Proyecto Marte: Conocemos a las plantas de nuestro proyecto

En entradas anteriores hemos justificado la elección de las plantas que estamos utilizando en nuestro proyecto sobre el suelo de Marte, Arabidopsis thaliana y Capsicum annuum, la variedad conocida como pimiento de Padrón. Es ahora el momento de que conozcamos algo sobre ellas.

Arabidopsis es una planta modelo ampliamente utilizada en la investigación, perteneciente a la familia de las crucíferas, cuyo genoma fue el primero secuenciado en un vegetal. Es una planta herbácea anual, de pequeño tamaño, lo que la hace especialmente apropiada para nuestros experimentos. Su altura oscila entre los 10 y los 30 centímetros; presenta una roseta basal con hojas anchas de la que crece el tallo, con hojas más delgadas. La flores son muy pequeñas, blancas y se agrupan en inflorescencias. El fruto mide hasta unos dos centímetros de largo y unos dos milímetros de ancho, y puede tener unas treinta semillas. En la entrada anterior de este blog nos podíamos hacer una idea de su pequeño tamaño. Otra  característica importante para nuestros experimentos es que su ciclo de vida es corto, pudiéndose completar en el laboratorio en unas ocho semanas. Florece entre febrero y junio. Cuando el fruto está maduro, se abre y dispersa las semillas.

El pimiento de Padrón es una variedad de pimiento, Capsicum annuum. Pertenece a la familia de las solanáceas, en la que también se incluyen la patata, el tomate o la berenjena. Sus flores presentan el cáliz acampanado y terminado en 5 dientes; la corola es normalmente blanca, con 5 pétalos unidos en la base formando un tubo corto y acampanado. Esta variedad se caracteriza porque sus frutos de son de pequeño tamaño, normalmente en torno a unos 5 o 10 centímetros. Son de color verde y tienen sabor intenso, en ocasiones picante. La planta adulta puede llegar a alcanzar una altura comprendida entre los 80 cm y un metro y tiene grandes raíces. 

Podemos ver el aspecto de estas plantas en las imágenes que nos ha proporcionado Carmelo Ruiz, uno de los investigadores de la Estación Experimental del Zaidín que conducen nuestras experiencias.  Esas etapas serán lo que podremos observar si tenemos éxito en nuestro proyecto y conseguimos que esas plantas se desarrollen en el análogo del suelo de Marte en las distintas condiciones que estamos ensayando.

Proyecto Marte: Nuestras bacterias sobreviven a los cambios de temperatura

Hace aproximadamente un mes iniciamos los experimentos encaminados a ver si nuestras bacterias eran capaces de sobrevivir a las condiciones de temperatura que tienen lugar en torno al ecuador de Marte. Se estima que en la mejor situación las temperatura oscilarían entre los 15-20 ºC durante el día aunque descenderían a los -80 ºC durante la noche.

Para simular estas condiciones preparamos tubos con tres gramos de nuestro análogo del suelo de Marte y los inoculamos con 500 microlitros (0,5 ml) de cultivo líquido de cada uno de nuestros microorganismos. Seguidamente se sometieron a ciclos alternantes de congelación a -80 ºC y de descongelación a temperatura ambiente en la Estación Experimental del Zaidín.

Ayer por la mañana Manuel Espinosa extrajo 100 mg de material de cada uno de los seis tubos que previamente habíamos inoculado con las bacterias en seis tubos ependorf. Ya en el instituto les añadimos 500 microlitros de medio de cultivo LB estéril, mezclamos bien y se sembraron 100 microlitros en cada una de las placas de Petri con medio LB sólido. 

El aspecto que presentaban las placas a las 24 horas de incubación es el que muestra la imagen adjunta. Si se observa con detalle, en la placa de Bacillus megaterium aparecen dos tipos de colonias, unas pequeñas y abundantes y otras más grandes, blanquecinas y muy escasas. Manuel Espinosa apunta hacia una contaminación de la placa.

Del mismo modo, incubamos los tubos ependorf con el suelo, los microorganismos y el medio de cultivo restante durante 24 horas. En el caso de que hubiese bacterias vivas, aunque estuviesen en pequeña cantidad, se dividirían observándose turbidez en el medio. La imagen de abajo muestras el aspecto de los tubos comparados con otro que contiene únicamente medio estéril. En todos ellos se apreciaba turbidez. El orden de los mismos equivale al orden de las placas en la imagen superior.

¿Qué conclusiones sacamos de nuestros experimentos con respecto a la supervivencia de nuestros microorganismos en Marte? ¿Qué proponéis hacer ahora con respecto a la tolerancia a la temperatura en Marte?

Y ahora unas cuestiones un poquito más complicadas. Cada una de las colonias que observamos en las placas se ha originado a partir de cada una de las bacterias que había en el suelo simulado de Marte inoculado. Contar el número de colonias que hay en las placas equivale a saber cuántas bacterias había en los 100 microlitros de medio con los que hemos inoculado las placas. ¿Cuántas células de Escherichia coli y de Halomonas sp. hay en cada miligramo de suelo? ¿Nos atreveríamos a contar las colonias de Bacillus subtilis?
Y una última que nos propone Manuel Espinosa. ¿Cómo podríamos saber si en la placa de Bacillus megaterium ha habido contaminación por otra especie bacteriana? Es importante que lo comprobemos. Espero vuestras respuestas.

Proyecto Marte: Conocemos nuestras semillas

Un aspecto muy importante de nuestros experimentos sobre cultivos en el análogo de suelo de Marte ha sido la elección de las semillas. Como es sabido, finalmente se decidió cultivar Arabidopsis thaliana y una variedad de Capsicum annuum, el pimiento de padrón. Ya comentamos que Arabidopsis es una planta modelo ampliamente usada en biología vegetal, y esto la hace especialmente apropiada para este tipo de estudios en los que sometemos a las plantas a condiciones que no son las habituales para ellas. Por el contrario, el pimiento es una planta de la cual nos alimentamos, lo que igualmente la hace apropiada para nuestro estudio ya que también nos planteamos valorar la posibilidad de cosechar alimentos en Marte que pudieran mantener una hipotética colonia de seres humanos.

Avanzamos ahora un paso más en el conocimiento de nuestras plantas. Carmelo Ruiz, uno de los investigadores de la Estación Experimental del Zaidín (CSIC) que dirige nuestro proyecto, nos ha preparado unas imágenes comparativas de ambos tipos de semillas en las que podemos ver su tamaño relativo. En la primera de ellas, la escala que incluye nos permite estimar su tamaño. El lado de cada uno de los cuadrados que vemos en la retícula mide 100 micras, o lo que es lo mismo, 0,1 milímetros. La semilla más grande es de pimiento; la pequeña corresponde a Arabidopsis.

Como se puede apreciar en las imágenes, hay una gran diferencia de tamaño entre nuestras semillas. Y esto también tiene mucha importancia para el desarrollo de los experimentos. Ambas semillas están cultivándose, aparte de en un suelo control rico en nutrientes procedente de nuestro huerto, en las condiciones más extremas del análogo marciano regado únicamente con agua destilada y en otras en las que tratamos esta tierra volcánica con una solución nutritiva para plantas, con microorganismos o con ambos simultáneamente.

Dejando a un lado su posible utilidad, ¿qué finalidad tendrá haber elegido semillas tan diferentes en tamaño, y por tanto, en contenido de nutrientes? ¿Qué resultados cabría esperar, en términos de germinación y de crecimiento, entre los diferentes cultivos de ambas en las distintas condiciones ensayadas? Responder a estas preguntas nos ayudará a interpretar mejor nuestros resultados. 

Proyecto Marte: Germinación y crecimiento de las semillas

Ha pasado ya una semana y media desde que plantamos nuestras semillas en los recipientes con el suelo del huerto (control) y las distintas condiciones a las que sometemos a nuestro análogo del suelo de Marte. En la imagen se muestra una comparativa del estado de los cultivos en la primera semana y a los once días. 

Se hicieron nueve siembras de Arabidopsis, cada una de ellas en las posiciones indicadas por los palillos. En cada una de éstas se pusieron dos o tres semillas para asegurar la germinación de alguna planta al menos. Podemos ver cómo han germinado, aunque las plantitas son aún muy pequeñas. En el suelo control, procedente del huerto y sin ningún tratamiento, han germinado tanto nuestras semillas como otras que habría en el suelo. En el análogo del suelo de Marte, por el contrario, solo germinan nuestras semillas. Con respecto a los cultivos de pimiento, en cada recipiente se pusieron seis semillas que ya han germinado y comenzado a crecer. Es fácil de observarlas.

¿Cómo van evolucionando nuestros cultivos? ¿Han germinado por igual en todas los recipientes? ¿Se están desarrollando por igual las semillas en todos ellos? Es necesario hacer una valoración de los resultados. Espero vuestras respuestas. 

Cultivos de Arabidopsis a alta resolución.
Cultivo de pimiento a alta resolución.

Proyecto Marte: nuestras semillas comienzan a germinar

Nuestros cultivos en el suelo marciano simulado comienzan a dar sus resultados. Una semana después de que sembrásemos las semillas, las plantas han comenzado a germinar. En el caso de los pimientos podemos apreciar cómo están creciendo las raíces, mientras que en Arabidopsis podemos ver unos brotes minúsculos con los cotiledones. Por ahora nuestros resultados indican que las semillas han germinado con normalidad.

La imagen adjunta muestra el aspecto de los distintos cultivos tras los primeros siete días del cultivo. Puede ser necesario tener que ampliar las imágenes para ver cómo van evolucionando nuestras plantitas. Tenemos ya resultados como para ir haciendo una valoración inicial de nuestros experimentos. Como siempre, espero vuestros comentarios.

Imágenes a alta resolución.

Proyecto Marte: Iniciamos los experimentos con cultivos en suelo marciano simulado

En la película Marte (The Martian) un astronauta abandonado en el planeta rojo conseguía sobrevivir, alimentándose de patatas que él mismo cultivaba. Lo hacía en interior de un invernadero construido sobre el suelo estéril de Marte, con el agua que obtenía a partir de las reacciones químicas en las que se quemaba el combustible de la nave y con los microorganismos procedentes de las heces deshidratadas de los astronautas. Más allá de la ficción, en la actualidad se investiga sobre la posibilidad real de cultivar plantas terrestres en Marte ante una hipotética colonización de nuestro planeta vecino.

En nuestro proyecto nos hemos planteado abordar esta cuestión estudiando el crecimiento de plantas sobre el suelo marciano simulado que hemos preparado a partir de escorias volcánicas y del que hemos concluido que se parece razonablemente a algunos de los suelos estudiados por los rovers y los vehículos orbitales enviados a Marte. Nos dirigen este proyecto José Manuel Palma, Carmelo Ruiz y Manuel Espinosa, investigadores de la Estación Experimental del Zaidín (CSIC). Las plantas elegidas para los ensayos son Arabidopsis thaliana, un organismo modelo en genética vegetal, y pimientos de padrón, una variedad de la especie Capsicum annuum. Arabidopsis es una planta con semillas de muy pequeño tamaño, con pocos nutrientes, cuyo crecimiento dependerá de lo que aporte el suelo. Con el pimiento valoramos la posibilidad de cultivar plantas con valor alimentario, necesarias para la supervivencia de los seres humanos en Marte.
Nuestro objetivo principal es valorar si las plantas son capaces de crecer en nuestro suelo marciano simulado. Además, queremos comprobar si mejoraríamos tanto la capacidad de germinación de nuestras semillas como el crecimiento de las mismas añadiendo soluciones nutritivas o algunos de los microorganismos que utilizamos en los experimentos de microbiología.  

Para ello vamos a comparar la capacidad de germinar de nuestras plantas y su crecimiento con un control elaborado a partir del suelo tamizado del huerto del instituto, rico tanto en nutrientes como en microorganismos. Para los experimentos con el suelo simulado previamente lavamos las rocas originales  para eliminar el máximo de materia orgánica y hemos esterilizado las macetas para eliminar todos los microorganismos sometiéndolas a dos ciclos de autoclavado de 15 minutos de duración a 121ºC.  Se han preparado dos lotes, uno para cada planta, con los siguientes tratamientos:

1. Suelo simulado regado con agua destilada.

2. Suelo simulado regado con solución nutritiva.

3. Suelo simulado inoculado con microorganismos, concretamente Pseudomonas putida y P. stutzeri, utilizados en los experimentos microbiológicos.

4. Suelo simulado inoculado con estos mismos microorganismos y regado con solución nutritiva.

En función de los experimentos anteriores, los recipientes se han regado con 150 ml de agua destilada o con la misma cantidad de solución nutritiva. Dado el pequeño tamaño de las semillas de Arabidopsis se han marcado en los cultivos con palillos las posiciones donde se han colocado las semillas. Los cultivos de Arabidopsis se han mantenido en oscuridad durante 24 horas; los de pimiento durante tres días. A partir de entonces se controla la iluminación mediante un temporizador manteniendo las plantas con luz durante 16 horas y 8 en oscuridad a lo largo del día.

Finalmente, nuestros estudiantes más jóvenes también participan en este proyecto. Las imágenes los muestran preparando las macetas y sembrando las semillas.

Proyecto Marte: Crecimiento de nuestras bacterias a baja presión

Uno de nuestros objetivos es comprobar si nuestras bacterias pueden crecer a una presión atmosférica similar a la que existe en Marte. Como ya comentábamos en una entrada previa, hemos utilizado como cámara de vacío un desecador al que hemos conectado una bomba que extrae el aire y un vacuómetro. Hemos podido reducir la presión en el interior del recipiente a una tercera parte de la que existe fuera, aunque este valor dista mucho todavía de la presión que hay en la superficie de Marte. 

Hemos incubado nuestras bacterias durante 48 horas en el interior de la cámara a temperatura ambiente. La imagen muestra el resultado del experimento. Como se puede observar, todas han crecido. ¿Cómo valoramos estos resultados? ¿Cómo podríamos mejorar estos experimentos?

Y una cuestión más. Considerando los resultados que hemos obtenido busca información acerca de cómo varía la presión atmosférica con la altitud y valora a qué altura, como mínimo, podrían sobrevivir nuestras bacterias en la Tierra.

Proyecto Marte: Nuevos experimentos

Hace unas semanas ensayamos la tolerancia de nuestras bacterias a la presencia de cloratos en medios sólidos. Para ello utilizamos placas de Petri con distintas concentraciones de clorato potásico y un control sin esta sal. Todas las placas mostraron crecimiento bacteriano.

En esta ocasión hemos valorado el crecimiento de las bacterias en medios líquidos. Para ello, Manuel Espinosa, ha traído cultivos de nuestros seis microorganismos en medio LB líquido y nos ha enseñado como medir el crecimiento de las bacterias utilizando un espectrofotómetro. El fundamento de esta técnica radica en que a medida que aumenta el número de microorganismos en un cultivo líquido aumenta la turbidez del mismo por lo que midiendo la densidad óptica de aquellos podemos estimar el número de bacterias presentes.

Las concentraciones ensayadas fueron las misma utilizadas en los experimentos en medios sólidos. La tabla siguiente muestra los resultados de nuestros ensayos.

Por otro lado hemos vuelto a ensayar el crecimiento de nuestras bacterias en ambientes de baja presión. Para ellos hemos utilizado una bomba de vacío que hemos conectado a un desecador y a un vacuómetro que nos permite medir la presión en todo el circuito. Nuestra bomba no es muy eficiente, aún así conseguimos reducir la presión dentro del sistema a una tercera parte de la presión atmosférica. A pesar de ello, aún tenemos una presión 30 veces superior a la que existe en Marte. Sin embargo es una buena aproximación para estudiar si nuestros microorganismos son capaces de crecer a baja presión. Podemos adelantar que algunas de las bacterias están creciendo a las 24 de incubación.

Es ahora el momento de valorar nuestros experimentos. Nos vamos a hacer una mejor idea de las diferencias que hay en la tolerancia a los cloratos si hacemos una representación gráfica de nuestros resultados. Podéis hacerlo con Excel o con Calc, de OpenOffice. ¿Cuáles son las bacterias más tolerantes a estas sales?¿Y las menos tolerantes? ¿Crees concluido el experimento, o propondrías algo más?

Y con respecto a nuestro segundo experimento. Haz una valoración del mismo y haz propuestas para mejorarlo y adecuarlo más aún a las condiciones que existen en Marte.

Como siempre, espero vuestras conclusiones en los comentarios de este blog.

Proyecto Marte: ¿Cuánto se parece nuestro análogo al suelo marciano?

Un elemento esencial para algunos de los experimentos biológicos que queremos llevar a cabo en nuestro laboratorio es un análogo del suelo de Marte, es decir, un material que sea, en mayor o menor medida, semejante en cuanto a su composición química y mineralógica a los materiales que se encuentran en la superficie del planeta rojo.

Los análisis llevados a cabo tanto por los orbitadores como por los rovers han demostrado que la composición de la superficie de Marte es fundamentalmente volcánica. Globalmente se ha equiparado a la composición de los materiales meteorizados de determinados volcanes de Hawaii. Ello ha hecho que nos planteemos usar material volcánico para simular el suelo de Marte y hemos adquirido greda volcánica comercial usada habitualmente en jardinería. Esta está constituida por fragmentos de escorias volcánicas de color oscuro de un tamaño comprendido entre 12 y 16 mm. A pesar de la homogeneidad en el tamaño y en la textura de la roca (se puede apreciar una textura vítrea y vacuolar propia de rocas volcánicas con enfriamiento rápido), apreciamos fragmentos de dos coloraciones diferentes: rojizas y grises oscuras, a las que respectivamente denominamos RZV y NZV.

Escorias volcánicas rojas (RZV) y negras (NZV).

Aspecto vacuolar de las escorias volcánicas rojas y negras bajo la lupa binocular (20X).

Para ver en qué medida nuestras rocas se asemejaban a los materiales de Marte nuestras fueron analizadas en el Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (CSIC), donde fueron sometidas a un análisis de fluorescencia de rayos X y a otro de difracción de rayos X. El primero nos dio información sobre la composición química de nuestras muestras, mientras que el segundo lo hizo de la composición mineralógica de las mismas.

Difrractograma de rayos X para las muestras rojas (RZV) obtenido en el Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (CSIC).

Con estos resultados, es el momento de hacer una valoración de los mismos. Y para ello hemos constituido cuatro grupos de trabajo, cada uno de ellos dirigido  por uno de los estudiantes que fueron al IACT. Valoraremos si existe diferencia en la composición química de nuestras muestras, qué tipo de rocas representan y si esas están presentes en la superficie de Marte, compararemos su composición química con la de los materiales estudiados en Marte... y finalmente concluiremos si nuestras muestras son buenas candidatas para ese análogo del suelo de Marte que necesitamos.

Composición del suelo de Marte a partir de los análisis efectuados por rovers en la superficie.

Espero vuestras conclusiones en la sección de comentarios.