseño artístico del Laboratorio Columbus de la ESA, que fue lanzado al espacio en Febrero del 2008. Imagen extraída del portal de la ESA.

    Experimentos llevados a cabo en el entorno de microgravedad (ug) real (Estación Espacial Internacional ISS) o simulada, no es algo cotidiano que un biólogo de cáncer realice. Sin embargo, un entorno espacial proporciona las condiciones aptas como posible solución al cáncer (5).  En las últimas cuatro décadas los estudios en un entorno espacial muestran cambios en la proliferación retardada de las células cancerígenas (16) dichos cambios son relevantes para el cáncer (5).  En la actualidad existen diferentes tipos de simuladores de microgravedad (ug) desde los más caros que son los experimentos realizados en la ISS (2,3,4,9) como en los más baratos que son los de caída libre desde una torre (6,8). El mecanismo más usado para generar microgravedad (ug) simulada es la máquina de posicionamiento aleatorio (RPM) o Clinostato 3D (7) que tiene dos grados de libertad. En la actualidad la ESA es propietaria del RPM mientras que la NASA ha patentado el Bioreactor como un equipo que simula la microgravedad (ug) útil para estudios de señalización celular (17). El INICTEL-UNI, por ser una institución reconocida por la UIT (Unión Internacional de las Telecomunicaciones) como un centro de excelencia en Latinoamérica, cuenta con un staff de profesionales altamente calificados en las áreas de la micro electrónica y mecatrónica como en procesamiento de imágenes y señales satelitales. En la actualidad venimos realizando un trabajo en colaboración con la UESOR (Universidad Estatal del Sur de Rusia) el mismo que consiste en la puesta en marcha del sistema de control de navegación del microsatélite que será enviado al espacio por la agencia espacial RUSA el próximo año. Siguiendo esta dirección, el siguiente paso que el INICTEL-UNI se ha trazado para los próximos años, es la realización de experimentos biológicos dentro de un microsatélite el mismo que se encontrará girando alrededor de la tierra en la órbita LEO. Para poder lograr dichos objetivos, el INICTEL-UNI ha continuado con el diseño y construcción del simulador de microgravedad que se inicio en la Facultad de Medicina de la Universidad Autónoma de Madrid. El nuevo sistema de microgravedad (ug), es una máquina de plataformas giratorios de movimiento aleatorio con tres grados de libertad que se mueven a una velocidad máxima de 2.55 RPM generando a 20 cm del centro de la plataforma una microgravedad de 1.1 x (E-7) veces g (9.81 m/s2). Se usó para este cálculo la fórmula descrita en (114). Para la validación de la máquina de microgravedad (ug), se utilizará como modelo de estudio a Drosophila melanogaster, donde mediremos los niveles de expresión genética de un homogenizado de pupas que previamente serán expuestas al sistema rotativos, los resultados serán comparados con los datos actualmente publicados (2,3,4,9).

    Imagen real del prototipo de microgravedad

    “Trabajo realizado en Memoria del Dr Roberto Marco Cuellar

    Por David A. Laván Quiroz

  • La gravedad es muy conocida pero muy poco entendida. En la actualidad existen muchas teorías que describen la evidencia de los campos gravitatorios, desde Newton (Newton 1693) y Einstein (Einstein, Albert. et. 1920) entre otros. Su intensidad y dirección han sido constante a lo largo de la historia evolutiva de la Tierra, lo que hace difícil entender qué papel, si lo hubiera, esta fuerza puede tener en la vida como la conocemos. La gravedad junto con los factores ambientales han jugado un papel muy importante en la sostenibilidad de la Tierra; por ejemplo, la gravedad es responsable de dar peso a los objetos en la Tierra, la gravedad es necesaria para que la lluvia caiga, para que el agua de drenaje, para que el calor se disipe, por aire y agua de manera independiente, etc. Además de la influencia de la gravedad sobre el medio ambiente, es probable que sea un importante contribuyente a los cambios biológicos,  en la evolución de las especies a partir del agua a la tierra.  Al evolucionar la vida desde el mar, las especies acuáticas parecen haber  utilizado  la gravedad como una señal de dirección, cambiando su orientación con respecto al vector de la gravedad, además, los incrementos en su altura, probablemente, comenzaron a desarrollar mecanismos de adaptación para hacer frente a los cambios de dirección, contrarrestando de esta manera a los cambios de la gravedad. Las nuevas especies de la tierra han necesitado desarrollar un nuevo sistema de flujo corporal, tener una nueva estabilidad postural, apoyo estructural y de locomoción con la finalidad de poder tener un adecuado funcionamiento en un ambiente de 1g terrestre. A su vez, las aves tuvieron que resolver el problema de elevación relacionados con la densidad del aire y la gravedad. Antes de que pudieran volar, las aves tuvieron que desarrollar un sistema músculo-esquelético que podría proporcionar el empuje suficiente para poder elevarse. En el caso de las especies que se arrastran por el suelo, no han debido ser necesario los nuevos cambios evolutivos debido a la orientación del vector gravitatorio. Esta especie requiere de un sistema mucho más complejo para la detección de la gravedad, el sistema regulador y locomotor. En el caso de las plantas, los factores ambientales que hacen que las platas respondan a los estímulos de la luz (fototropismo), tacto (tigmotropismo) y a la gravedad (geotropismo) no son discutibles. Ante cualquier cambio que se produzca en alguno de estos estímulos ambientales, las plantas son capaces de adaptarse al nuevo medio. Hasta el momento todo lo que se ha dicho son posibles especulaciones de algo que puede ser verdad. Desde el 4 de octubre de 1957, día que se lanzó al espacio el primer satélite (Sputnik), hasta el día de hoy, se vienen desarrollando una infinidad de experimentos en el espacio. Donde se ha demostrado que células eucariotas son capaces de detectar y responder a la ausencia de la gravedad mediante la modificación de todo el sistema biológico (Marco R. et al., 1999). También se han experimentado con sistemas celulares mucho más complejos, entre todos los insectos más evolucionados se ha considerado a Drosophila melanogaster como un buen modelo experimental (Vernos I. et al., 1989). Sorprendentemente los experimentos han demostrado cambios genotípicos durante todo el proceso de desarrollo pero no han mostrado cambios fenotípicos (R. Herranz and R. Marco et. al., 2010B J Crawford et al., 1998). Esto pueda que demuestre todo lo que hasta el momento habíamos especulado al comentar que todos los organismos están evolutivamente adaptados a la fuerza de la gravedad de nuestro planeta (Marco R. et al., 1999). De hecho que pequeños efectos de las modificaciones de la gravedad pueden alterar algunos procesos físicos básicos, tales como las reacciones de difusión, etc. Por lo tanto, la gravedad, aunque constante, puede haber jugado un papel importante en la evolución al modificar el sistema de vida de especies que emergieron desde el mar para ir poblando la tierra.

  • A inicios del siglo pasado, se pudo experimentar, por unos cuantos segundos, la microgravedad dentro de un avión guerra en pleno vuelo (Ferry G. 1918). En estos cortos periodos de tiempo, era imposible realizar experimentos biológicos en condiciones de microgravedad y ver sus efectos. Por aquel entonces ya se tenía conocimiento de los efectos producidos por la hipergravedad. Además de las nauseas, vómitos y mareos que estaban sometidos los pilotos, se sabía que el corazón tenía que cambiar su forma de operar, bombeando más rápido y trabajando más duro para empujar a la sangre en su camino hasta el cerebro (Markus Frey et al., 1997). Años más tarde, la tecnología espacial fue mejorando, y en 1950 se realizó la maniobra conocida como el arco de Kepler donde se obtuvo hasta 45 s de microgravedad (Haber F. et al., 1950). Más tarde, un cohete lanzado al espacio, que podría contener pequeños animales, permitió períodos de microgravedad durante muchos minutos en su caída libre (Henry JP et al., 1952). La tecnología de aquel entonces permitía realizar experimentos en hipergravedad simulada y analizar sus efectos en la embriogénesis, utilizando como modelo de estudio a la mosca Drosophila melanogaster.  Los primeros trabajos publicados demuestran que embriones de Drosophila expuestos a 670g tienen un desarrollo normal y las larvas fueron incapaces de moverse. Una típica anomalía fue la fusión de los segmentos, siendo más frecuente en la región media de la larva (segmentos 6-9) (Elizabeth E. Brown et al., 1977). Entre los experimentos de la misión D1, se encontraba el “Fly 15-E”. Este experimento tenía como objetivo estudiar los efectos de la microgravedad sobre el desarrollo embrionario de la mosca Drosophila melanogaster (Marco, R. et al., 1986 and Vernós et al.,1989). Estos indicaban que, aunque es posible el desarrollo esencialmente normal de las Drosophilas durante su exposición al ambiente espacial, la microgravedad altera la ovogénesis y la embriogénesis de las moscas. Se encontró una estimulación del proceso ovogenético, al cuantificar el número de embriones producidos por las hembras en ausencia de gravedad. Además, se observó un retraso en el curso temporal del desarrollo larvario. El experimento en el Biokosmos-9, que se encontraba dentro del Challenger, permitió confirmar e incluso ampliar los resultados del vuelo D1 (R. Marco et al., 1992). Se constató que es posible el desarrollo normal de embriones a partir de huevos formados enteramente en microgravedad, y que el desarrollo de las larvas y adultos recuperados era básicamente normal. También se verificó consistentemente el efecto estimulador de la microgravedad sobre la ovogénesis, ya que el número de larvas y adultos en los contenedores de vuelo fue el doble que en los de los controles. Además, la mayoría de los adultos emergidos no presentaban características morfológicas anómalas, y la proporción de machos y hembras era muy similar, lo que supone una ausencia de mutaciones letales provocadas por la radiación espacial (R. Marco et al., 1992). Por aquel entonces se conocía que la gravedad jugaba un papel muy importante en el desarrollo normal del sistema vestibular que controla la posición con respecto a la gravedad (Bruce LL, Fritzsch B et. al., 1997). Estos estudios hacían suponer que exposiciones prenatales a la microgravedad de manera prolongada producirían déficits temporales en los comportamientos en el adulto. Esta hipótesis, formulada por Bruce LL, Fritzsch B, fue demostrada años después al colocar ratas gestantes en condiciones de microgravedad. Bruce LL y Fritsch observaron algunos cambios en el otolito embrionario durante el desarrollo (Bruce LL, Fritzsch B et. al., 1997). Los resultados de Bruce no solo dieron a conocer que el sistema vestibular estaba alterado en la crías sino dio a conocer que el desarrollo durante la gestación en ratas era casi normal. Estudios de inmunotinción en embriones expuestos a microgravedad simulada, realizado por Sayaka Wakayama,  han mostrado que el desarrollo es lento y que hay menos células que forman el trofoectodermo (El trofoectodermo es una capa de células epiteliales que engloba una cavidad llena de fluido que se denomina blastocele) respecto a controles en tierra (Sayaka Wakayama  et al., 2009). En el año 2000 el grupo de Y. Kojima, demostró que la fecundación de embriones en mamíferos expuestos en microgravedad era viable (Y. Kojima et al 2000). X. Zhang,  realizó un estudio mucho más completo sobre los efectos de la microgravedad simulada, utilizando cultivos de condrocitos embrionarios de pollo. Los resultados mostraron una disminución microtubular generando un deterioro del sistema esquelético celular. Además se observo que las fibras de la matriz extracelular fueron más pequeños y desordenados que la del grupo control. Al medir la actividad de la fosfatasa alcalina en los condrocitos, se noto una disminución, también noto una caída significativa en la concentración de calcio intracelular. No se encontró cambios significativos en la actividad del ATP mitocondrial como la tasa de inhibición de la oligomicina (X. Zhang et al., 2003). Tal vez el metabolismo de la energía no se vio afectada por la microgravedad simulada. También se han realizado experimentos en microgravedad utilizando como animal modelo a Pisaster ochraceus o estrella de mar, donde se han analizado embriones tempranos de la etapa de gástrula expuestos a ug para luego ser estudiados por microscopía electrónica. Se concluyó que el desarrollo de la musculatura esofágica tenían un patrón de desarrollo y diferenciación normal respecto a los controles, tanto en vuelo y tierra (B J Crawford et al., 1998). Este resultado nos hace suponer la importancia que tuvo la gravedad en el proceso de evolución de la tierra. Si la vida se inicio desde el mar, como se ha mencionado en la introducción,  el empuje generado por el agua siempre ha contrarrestado el peso del cuerpo, como el peso depende directamente de la gravedad, la evolución en las especies marinas no ha tenido en cuenta los cambios gravitacionales.

    En la década de los 90, ya se tenía conocimientos del uso de los chips de ADN para estudiar la expresión de diversos genes en un tiempo relativamente corto (Schena M. et al., 1995). El grupo del Dr. Roberto Marco, decidió realizar un nuevo experimento con la finalidad de identificar los genes que cambian sus niveles de expresión en condiciones de microgravedad. Para ello se puso en marcha los experimentos GENE y AGEING los mismos que se llevaron a cabo durante la Misión Cervantes organizada por la Agencia Espacial Europea ESA. 

  • Dra. Olga Bracamonte 

    Laboratorio de Citogenética en Drosophila melanogater
    Facultad de Biología
    Universidad Nacional Mayor de San Marcos

  • Se presenta en esta sección los artículos ubicados en la web que sirven como base para el desarrollo del proyecto de microgravedad y sus aplicaciones en las ciencias de la vida y las TIC. [Ver más]

  • Acceso solo a los integrantes del equipo de Investigación.