L’Observatori Estratosfèric d’Astronomia d’Infraroig (SOFIA) constata nivells d’aigua molecular de 100-400 ppm en latituds altes de la Lluna

Selenologia: L’Observatori Estratosfèric d’Astronomia d’Infraroig (SOFIA) és un Boeing 747SP equipat amb un telescopi reflector de 2,7 metres d’obertura, que vola a una altitud de 12 a 14 km. SOFIA és el resultat d’una col·laboració entre la NASA i el Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Fou amb el SOFIA que Casey I. Honniball realitzà la seva tesi doctoral sobre la detecció remota de components volàtils de la Terra i de la Lluna, que defensà reeixidament l’octubre del 2019. Avui la revista Nature Astronomy publica un article encapçalat per Honniball on reporta la detecció, en el marc d’aquests treballs, d’aigua molecular en la superfície lunar directament sotmesa a un cicle de dia:nit. Estudis anteriors havien detectat un tret d’absorció característic a una longitud d’ona de 3 μm, que s’interpreta com a signe d’una hidratació generalitzada de la superfície lunar. Aquest senyal, però, no discrimina si la hidració és deguda a aigua molecular (H₂O) o altres compostos hidroxílics (OH). Per discriminar-ho hom pot fer ús d’una signatura espectral a 6 μm, que és específica de l’H₂O, i això és el que han fet Honniball et al. amb SOFIA. A latituds lunars altes hom troba efectivament aquest senyal. L’abundància en aquestes regions seria de 100-400 ppm (en termes de massa). Certament el rang de latitud del senyal és estret i, a més, la distribució s’associa estretament amb la geologia local, de forma que seria pas un fenomen global. A més, la major part de l’aigua detectada es trobaria en l’interior de materials vitris o en cavitats entre grans que queden protegides de l’ambient superficial. Altrament, aquesta aigua no podria romandre en la superfície del nostre planeta satèl·lit.

Espectres d’infraroig obtinguts de la regió del cràter Clavius. El pic corresponent a una longitud d’ona de 6000 nm es correspondria a l’H₂O

Observacions del 31 d’agost del 2018

Les observacions en aquest estudi foren realitzades per Honniball i Paul G. Lucey, del Hawaiʻi Institute of Geophysics and Planetology, de la University of Hawaiʻi at Mānoa, de Honolulu. Honniball i Lucey analitzaren les dades obtinguts. La reducció de les dades a unitats físiques de flux fou realitzada per Sachin Shenoy, del Space Science Institute, de Boulder. Shuai Li, del Hawaii Institute of Geophysics and Planetology realitzà el calibratge entre l’absorció i l’abundància d’aigua i les dades M³. Charles A. Hibbits, de l’Applied Physics Lab, de la Johns Hopkins University, de Laurel, aportà dades de laboratori sobre la banda de 6 μm en meteorits. Thomas M. Orlando, de la School of Chemistry and Biochemistry del Georgia Institute of Technology, d’Atlanta, i William M. Farrell, del NASA Goddard Space Flight Center, de Greenbelt, assessoraren Honniball i Lucey en les energies d’activació, coberta de monocapa i estimacions de superfície. Dana M. Hurley, de l’Applied Physics Lab de Laurel participà en la interpretació dels resultats pel que fa a l’exosfera lunar.

Les observacions es feren el 31 d’agost del 2018 en el NASA/DLR SOFIA, projecte operat conjuntament per la Universities Space Research Association, Inc. (USRA) com a contractista de la NASA i pel Deutsches SOFIA Institut com a contractives de la DLR. L’instrument utilitzat fou el Faint Object infraRed CAmera (FORCAST), que té un rang de longituds d’ona de 5 a 8 μm i una resolució espectral de 200, així com una elevada ratio de senyal:soroll. L’escletxa d’entrada que defineix la porció de Lluna observada és de 2,4 x 191 segons d’arc, corresponent a 248 píxels. L’extensió espacial en el centre del disc lunar és de 4,8x1,5 km², per bé que la resolució especial en les vores del disc és inferior.

El 31 d’agost del 2018 la lluna era minvant, amb un angle de fase de 57,5°. Les regions observades en aquella sessió foren:
- una zona de latitud alta de l’hemisferi sud prop del cràter Clavius.
- una zona de latitud baixa dins de Mare Serenitatis.

Com era d’esperar, el senyal d’emissió de 6 μm de la regió del Clavius és prou forta quan se la compara amb la de Mare Serenitatis. Tots els espectres de la regió del Clavius mostren aquesta emissió, i la majoria (98%) depassen en 2 sigmes el soroll de fons, per bé que tan sols un 20% arriben a les 4 sigmes.

A través de Hibbits, s’estudiaren en el laboratori altres materials planetaris pel que fa a la banda de 6 μm. Honniball et al. també compararen les mesures obtingudes amb la bibliografia sobre hidrats cristal·lins, vidre del basalt de la dorsal oceànica i meteorits. Les bandes de tots aquests materials coincideixen prou com per assumir que el tret es correspon a la presència d’aigua molecular.

L’abundància d’aigua

Li, a través d’una anàlisi de laboratori de seccions fines de material geològic, obtingué la relació entre l’altura del pic d’absorbància de 6 μm i l’abundància de l’aigua. Gràcies a aquesta relació, Honniball et al. estimen que les abundància d’aigua en la regió de Clavius van de 100 a 400 ppm, amb una mitjana de 200 ppm.

La comparació amb les dades del Moon Mineralogy Mapper (M³) suggeriria que l’H₂O seria la principal espècie hidroxílica.

D’on provindria aquesta aigua? Honniball et al. enumeren: 1) la quimioabsorció sobre superfícies de grans d’aigua present en l’exosfera lunar; 2) la introducció a través de micrometeorits rics en materials volàtils; 3) reaccions químics d’hidroxils que generarien aigua in situ sobre la superfície de grans; 4) la formació d’aigua in situ a partir d’hidroxils aportats per micrometeorits. De tota manera, Honniball et al. consideren que l’aigua detectada s’hauria de trobar dins de materials vitris de la superfície. El 30% del sòl lunar consisteix en vidres derivats de l’impacte de meteorits, de manera que hom esperaria en aquest material vitri l’abundància d’aigua fos de mitjana de 700 ppm.

Per tot plegat, caldria pensar que tot aquesta aigua es genera a través d’un mecanisme associat amb impactes de micrometeorits, que transformaria hidroxils lunars en aigua segrestada dins de vidres. Aquest procés seria més eficient en latituds altes que no pas en les regions equatorials.

De moment, tan sols s’ha rastrejat la regió del cràter Clavius. Observacions d’altres regions, i realitzades en diferents moments de la lunació, ajudarien a fer-se un quadre més precís de tota aquesta aigua molecular.

Lligams:

- Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA. C. I. Honniball, P. G. Lucey, S. Li, S. Shenoy, T. M. Orlando, C. A. Hibbitts, D. M. Hurley, W. M. Farrell. Nature Astronomy (2020).

- NASA’s SOFIA Discovers Water on Sunlit Surface of Moon, comunicat de premsa de la NASA.

La contaminació atmosfèrica és el principal risc ambiental per a la salut a Barcelona (Informe sobre qualitat de l’aire de l’ASPB)

Avui s’ha fet públic el report de l’Agència de Salut Pública de Barcelona sobre la qualitat de l’aire corresponent a l’any 2019. L’avaluació de la qualitat de l’aire es fa d’acord amb els nivells guia de l’Organització Mundial de la Salut (OMS) i els nivells legals establerts per la Directiva 2008/50/CE. El report constata que, en el 2019, els nivells de NO₂ registrats a les estacions de l’Eixample i de Gràcia-Sant Gervasi superaven el límit legal de 40 μg·m^-3. Aquestes estacions són representatives de les zones de trànsit de la ciutat, i en elles també es depassen els nivells guia de l’OMS de 20 μg·m^-3 per a les PM₁₀ i el de 10 μg·m^-3 per a les PM_2,5. De fet, aquests límits per a la matèria particulada en suspensió són depassats en totes les estacions de la ciutat.

El trànsit rodat és al darrera de bona part dels nivells excessius de NO₂ en l’aire: el districte més afectat és l’Eixample

Un 35% de la població de Barcelona és exposat a nivells de NO₂ per damunt del límit legal

Si atenem al límit legal de NO₂, el 35% de la població de Barcelona és exposat a nivells excessius. Aquesta xifra abasta al 26% de les escoles. Els barris més afectats són els que tenen un major trànsit de vehicles, i així doncs l’Eixample és el districte amb més impacte.

Pel que fa al límit guia de PM_2,5, tota la població de Barcelona és exposat a límits excessius.

L’impacte sobre la salut

D’acord amb el report, el 7% de les morts naturals a Barcelona serien causades per l’excés de contaminació de l’aire: això serien unes 1.000 morts anuals. Pel que fa a la morbilitat, l’exposició crònica a la contaminació atmosfèrica seria al darrera de l’11% de casos nous de càncer de pulmó, del 33% dels casos nous d’asma infantil, etc.

Lligams:

- Avaluació de la qualitat de l’aire a la ciutat de Barcelona. Informe de l’Agència de Salut Pública de Barcelona 2019.

Les gotetes lipídiques intracel·lulars en la integració metabòlica i immunitària

Biologia cel·lular: Els adipòcits són un tipus cel·lular especialitzat en l’acumulació de greixos (triglicèrids, èsters de colesterol, etc.), però de gotetes lipídiques intracel·lular, certament menys pregones, trobem en un bon nombre d’altres tipus cel·lulars. Aquestes gotetes lipídiques actuarien com a orgànuls d’emmagatzematge de reserva energètica. Aquestes reserves, de fet, són explotades també per paràsits intracel·lulars. Ja fa un bon parell de dècades que diversos grups de recerca investiguen activament la dinàmica d’aquests orgànuls. És el cas del Grup de Compartiments i Senyalització Cel·lulars de l’Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer, de Marta Bosch i Albert Pol, del Laboratorio de Mecanoadaptación y Biología de Caveolas del Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares, de Miguel Sánchez-Álvarez, i de l’Institute for Molecular Bioscience de Robert G. Parton. Aquests i altres investigadors publiquen a Science un article on posen de manifest com les gotetes lipídiques de cèl·lules de mamífers són nusos del sistema immune innat que integren elements de metabolisme cel·lular i de defensa contra patògens. Proteïnes implicades en la immunitat innata formen complexos sobre gotetes lipídiques en resposta a la presència de lipopolisacàrid bacterià (LPS, també coneguda com a endotoxina bacteriana). Així, si hi ha una detecció de la presència de LPS, aquests complexos proteics promouen el desacoblament físic de les gotetes lipídiques respecte dels mitocondris. Aquest desacoblament redueix la fosforilació oxidativa (la respiració mitocondrial), de manera que el metabolisme cel·lular passa a basar-se en la glicòlisi aeròbica. Aquesta transició metabòlica afavoreix mecanismes de defensa antibacterians.

Bacteris que han penetrat en un macròfag mostren un tropisme vers les gotetes lipídiques. Això posa en contacte aquestes gotetes amb components de la paret bacteriana, particularment el lipopolisacàrid. Proteïnes del sistema immunitari innat tenen la capacitat d’associar-se a les gotetes lipídiques en presència del lipopolisacàrid i desencadenar canvis generals en el metabolisme cel·lular

Un mecanisme de detecció d’amenaces bacterianes

Marta Bosch et al. mostren com les gotetes lipídiques (LDs) participen d’un sistema immunitari innat mediat per proteïnes que detecten amenaces bacterianes de caràcter general. Davant la presència de lipopolisacàrid (LPS) de bacteris, com és ben sabut, s’activen tota una sèrie de proteïnes de defensa. Però el que mostren Bosch et al. és que algunes d’aquestes proteïnes, com les guanosin-trifosfatases induïbles per interferó o la catelicidina, formen complexos en la superfície de les LDs. D’altra banda, d’una manera més directa, el LPS promou el desacoblament físic de LDs i mitocondris. Sense que aquest acoblament es redueix el metabolisme d’àcids grassos. Per als bacteris aquesta és una bona estratègia d’infecció intracel·lular, ja que així capturen els recursos de LDs manllevant-los als mitocondris. Ara bé, l’augment dels contactes entre LDs i bacteris facilita alhora l’acció del sistema immunitari intracel·lular.

Paràsits intracel·lulars i gotetes lipídiques

Les gotetes lipídiques no són simplement un espai de reserva energètica: també forneixen els lípids necessaris per produir molècules de senyalització i per reposar les membranes. D’altra banda, la monocapa de les gotetes és un espai de localització per a un ample ventall de proteïnes: factors de transcripció, components de la cromatina, etc.

Per a paràsits intracel·lulars com els tripanosomes, els plasmodis, els micobacteris, les clamídies o els virus, les LDs de l’hoste constitueixen un factor nutricional.

La defensa innata

Però si el LPS de la paret bacteriana té la capacitat d’induir la formació de LDs i el seu desacoblament dels mitocondris, també la defensa innata de l’hoste utilitza les LDs per organitzar la resposta contra bacteris intracel·lulars.

En situacions de sepsi polimicrobial o de presència de LPS, les LDs són un espai de recrutament de proteïnes amb capacitat antimicrobiana. En macròfags humans, hi ha una associació específica entre LDs i bacteris en aquestes situacions, tal com mostren Bosch et al. amb imatges de microscòpia òptica i electrònica.

A través d’una espectrometria de masses comparades, Bosch et al. han obtingut perfils proteics de les LDs en macròfags exposats a LPS. Han trobat així 689 proteïnes que presenten una regulació diferencial, 317 en el sentit d’enriquir-se quantitativament i 372 en el sentit d’empobrir-s’hi. Entre les proteïnes enriquides destaquen components relacionats amb el sistema immune. Entre les proteïnes empobrides hi ha les relacionades amb el metabolisme.

Per exemple, la PLIN5 redueix la presència en LDs en macròfags exposats a LPS. Aquesta reducció de PLIN5 afavoreix el desacoblament físic i funcional de les LDs respecte dels mitocondris, amb la consegüent reducció del metabolisme oxidatiu i de la cetogenesi. Bosch et al. mostren com una reexpressió forçada de PLIN5 recupera els contactes LD-mitocondris, alhora comprometent la capacitat antimicrobiana dels macròfags.

La PLIN2, en canvi, es veu augmentada en les LDs en macròfags exposats a LPS. També és el cas de proteïnes de defensa com la viperina, IGTP, IIGP1, TGTP1, IFI47 o la catelicidina.

La catelicidina associada a LDs confereix una major resistència als macròfags davant d’una diversitat d’agents patògens (Escherichia coli, Staphylococcus aureus resistents a la meticil·lina, Listeria monocytogenes).

Les LDs, doncs, serien un element de primera línia en la defensa cel·lular.

Lligams:

- Mammalian lipid droplets are innate immune hubs integrating cell metabolism and host defense. Marta Bosch, Miguel Sánchez-Álvarez, Alba Fajardo, Ronan Kapetanovic, Bernhard Steiner, Filipe Dutra, Luciana Moreira, Juan Antonio López, Rocío Campo, Montserrat Marí, Frederic Morales-Paytuví, Olivia Tort, Albert Gubern, Rachel M. Templin, James E. B. Curson, Nick Martel, Cristina Català, Francisco Lozano, Francesc Tebar, Carlos Enrich, Jesús Vázquez, Miguel A. Del Pozo, Matthew J. Sweet, Patricia T. Bozza, Steven P. Gross, Robert G. Parton, Albert Pol. Science 370: eaay8085 (2020).

L’edició genòmica per CRISPR: Charpentier i Doudna, Premi Nobel de Química 2020

Enginyeria genètica: Aquest migdia, la Reial Acadèmia Sueca de Ciències comunicava la decisió d’atorgar el Premi Nobel de Química d’enguany conjuntament a Emmanuelle Charpentier i a Jennifer A. Doudna “pel desenvolupament d’un mètode d’edició genòmica”. Es refereixen al mètode d’edició genètica pel sistema de CRISPR-Cas9, que ha obert els darrers anys una nova perspectiva en l’enginyeria genètica, car és una tècnica més específica, més dirigida i més eficient en la substitució d’informació genètica en sistemes biològics.

Esquema de l’edició genètica pel sistema CRISPR-Cas9

Emmanuelle Charpentier

Emmanuelle Charpentier (*Juvisy-sur-Orge, 11.12.1968) estudià bioquímica, microbiologia i genètica a la Universitat Pierre i Marie Curie, de París. Realitzà la tesi doctoral de l’Institut Pasteur sobre mecanismes moleculars de la resistència bacteriana a antibiòtics (1995). El 1996 passà al laboratori d’Elaine Tuomanen (*1951), on estudià els elements genètics mòbils responsables de l’alteració genòmica de Streptococcus pneumoniae. El 1997 treballà en el laboratori de Pamela Cowin al New York University Medical Center sobre la regulació del creixement del pèl en ratolins. El 2002 encapçalà el seu propi laboratori a la Universitat de Viena, dedicat a l’estudi de la regulació de la virulència de Streptococcus pyrogenes. El 2009 es traslladà a la Universitat d’Umeå, i el 2014 a Centre Helmholtz de Recerca d’Infeccions de Braunschweig. Des del 2018 és directora de la Unitat Max Planck de Ciència de Patògens, de Berlin.

Jennifer A. Doudna

Jennifer Anne Doudna (*Washington, D.C., 19.2.1964) estudià bioquímica al Pomona College de Claremont (California), on es graduà el 1985. Realitzà la tesi doctoral a la Harvard Medical School sobre un sistema per augmentar l’eficiència d’un ribozim autoreplicatiu (1989). El 1994 passà a Yale, on treballà sobre el ribozim de grup I de Tetrahymena i sobre el ribozim del virus de l’hepatitis D. El 2002 es traslladà a la UC Berkeley. El 2009 començà a treballar per Genentech, però aviat ho deixà per tornar a Berkeley amb una recerca sobre les potencialitats del sistema CRISPR. Actualment compagina la plaça de professora a Berkeley amb la d’investigadora del Howard Hughes Medical Institute.

Un mètode d’edició genètica basat en el sistema CRISPR-Cas9

Ishino et al. (1987) en investigar la seqüència nucleotídica del gen iap d’Escherichia coli remarcà la presència d’una repetició consisteix en cinc seqüències altament homòlogues de 29 parells de bases (pb), amb una simetria diàdica de 14 pb i separadors de 32 pb. Mojica et al. (1993) detectaren una estructura semblant en el genoma d’Haloferax mediterranei, un arqueó halofílic: 14 seqüències gairebé perfectament conservades de 30 pb repetides a distàncies regulars. Fou el grup de Francisco J. M. Mojica, de la Universitat d’Alacant, qui estudià la rellevància biològica d’aquestes estructures i el fet que hom les trobés de manera prou comuna en els genomes de bacteris, arqueons i mitocondris (Mojica et al., 2002). Jansen et al. (2002) es referí a aquesta família de seqüències amb l’acrònim CRISPR (repeticions palindròmiques breus interespaiades regularment en agregats). Associat a les CRISPR apareixen un grup de gens, que Jansen et al. designaren com a “cas” (CRISPR-associated). Els gens cas, de fet, eren exclusius de posicions adjacents a CRISPRs. Els productes gènics de “cas” presentaven motius d’helicasa i nucleasa, la qual cosa feia pensar que eren proteïnes reguladores de l’expressió gènica o del metabolisme general de l’ADN. L’acumulació de dades genòmiques i el desenvolupament de la bioinformàtica permeté la descripció d’un gremi de 45 famílies “cas”, amb els corresponents subtipus de CRISPR/Cas (Haft et al. 2005).

Mojica et al. (2005) trobaren que les seqüències CRISPR deriven d’elements genètics aliens, com ara bacteriòfags o plàsmids. El grup de Mojica i d’altres arribaren a la conclusió que la incorporació de seqüències CRISPR constituïa un mecanisme de protecció per a bacteris i arqueons front a la infecció per bacteriòfags o la transfecció per plàsmids. Aquest mecanisme de protecció és de caràcter específic, i es comporta com una autèntica memòria d’agressions genètiques del passat.

Les CRISPRs del genoma són transcrites en llargues molècules d’ARN (pre-crRNA) que són tallades per generar molècules més petites (crRNAs; CRIPSPR-related RNAs). Les seqüències de crRNA poden reconèixer seqüències homòlogues en genomes forans (fags o plàsmids) introduïts a la cèl·lula i destruir-los. En aquest procés de reconeixement i destrucció participen les proteïnes Cas.

Barrangou et al. (2007) confirmaren les sospites d’altres grups: el sistema CRISPR forneix a bacteris i arqueons un mecanisme de resistència adquirida contra virus. Hom ha vist una analogia amb el sistema d’ARN d’interferència dels organismes eucariòtics i, de manera més llunyana, amb el sistema immunitari específic de vertebrats.

El grup d’Emmanuelle Charpentier es dedicà a l’estudi dels mecanismes de maduració de crRNA en Streptococcus pyogenes, determinant el rol que hi jugaven la RNasa III i petites molècules d’ARN (tracrRNA) codificades en llocs distants del genoma (Deltcheva et al., 2011). En aquest procés també participava la proteïna Cas9, que actuaria d’àncora entre les tracrRNA i el pre-crRNA.

Model de maduració del pre-crRNA (pre-CRISPR-related RNA) proposat pel grup de Charpentier en el 2011

El grup de Charpentier col·laborà amb el de Jennifer A. Doudna per estudiar si el crRNA podia ser utilitzat per dirigir l’especificitat de seqüència de l’activitat nucleasa. Trobaren que, si més no en alguns d’aquestes sistemes, el crRNA forma amb el tracrRNA una estructura comuna que dirigeix la Cas9 a la introducció de talls en la seqüència diana d’ADN (Jinek et al., 2012). D’aquesta manera, la tracrRNA no tan sols desencadena la maduració de pre-crRNA a crRNA a través de la RNasa III, sinó que també activa l’atac de la Cas9 a la seqüència corresponent d’ADN. La Cas9 té aquesta activitat ADNasa a través de dos dominis HNH i RuvC, cadascun dels quals talla una de les cadenes de l’ADN bicatenari.

Doudna i Charpentier tenien en ment les possibilitats d’aquest sistema en l’enginyeria genètica. Per això sintetitzaren una molècula d’ARN de guia simple (sgRNA) a partir de la fusió de crRNA i tracrRNA. D’altra banda, observaren que podien alterar la seqüència diana si alteraven la seqüència de sgRNA. El sistema sgRNA/Cas9 tenia, doncs, la possibilitat de tallar de manera específica qualsevol seqüència d’ADN, és a dir de fer edició genòmica programable per ARN. Ben aviat es demostrà que aquest sistema CRISPR/Cas9 tenia realment la capacitat de fer edició genètica en línies cel·lulars humanes (Mali et al., 2013).

Lligams:

- Pressmeddelande: Nobelpriset i kemi 2020.

- CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III. Elitza Deltcheva, Krzysztof Chylinski, Cynthia M. Sharma, Karine Gonzales, Yanjie Chao, Zaid A. Pirzada, Maria R. Eckert, Jörg Vogel & Emmanuelle Charpentier. Nature 471: 602-607 (2011).

- A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Martin Jinek, Krzysztof Chylinski, Ines Fonfara, Michael Hauer, Jennifer A. Doudna, Emmanuelle Charpentier. Science 337: 816-821 (2012)

Teoria i pràctica de forats negres (Penrose; Genzel i Ghez; Premi Nobel de Física 2020)

Astrofísica: La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha comunicat avui quins han estat els guardonats en l’edició d’enguany del Premi Nobel de Física. El premi ha estat dividit en dues meitats. La primera meitat ha estat lliurada a Roger Penrose “per la descoberta que la formació de forats negres és una predicció robusta de la teoria general de la relativitat”. La segona meitat ha estat lliurada conjuntament a Reinhard Genzel i Andrea Ghez “per la descoberta d’un objecte compacte supermassiu en el centre de la nostra galàxia”. Els forats negres, en efecte, són objectes ben rellevants en la física teòrica més fonamental, però alhora són una peça clau per entendre l’evolució dels estels i la dinàmica dels nuclis galàctics.

El centre de la Via Làctia en una imatge d’infraroig del Two Micron All Sky Survey (2MASS)

Roger Penrose

Roger Penrose (*Colchester, 8.8.1931) es doctorà a la University of Cambridge amb una tesi sobre mètodes tensorials en geometria algebraica (1957). Professor de matemàtiques a la Universitat d’Oxford, les seves contribucions més conegudes són el camp de la física matemàtica de la relativitat general i de la cosmologia, però és també molt valorat per les aportacions fetes en qüestions encara més fonamentals de geometria.

Reinhard Genzel

Reinhard Genzel (*Bad Homburg, 24.3.1952) es doctorà a la Universitat de Bonn amb una tesi sobre radioastronomia realitzada a l’Institut Max Planck (1978). Treballà al Departament de Física de la Universitat de Califònia a Berkeley i en l’Institut Max Planck de Física Extraterrestre de Garching. El 1999 esdevingué professor titular a Berkeley. La seva recerca s’ha centrat en l’astronomia d’infraroig.

Andrea Ghez

Andrea M. Ghez (*NYC, 16.6.1965) es graduà en física al Massachusetts Institute of Technology (MIT). Es doctorà el 1992 al California Institute of Technology. És professora a la University of California at Los Angeles.

La teoria de la relativitat general i els forats negres

Val a dir, primer de res, que el concepte de “forat negre”, entès com un objecte tan massiu que genera un camp gravitatori la velocitat d’escapament del qual és superior a la velocitat de la llum, naix en el context de la física newtoniana. Ole Rømer (1644-1710) obtingué en el 1676 la primera determinació de la velocitat de la llum, que alhora demostrava aquest no té un valor infinit. En el 1729, emprant un mètode basat en l’aberració, James Bradley (1692-1762) refinà el resultat. Entre les dues dates, el 1686, Isaac Newton (1642-1727) presentà la seva llei de gravitació universal. En el 1783, John Michell (1724-1793) publicà una lletra hipotetitzant que un camp gravitatori prou potent podia provocar una alteració en la velocitat de la llum. Michell, com a cas extrem, imaginava un estel de la densitat del Sol però amb un radi 500 vegades superior: en la superfície d’aquest estel (la fotosfera), la velocitat d’escapament del camp gravitatori seria equivalent a la velocitat de la llum, de manera que aquesta no podria escapar, i l’estel en qüestió seria “invisible” per a observadors exteriors. De manera independent, en el 1796, Laplace en el segon volum de l’Exposition du système du monde, imaginava un objecte semblant; i en el 1799 descrivia que un estel que tingués la densitat de Terra i un radi 250 vegades el del Sol tindria en la superfície un camp gravitatori del qual no podria escapar ni la llum. Laplace, de manera general, calculava que qualsevol objecte amb un radi inferior al quocient 2GM/c² (on G és la constant de gravitació universal de Newton, M la massa de l’objecte i c la velocitat de la llum) compliria aquestes característiques. Laplace deia que aquests objectes serien invisibles, però que de tota manera s’hi podria inferir la seva existència a través de companys lluminosos que orbitessin al voltant seu.

La teoria general de la relativitat d’Albert Einstein (1879-1955) oferia, entre d’altres coses, una nova teoria de gravitació universal (1915). Karl Schwarzschild (1873-1916), en un dels seus darrers treballs, publicà una solució de les equacions de camp d’Einstein sobre la curvatura de l’espai-temps al voltant d’una massa simètrica esfèrica no-rotant. Aquestes solucions s’aplicaren a demostracions experimentals de la teoria general de la relativitat, com la precessió del periheli de Mercuri, la desviació de la llum d’estels observats durant un eclipsi de Sol o la diferència d’energia d’un flux de raigs gamma segons si se’l dirigeix en contra o a favor del camp gravitatori terrestre.

La mètrica de Schwarzschild presentava dues singularitats, una a r = 0, i una altra a r = 2GM/c². Sobre la segona treballaren Robert Oppenheimer (1904-1967) i Hartland Snyder (1913-1962), i la relacionaren efectivament amb un núvol esfèric de matèria que hagués arribat a tal grau de col·lapse “que es tanqués a tota comunicació amb un observador distant” i del qual objecte “tan sols persistís el seu camp gravitacional”.

De tota manera, la rellevància d’aquests objectes teòrics fou objecte de controvèrsia i, en general, hom pensà que no existien, degut als requeriments de simetria que semblaven demanar. La descoberta dels anomenats “objectes quasi-estel·lars” o quàsars (QSOs), com ara QSO 3C 273, renovà l’interès per aquests objectes teòrics. QSO 3C 273 era una font extragalàctica de radioones (el desplaçament al vermell de 0,158 permetia calcular-hi una distància de 760 megaparsecs), amb una lluminositat un miler de vegades superior a tota la nostra galàxia. Els quàsars serien, doncs, en realitat “nuclis galàctics actius” (AGN), capaços de produir potències de 10³⁹ W.

John Archibald Wheeler (1911-2008), a partir del 1964, estudià la possibilitat que darrera dels quàsars hi hagués una singularitat de densitat infinita. Roy Kerr (*1934) havia estudiat en el 1963 la possibilitat de singularitats d’aquestes característiques en objectes rotacionals. Paral·lelament, Roger Penrose explorava la situació sense l’assumpció de simetria esfèrica.

Penrose introduí nous mètodes matemàtics i topològics per estudiar les singularitats en l’espai temps ocasionades per un col·lapse gravitacional (Penrose, 1965). Treballà amb una superfície atrapada, és a dir una superfície bidimensional amb la propietat que tots els raigs de llum ortogonals a la superfície convergeixen quan són traçats cap al futur. Per a superfícies esfèriques, n’hi ha prou amb ultrapassar el límit del radi de Schwarzschild (o de Laplace) perquè esdevinguin superfícies atrapades. Els diagrames de Penrose representen aquests espais-temps fortament corbats.

Diagrama de Penrose d’un espai de Minkowski infinit

Aquesta aportació de Penrose no tan sols era vàlida per a singularitats cosmològiques associades al col·lapse d’enormes quantitats de massa en el present sinó també per a la singularitat cosmològica inicial del Big Bang. El terme forat negre per designar el producte d’aquests col·lapses gravitatoris, introduït per Robert Dicke en el 1960, fou el que prengué en darrer terme gràcies als treballs de Wheeler.

Sagittarius A*, un objecte compacte supermassiu al centre de la Via Làctia

Establerts els elements bàsics dels “forats negres” gràcies a les aportacions de noms com Wheeler, Penrose, Stephen Hawking, etc., era el torn d’aplicar-los a problemes oberts en el camp de l’astrosfísica. Ben aviat, la idea del forat negre prengué com l’explicació més acceptable dels quàsars: la potent emissió de raigs X i de radioones era el resultat de matèria que queia al damunt d’un forat negre.

Donald Lynden-Bell proposà en el 1969 que en moltes galàxies hi havia d’haver un forat negre supermassiu (de milions de masses solars) en el centre. Penrose i d’altres treballaren en la modelització de l’energia d’aquests objectes, comptant-hi l’aportació deguda a l’acreció de material i a l’energia rotacional (efecte Lense-Thirring).

El llançament del Telescopi Espacial Hubble obrí la possibilitat, a partir del 1994, d’un estudi més detallat de nuclis galàctics actius, com el de la galàxia M87.

Pel que fa a la Via Làctia, el centre es troba en la constel·lació del Sagitari, concretament a la regió Sagitari A (Sgr A). A començament dels anys 1980 s’hi havia descrit Sgr A*, una font compacta de radioones situades a una distància de 25.000 anys-llum. Dos grups de recerca, el de Reinhard Genzel al MPE i el d’Andrea Ghez a UCLA, han acumulat observacions durant dècades dels estels d’aquesta regió. Mentre Genzel utilitza els telescopis de l’ESO a Xile, Ghez fa ús dels de l’Observatori Keck de Hawaii.

Òrbites de diversos estels de Sagittarius A han permès estimar la localització i la massa del forat negre que presideix el centre de la nostra galàxia

Per tal de seguir els estels en una regió tan marcada per la pols interestel·lar, tots dos grups han fet servir observacions en l’infraroig proper (banda K, amb una longitud d’ona de 2,2 μm). Tots dos grups apliquen tècniques adaptatives per tal de maximitzar la resolució. D’aquesta manera Eckart & Genzel (1996) pogueren observar els moviments propis d’estels individuals situats en el centre galàctic.

Ghez et al. (1998) deduïen la presència d’un forat negre supermassiu a Sgr A* a partir dels elevats moviments propis dels estels propers. Des de llavors tots dos grups, i d'altres, han acumulat observacions sobre el centre galàctic refinant les característiques i la massa del forat negre de Sgr A*, que és equivalent a 4 milions de masses solars.

Lligams:

- Pressmeddelande: Nobelpriset i fysik 2020.

- Gravitational Collapse and Space-Time Singularities. Roger Penrose. Physical Review Letters 14: 57-59 (1965).

- Observations of stellar proper motions near the Galactic Centre. A. Eckart, R. Genzel. Nature 383: 415-417 (1996).

- High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A*: Evidence for a Supermassive Black Hole at the Center of Our Galaxy. A. M. Ghez, B. L. Klein, M. Morris, E. E. Becklin. The Astrophysical Journal 509: 678-686 (1998).

La descoberta del virus de l’hepatitis C (Alter, Houghton & Rice; Premi Nobel de Medicina 2020)

Virologia: Avui l’Assemblea Nobel del Karolinska Institutet ha decidit atorgar el Premi Nobel de Medicina 2020 conjuntament a Harvey J. Alter, Michael Houghton i Charles M. Rice “per la descoberta del virus de l’hepatitis C”. Així ho ha comunicat aquest migdia. La decisió arriba en un món corprès per un altre virus, el SARS-CoV-2, però no hem d’oblidar que el virus de l’hepatitis C (HCV) produeix vora 400.000 morts cada any. L’HCV (hepacivirus) es transmet per via parenteral, com el virus de l’hepatitis B, però en aquest cas fa part de la família de virus d’ARN monocatenari de sentit positiu “Flaviviridae”. Hom calcula que 70 milions de persones pateixen una infecció crònica per HCV, que pot complicar-se en forma de cirrosi o de càncer hepàtic.

Electromicrografia que mostra una partícula d’HCV obtinguda d’un cultiu cel·lular en el marc dels treballs de Maria Teresa Catanese, Martina Kopp, Kunihiro Uryu i Charles Rice.

Harvey J. Alter

Harvey J. Alter (*New York, 12.9.1935) es graduà a la University of Rochester Medical School (1960). S’especialitzà en medicina interna al Strong Memorial Hospital i als University Hospitals of Seattle. El 1961 esdevingué clínic associat als National Institutes of Health (NIH), a Bethesda. Fou després hematòleg a la Georgetown University. El 1969 tornà a NIH, com a investigador del Clinical Center’s Department of Transfusion Medicine.

Michael Houghton

Michael Houghton (*1949) es doctorà al King’s College London amb una tesi sobre les ARN polimerases que catalanitzen la transcripció en l’oviducte de pollastre (1977). Fitxà per la G. D. Searle & Company i, ja en el 1982, per la Chiron Corporation, d’Emeryville. Fou a la Chiron Corporation on treballà sobre el virus de l’hepatitis C. El 2010 passà a la University of Alberta, on és professor de virologia.

Charles M. Rice

Charles Moen Rice (*Sacramento, 25.8.1952) es doctorà al California Institute of Technology amb una tesi sobre virus d’ARN (1981). Continuà vinculat a l’Institut fins el 1985, quan establí el seu propi grup de recerca a la Washington University School of Medicine de St Louis (1986). El 1995 esdevingué professor titular d’aquest centre. El 2001 passà a la Rockefeller University, de New York, on creà el Center for the Study of Hepatitis C.

La descoberta del virus de l’hepatitis C

L’hepatitis o inflamació del fetge pot ésser deguda a factors toxicològics (alcoholisme, toxines ambientals, etc.) o autoimmunes, però també a infeccions. En aquest sentit, en els anys 1940, hom diferenciava dos tipus d’hepatitis infecciosa, l’hepatitis A i l’hepatitis B, distingides per la via de transmissió, que en el primer cas era enteral (o digestiva) i en el segon cas parenteral (o sanguínia o per altres fluids corporals). En general, l’hepatitis A cursa com a infecció aguda, potencialment greu, però que sovint no deixa seqüeles entre els qui la superen. En el cas de l’hepatitis parenteral, però, la infecció pot cronificar-se, i complicar-se en forma de cirrosi o de carcinoma.

En els anys 1960, Baruch Blumberg identificà el virus de l’hepatitis B (HBV). El treball de Blumberg permeté a d’altres grups el desenvolupament, primer, de tests diagnòstics, i després, d’un vaccí efectiu. Blumberg rebé en el 1976 el Premi Nobel de Medicina per aquesta descoberta.

Una de les vies habituals de transmissió del virus de l’hepatitis B eren les transfusions sanguínies. Normalment, la infecció cursa de manera insidiosa, i sovint no es detecta fins que apareixen els primers símptomes hepàtics greus, anys o dècades després del contagi. El grup de Harvey J. Alter del Departament de Transfusions del NIH estudià la prevalença d’hepatitis en pacients que havien rebut transfusions sanguínies. La descoberta de l’HBV conduí a la introducció d’un triatge que permetia descartar en els bancs de sang les mostres portadores del virus, però Alter et al. demostraren que, malgrat aquest triatge, continuaven havent-hi casos d’hepatitis contreta per transfusions de sang. Inicialment, hipotetitzaren que el causant d’aquests casos podia ésser el virus de l’hepatitis A (HAV), però l’aplicació de tests d’HAV descartà aquesta possibilitat.

Alter et al. (1972) identificaren mostres de sang que podien transmetre una hepatitis parenteral crònica independent de l’hepatitis B de Blumberg. Aquestes mostres de sang podien transmetre aquesta malaltia a ximpanzés, però no pas a altres models animals. Postularen l’existència d’un agent infecció que, d’acord amb les característiques que mostrava, devia ésser un virus. En tot cas, Feinstone et al. (1975) tenien prou dades com per parlar de “l’hepatitis no-A, no-B”.

El virus de “l’hepatitis no-A, no B” fou objecte d’una intensa recerca amb l’objectiu d’identificar-lo mitjançant isolament. Però el virus es demostrà ben fastidiós en aquest sentit. El grup de Michael Houghton, de l’empresa Chiron, creia que, descartades les tècniques tradicionals, hom podia aprofitar les noves tècniques de genètica molecular per aïllar el genoma d’aquest virus. El punt de partida de Houghton et al. era la sang d’un ximpanzé infectat experimentalment. D’aquesta sang aïllaren l’ARN i fabricaren una genoteca d’ADN complementari després d’una retrotranscripció. Ja s’entenia que la major part dels fragments d’aquesta genoteca serien de gens de ximpanzé, però una petita minoria es correspondria a gens virals. Així que introduïren aquests fragments en vectors d’expressió per obtindre’n les proteïnes corresponents, que creuaven amb anticossos procedents de sang de pacients amb aquest tipus d’hepatitis. Entre els clons de la genoteca d’expressió un donava positiu en aquest sentit, és a dir que el seu producte gènic era reconegut per anticossos de pacients (Choo et al., 1989). L’estudi d’aquest clon revelava que la seqüència era corresponent a un virus prèviament desconegut de la família dels flavivírids, al que li donaren el nom de “virus de l’hepatitis C”.

Grups de recerca com el de Charles M. Rice investigaren aquest nou virus com a agent causal de “l’hepatitis no-A no-B”. La comparació del genoma del “virus de l’hepatitis C” amb el d’altres flavivirus assenyalava la possible rellevància de la regió de l’extrem 3’ terminal en la replicació del virus. Diferents clons de virus d’hepatitis C aïllats de malalts mostraven diferències genètiques en aquesta i altres regions. Rice, mitjançant enginyeria genètica, generà diverses variants addicionals i les assajà en ximpanzés, comprovant el caràcter infectiu d’algunes d’elles (Kolykhalov et al., 1997). Amb aquests estudis quedà clar que el virus de l’hepatitis C era responsable, si més no, d’una part dels casos d’hepatitis “no-A, no-B”.

Amb la identificació de l’agent infecció, l’hepatitis C adquiria plenament categoria com a malaltia vírica. S’hi desenvoluparen tests de detecció de la infecció, que eventualment s’incorporaren als processos de triatge de sang destinada a transfusió. Les proves de detecció de l’HBV i de l’HCV han erradicat pràcticament l’hepatitis post-transfusió en moltes parts del món.

La caracterització del virus de l’hepatitis C també obria la porta al desenvolupament d’antivirals. Alguns d’aquests fàrmacs tenen la capacitat d’eliminar completament el virus del pacient. Així doncs, ara existeix un horitzó vers l’erradicació del virus de l’hepatitis C.

Lligams:

- Pressmeddelande: Nobelpriset i fysiologi eller medicin 2020.

- Posttransfusion Hepatitis After Exclusion of Commercial and Hepatitis-B Antigen-Positive Donors. Harvey J. Alter, Paul V. Holland, Robert H. Purcell, Jerrold J. Lander, Stephen M. Feinstone, Andrew G. Morrow, Paul J. Schmidt. Ann. Intern. Med. 77: 691-699 (1972).

- Transfusion-Associated Hepatitis Not Due to Viral Hepatitis Type A or B. Stephen M. Feinstone, Albert Z. Kapikian, Robert H. Purcell, Harvey J. Alter, Paul V. Holland. N. Engl. J. Med. 292: 767-770 (1975)

- Isolation of a cDNA clone derived from a blood-borne non-A, non-B viral hepatitis genome. Q.L. Choo, G. Kuo, A.J. Weiner, L.R. Overby, D.W. Bradley, M. Houghton. Sci. 244: 359-362 (1989)

- Transmission of Hepatitis C by Intrahepatic Inoculation with Transcribed RNA. Alexander A. Kolykhalov, Eugene V. Agapov, Keril J. Blight, Kathleen Mihalik, Stephen M. Feinstone, Charles M. Rice. Sci. 277: 570-574 (1997).