Histones en l’organització de la cromatina bacteriana

Genètica molecular: En llibres de text podem llegir, en l’enumeració de contrastos entre les cèl·lules eucariòtiques i les cèl·lules procariòtiques, que en les primeres les histones són els principals constituents proteics de la cromatina mentre que en les segones aquesta funció d’organització dels cromosomes la realitza d’una manera més laxa un seguit d’altres proteïnes. Val a dir però que les histones també tenen un rol important en la majoria d’arqueons, que són organismes tan procariòtics com els bacteris. Així que podem corregir la frase i dir que les histones són els constituents principals de cromatina en eucariotes i en la majoria d’arqueons. Però la cosa no acaba ací. L’anàlisi genòmica de les darreres dècades ha revelat que diversos genomes bacterianes codifiquen proteïnes amb possibles dominis de plegament d’histona. Molt s’ha discutit sobre si aquestes “proteïnes semblants a histones” són equivalents estructurals i funcionals a les veritables histones d’arqueons i d’eucariotes. En aquest debat irromp ara una publicació amb Antoine Hocher i Shawn P. Laursen com a primers autors en el que constaten que en els bacteris Bdellovibrio bacteriovorus i Leptospira interrogants les histones són components principals essencials de la cromatina. Indirectament dedueixen que les histones han de ser funcionalment rellevants en altres clades bacterians. L’anàlisi estructural del dímer la histona Bd0055 de B. bacteriovorus revela una topologia de plegament comparable a la descrita en arqueons i eucariotes. Ara bé, Bd0055 d’uneix a l’ADN d’una manera peculiar, formant-hi una beina de dímers estretament encaixats. Les histones dels genomes d’arqueons, eucariotes i virus, contràriament, són envoltades d’ADN. Hocher et al. conclouen que les histones són components integrals de la cromatina en els tres dominis de l’arbre de la vida, i que el domini dels bacteris no té res a envejar als altres en matèria d’innovació organitzativa.

Electrofotografia d’una cèl·lula de “Bdellovibrio bacteriovorus”

Les histones

Els autors d’aquesta investigació són Antoine Hocher (del Medical Research Council London Institute of Medical Sciences i de l’Imperial College London), Shawn P. Laursen (del Department of Molecular, Cellular, and Developmental Biology de la University of Colorado, amb seu a Boulder), Paul Radford (de la School of Life Sciences de Nottingham), Jess Tyson (Nottingham), Carey Lambert (Nottingham), Kathryn M. Stevens (MRC i Imperial College), Mathieu Picardeau (Institut Pasteur), R. Elizabeth Sockett (Notthingham), Karolin Luger (de Colorado i del Howard Hughes Medical Institute) i Tobias Warnecke (MRC i Imperial College).

Hocher inicià aquest projecte i dugué a terme totes les anàlisis bioinformàtiques, els experiments de seqüenciació i de proteòmica, començant pels cultius bacterians i les anàlisi bioquímiques. Laursen realitzà tot el treball in vitro sobre la Bd0055 expressada en un recombinant d’Escherichia coli: caracterització biofísica, cristal·lografia, anàlisi estructural. Stevens ajudà en l’obtenció de dades d’homòlegs bacterians d’histones. Radford construí les soques de fusió de B. bacteriovorus Bd0055-mCherry i Bd0055-mCitrine, que foren fenotipades al microscopi per Tyson. Lambert i Radford intentaren les delecions del gen bd0055 en cultius de B. bacteriovorus tant depredadors com independents de presa. Picardeau aportà la biomassa per als estudis en l’espiroqueta L. interrogans de bioquímica i d’intent de deleció del gen LA_2458. Els projecte fou supervisat per Sockett, Luger i Warnecke. Hocher, Laursen, Luger i Warnecke dirigiren l’anàlisi i interpretació de dades, i redactaren l’esborrany que ara tenim a les mans.

Els autors agraeixen a la LMS Proteomics Facility la generació de dades d’espectrometria de masses, a la LMS Genomics Facility la seqüenciació d’ARN, i a Annette Ersbse (Colorado) l’assistència en la cristal·lografia. Radford, Tyson, Lambert i Sockett treballaren amb un fons de Wellcome. Hocher, Stevens i Warnecke amb un de UKRI MRC. Luger i Laursen són finançats pel Howard Hughes Medical Institute.

La unitat bàsica de la cromatina en eucariotes és el nucleasoma, consistent en un octàmer d’histones al voltant del qual s’aplega un segment de la doble hèlix d’ADN

La paraula “cromatina” designa el complex d’àcid desoxiribonucleic (ADN) i proteïna que constitueix el component principal del nucli de les cèl·lules eucariotes, és a dir de les cèl·lules que tenen un nucli envoltat per una doble membrana lipídica. La unitat bàsica de la cromatina eucariòtica és el nucleosoma, integrat per quatre proteïnes histones que conformen un octàmer al voltant del qual es disposa la doble hèlix d’ADN en dos girs “superhelicals”. Aquest tret estructural fa que l’ADN quedi especialment protegit. Un sistema complex de control d’accés permet a la maquinària proteica responsable de funcions com la transcripció, la replicació o la reparació d’accedir a l’ADN. Modificacions post-transcripcionals de les histones, com la metilació, constitueixen un element central de la regulació epigenètica.

La història de la recerca en histones arrenca en el 1884, quan Albrecht Kossel reportà l’aïllament d’un component semblant a la peptona i extractable amb àcids dels nuclis d’eritròcits d’oca. Kossel anomenà a aquest component “histona” sense aclarir si ho feia pels termes grecs ἵστημι o ἱστός, però sí assenyalant que sospitava que in vivo aquesta histona es trobaria associada a l’àcid nucleic en els nuclis intactes d’eritròcit. El grup de recerca de James F. Bonner, en els anys 1960, atenent al fet que hom havia descobert histones molt abundants i semblants entre els teixits i organismes més diversos, estudià aquesta proteïna i determinà la seva importància en la regulació dels àcids nucleics, dels quals ja se sabia que eren la molècula de l’herència biològica. La biologia estructural descrigué el ‘plec d’histona’ com un motiu integrat per tres hèlix alfa connectades per dos llaços curts. Aquest ‘plec d’histona’ permet la dimerització de dues molècules d’histona com qui es dóna la mà, tocant el cap d’una amb la cua de l’altra.

Si d’entrada hom els assignava un rol essencialment estructural, de plegament d’ADN, com més anava més evident era el seu paper funcional en la regulació de l’expressió gènica i del cicle cel·lular. Durant força temps hom pensà que les histones eren exclusives dels organismes eucariòtics, però eventualment hom detectà la presència d’histones relativament senzilles (consisteix en un únic plec d’histona) en arqueons. Així hom conclogué que en arqueons hi ha una organització de la cromatina dependent d’aquestes histones minimalistes i d’altres proteïnes associades al nucleoide (NAPs). Aquesta troballa encaixava amb la idea que els arqueons, com a organismes procariòtics, són un pont evolutiu entre els bacteris i els eucariotes. En alguns arqueons les histones són les proteïnes cel·lulars més abundants. En Thermococcus kodakarensis la presència d’histones és imprescindible per a la viabilitat. Els dímers d’histones d’aquests arqueons són envoltats per ADN en contactar-hi a través de tres solcs consecutius de la doble hèlix, és a dir d’una manera semblant a la del nucleosoma eucariòtic. Existeixen, però, importants diferències. Les histones d’eucariotes són heterodímers obligats. En canvis les histones HTkA/B (T. kodakarensis) i HMfA/B (de Methanothermus fervidus) poden formar tant heterodímers com homodímers. Si els heterodímers d’histones eucariotes s’integren en octàmers ben definits, els dímers d’histones arqueanes oligomeritzen en hipernucleosomes de mida variable.

Quan diem que la cèl·lula bacteriana és una cèl·lula procariota, ens referim al fet que el nucli (o nucleoide) cel·lular no es troba separat per una membrana de la resta del citoplasma. L’ADN bacterià, però, o es troba nuu, sinó que en la seva organització participen una sèrie de proteïnes bàsiques NAPs amb capacitat d’unió a l’àcid nucleic. Entre aquestes NAPs hi ha HU i d’altres. Algunes NAPs són exclusives de llinatges bacterians concrets, i d’altres, com la citada HU, són més generals. Ara bé, la deleció de la proteïna HU, que és la NAP més abundant d’Escherichia coli no implica letalitat. Aquesta troballa reforçà la idea d’un rol menor de les NAPs en l’organització del material genètic bacterià, i l’assumpció que no hi havia histones entre els bacteris.

En ampliar-se les bases de dades genòmiques de bacteris, les recerques bioinformàtiques posaren de manifest la presència de possibles dominis de ‘plegament d’histona’ en una fracció petita però variada de llinatges bacterians.

Hocher et al. presenten en aquest estudi resultats que indiquen que en el bacteri Bdellovibrio bacteriovorus les histones són components majoritaris i essencials del nucleoide. In vitro, aquestes histones recobreixen l’ADN linear constituint un filament de nucleohistona. Si entre els eucariotes és l’ADN el que encercla l’octàmer d’histones, en B. bacteriovorus és la histona la que embolcalla la doble hèlix d’ADN.

Una recerca de proteïnes amb plegament d’histona

Hocher parteixen dels dominis de plegament d’histona PF00125, PF00808 i PF09123 per fer una recerca bioinformàtica sobre una base de dades amb 18.343 genomes bacterians del NCBI. Descartaren els resultats corresponents a proteïnes majors de 200 aminoàcids.

Els cultius bacterians analitzats

La recerca assenyalà com a objectiu a B. bacteriovorus HD100. Aquest bacteri és cultivat en plaques que contenen E. coli S17-1, de les quals s’alimenta.

B. bacteriovorus HID13 fou seleccionat pel fet que se’l pot cultivar en el laboratori sense necessita d’un bacteri hoste.

Un altre objectiu fou L. interrogants, que és cultiva en un medi EMJH a 30°C.

Dels cultius bacterians es feien extraccions de proteïna total. També es feien extraccions a partir d’un enriquiment previ de nucleoides cel·lulars. Els extractes de proteïna eren processats per analitzar-los per cromatografia líquida acoblada a espectrometria de masses (LC-MS/MS).

De cultius bacterians també es feia extracció de l’ARN total, que era ulteriorment analitzat en una seqüenciador.

El marcatge amb fluorescència de Bd0055

Mitjançant enginyeria genètica es fusionà el fluoròfor mCherry/mCitrine a l’extrem C- termina de la proteïna Bd0055. Això permetia fer un seguiment d’aquesta histona en microscopi d’epifluorescència.

L’expressió de Bd0055 en E. coli

El gen Bd0055 fou introduït en un vector d’expressió d’E. coli. Així s’aconseguien quantitats d’aquesta proteïna inassolibles en cultius de B. bacteriovorus. Aquesta quantitat de proteïna serví per als estudis de cristal·lografia, i per als experiments d’unió a ADN i de dinàmica molecular.

Mutagènesi dirigida

Hocher et al. intentaren generar mutants de B. bacteriovorus que tinguessin el gen bd0055 delecionat. Quelcom semblant intentaren també en L. interrogans per al gen LA_2458.

Les histones són presents en diversos clades bacterians

En els 18.343 genomes bacterians investigats, Hocher et al. troben 416 proteïnes que contenen un domini de plegament d’histona. No arriba al 2% els genomes bacterians que contenen un domini de plegament d’histones. En canvi, el 93% dels genomes bacterians contenen la proteïna HU. Això ja indica que no hem de pensar pas que les proteïnes de tipus histona siguin gaire abundants o escampats entre els bacteris.

La distribució filogenètica d’histones entre el domini bacterià és indicativa d’una transmissió vertical en certs llinatges i de transmissió horitzontal en uns altres. Hi ha dos clades que s’hi destaquen en la persistència d’histones: Bdellovibrionota i Leptospirales.

Bdellovibrio bacteriovorus HD100 és un predador o paràsit bacterià amb un estil de vida bifàsic: 1) fase de vida lliure; 2) fase invasiva sobre el periplasma de bacteris gramnegatius com E. coli. No és estrany que des de la seva descoberta, en el 1962, hom hagi somniat en utilitzar aquesta “sangonera de bacteris” per combatre infeccions bacterianes en humans i animals. Hocher et al. mostren que en el genoma hi hauria dos gens de possibles histones: Bd0055 i Bd3044. Les dades transcriptòmiques prèvies assenyalaven una alta expressió de Bd0055 particularment durant la replicació activa dins del periplasma de l’hoste. Per això, Hocher et al. decidiren centrar-se en aquesta proteïna.

Hocher et al. remarquen en les imatges de microscopi de fluorescència amb Bd0055 marcada, que aquesta proteïna és absent dels pols cel·lulars, i tampoc no és secretada. La tinció Hoechst indica que es localitza en el nucleoide. La proteïna Bd0055 es troba enriquida 29 vegades en la fracció de nucleoides. En aquesta fracció Bd0055 és la més abundant de les NAPs, superant HU i Dps.

La cristal·lografia indica que Bd0055 forma dímers en els que els monòmers es connecten amb el cap de l’un tocant la cua de l’altre.

En els assaigs d’unió a fragments de 147 bp d’ADN, la proteïna Bd0055 s’uneix sense formar oligòmers estables. L’anàlisi cristal·logràfica de la unió de la proteïna Bd0055 amb fragments d’ADN de 35 bp indica un contacte a través d’un solc menor de la doble hèlix. La doble hèlix, però no es plega al voltant de la proteïna Bd0055, sinó que és la proteïna Bd0055 la que acaba per encerclar l’ADN format un filament de nucleohistona amb una ratio d’un dímer de Bd0055 per cada 2,5 bp d’ADN.

La introducció de mutacions A48H, S45F i I61L a la proteïna Bd0055 permet que aquesta segueixi un comportament més semblant a les histones arqueanes i eucariòtiques. Aquest comportament seria degut a la formació de tetràmers de Bd0055.

L’anàlisi de mutants per deleció del gen bd0055 indica que la proteïna Bd0055 és essencial per al creixement de B. bacteriovorus tant en una soca depredadora com HD100 com en una de vida lliure com HID13.

L’altra histona investigada per Hocher et al. és A0A2H1XGH2, codificada pel gen LA_2458 de Leptospira interrogans. Aquesta espiroqueta és l’agent causal de la leptospirosi que en el nostre entorn afecta sobretot gossos. Aquesta histona també es troba enriquida en el nucleoide, i el gen LA_2458 resulta essencial per a la viabilitat del bacteri.

Hocher et al., doncs, mostren dos exemples de bacteris on histones participen en l’organització de la cromatina. La histona Bd0055 mostra in vitro una interacció amb l’ADN que hom no coneixia entre les histones d’eucariotes i arqueons: la de formar-hi una fibra densa que encapsula la doble hèlix. Hocher et al. aporten indicis en forma de tomogrames de B. bacteriovorus i L. interrogans en els que semblaria que aquestes fibres s’arriben a formar també in vivo. Hipotetitzen que aquesta compactació en fibres de l’ADN ajudaria a la contracció del nucleoide de B. bacteriovorus en la fase prèvia a l’entrada de la cèl·lula depredada o parasitada. Potser la histona de L. interrogans fa un paper semblant en la compactació del nucleoide necessària per al manteniment de la forma filamentosa pròpia d’una espiroqueta. En tot cas tant aquesta com l’altra hipòtesi requeriran estudis addicionals sobre aquests dos bacteris.

En tot cas hem de corregir una idea encara massa arrelada. On dèiem que “en els bacteris no hi ha histones”, ara haurem de dir “en alguns bacteris hi ha histones”.

Electromicrografia on s'observen dues cèl·lules de l'espiroqueta "Leptospira interrogans"

Lligams:

- Histone-organized chromatin in bacteria. Antoine Hocher, Shawn P. Laursen, Paul Radford, Jess Tyson, Carey Lambert, Kathryn M Stevens, Mathieu Picardeau, R. Elizabeth Sockett, Karolin Luger, Tobias Warnecke. https://doi.org/10.1101/2023.01.26.525422

A 90 segons del desastre: el Doomsday Clock del 2023

Ara fa un any comentàvem que el Doomsday Clock que mantenen des del 1947 al Bulletin of the Atomic Scientist, se situava a 100 segons del desastre. En aquest guarisme de 23:58:20 s’hi havia estat ja un parell d’anys. En l’actualització d’enguany es descompten 10 segons i arribem a 23:58:30, en un punt on no s’havia situat mai aquest Rellotge.

Som, doncs, a parer dels responsables del Rellotge del Desastre, en un moment de perill sense precedents. I qui són aquests responsables? Doncs el Consell de Ciència i Seguretat (SASB) del Butlletí de Científic Atòmics, format per un grup selecte de líders reconeguts globalment amb una atenció especial al risc nuclear, el canvi climàtic i les tecnologies disruptives. Com explica l’editor del Butlletí, John Mecklin, són hereus de la publicació fundada el 1945 per Albert Einstein i científic de la Universitat de Chicago que havien participat en el Projecte Manhattan, en el marc del qual es desenvoluparen les primeres armes atòmics. El Rellotge de l’Apocalipsi fou inaugurat dos anys més tard. Cada any el Consell, en el qual seuen, entre d’altres, 10 guardonats amb el Premi Nobel, revisa el rellotge.

En la revisió d’enguany la maneta dels segons ha avançat 10 posicions. El principal motiu, però no l’únic, són els perills que comporta la guerra d’Ucraïna. Al capdavall, fa tot just un any, l’acumulació de tropes russes a la frontera ucraïnesa era considerada una amenaça. Un mes després de l’actualització l’amenaça es feu efectiva amb la invasió russa a gran escala d’Ucraïna. La invasió del 24 de febrer suposà un cop ben dur a les normes de conducta internacional entre els grans estats. De manera més o menys velada, Rússia ha esgrimit el seu arsenal nuclear per desencoratjar la intervenció de les potències occidentals en favor d’Ucraïna. Saltava definitivament pels aires la Declaració de Budapest del 1994 signada per Rússia, Estats Units i Regne Unit. Centrals nuclears com la de Txernòbil o Zaporizhzhia han esdevingut terreny de batalla en moments de la guerra.

La guerra d’Ucraïna ha tingut també altres conseqüències. Països que fins ara depenien de petroli i de gas russos han cercat de diversificar els seus proveïdors, i això ha fet expandir l’investiment en gas natural fent saltar pels aires els compromisos de lluita contra el canvi climàtic.

Micoplasmes modificats com a bioteràpia en infeccions respiratòries

Enginyeria genètica: Fa més de quatre dècades el llavors ministre de Sanitat i Consum d’Espanya, Jesús Sancho Rof, es va referir a la hipòtesi d’un micoplasma com a agent causal de la síndrome tòxica provocada per una partida adulterada d’oli de colza dient que “era un bichito del que conocemos el nombre [Mycoplasma] i el primer apellido [pneumoniae]. Nos falta el segundo. Es tan pequeño que, si se cae de la mesa, se mata”. Aquesta atribució causal de la síndrome tòxica era falsa, però situà al Mycoplasma pneumoniae en l’imaginari de les coses fràgils: un bacteri petit i sense paret cel·lular, enormement auxotròfic i desemparat, però alhora causant de pneumònies atípiques. El Grup de Recerca de Luis Serrano Pubul i Maria Lluch Senar del Centre de Regulació Genòmica de Barcelona ofereixen amb el projecte empresarial Pulmobiotics una mena de redempció del “bichito”. El genoma extremadament reduït dels micoplasmes els fa candidats a l’enginyeria genòmica, i el seu tropisme pulmonar pot ésser reaprofitat en el disseny de bioteràpies. Aquesta setmana la revista Nature Biotechnology publica un article que té a Serrano i a Lluch-Senar com a autors corresponsals, i a Rocco Mazzolini i Irene Rodríguez-Arce com a primers autors en el que presenten una bioteràpia consistent en una versió modificada de Mycoplasma pneumoniae destinada a tractar la pneumònia associada a la ventilació assistida. Aquesta pneumònia presenta una alta mortalitat hospitalària quan s’associa a la formació de biofilms de Pseudomonas aeruginosa. La base de la bioteràpia és una forma atenuada de Mycoplasma pneumoniae el genoma del qual ha estat reduït al xassís. Mazzolini et al. han validat la bioseguretat d’aquest bacteri modificat en ratolins. Sobre aquest xassís han introduït per transposició quatre transgens que confereixen al microplasma activitats bactericides i de degradació de biofilms. En un model de ratolí comproven que aquest micoplasma transgènic té una alta eficàcia contra la infecció aguda de pulmó per P. aeruginosa. El micoplasma transgènic s’ha mostrat eficaç en la dissolució de biofilms formats en tubs endotranqueals de pacients amb pneumònia associada a ventilador. Aquesta bioteràpia es combinaria amb antibiòtics adreçats a la capa de peptidoglicà per augmentar l’eficàcia contra bacteris grampositius i gramnegatius. Com que els micoplasmes no tenen paret bacteriana, aquests antibiòtics no els afecten. El pas que queda endavant és constatar si aquesta bioteràpia és capaç de tractar infeccions respiratòries associades a biofilms bacterians.

Mazzolini et al. han estudiat en un model experimental de ratolins immunocompromesos CD1 infectats amb “Pseudomonas aeruginosa” PAO1 la capacitat de la soca CV2 HA modificada de “Mycoplasma pneumoniae” de reduir l’afectació pulmonar

Infeccions respiratòries associades a biofilms

Mazzolini i Rodríguez Arce, del CRG de Barcelona, dissenyaren i realitzaren experiments, analitzaren dades i redactaren l’article. Laia Fernández-Barat (del Laboratori Cellex de l’IDIBAPS), Carlos Piñero-Lambea (CRG) i Victoria Garrido (CRG) també dissenyaren i realitzaren experiments. Agustín Rebollada-Merino (del Centro de Vigilancia de Salud VISAVET de la Complutense de Madrid) i Anna Motos (IDIBAPS) analitzaren dades. Antoni Torres (IDIBAPS) i Maria Jesús Grilló (del Instituto de Agrobiotecnología de Navarra) donaren suport tècnic i assessorament conceptual. Serrano i Lluch-Senar dissenyaren experiments, analitzades dades, donaré suport tècnic i assessorament conceptual, redactaren l’article i lideraren el projecte. La recerca fou finançada amb fons europeus del projecte MYCOCHASSIS i pel projecte MycoSynVac. L’article fou tramès a Nature Biotechnology el 22 de març del 2021. Després d’un llarg procés de revisió, l’article fou acceptat el 21 d’octubre del 2022, i publicat el 19 de gener del 2023.

Les malalties respiratòries es troben entre les deu causes principals de mortalitat al món. El tractament basat en antibiòtics ha de fer front a l’augment d’incidència de bacteris que són resistents a aquests fàrmacs antimicrobians que no és compensat pel desenvolupament de nous antibiòtics. Hom ha assenyalat també que l’ús d’antibiòtics té un efecte perjudicial per a la microbiota normal de les vies respiratòries i els beneficis que aquesta comporta. La majoria d’infeccions humanes (65-80%) s’associa amb biofilms, és a dir pel·lícules de microorganismes. Són especialment rellevants aquests biofilms en malalties pulmonars cròniques com la fibrosi cística, la malaltia pulmonar obstructiva crònica o la bronquièctasi. També ho són en infeccions agudes com la traqueobronquitis o la pneumònia associades a ventilació artificial.

La formació de biofilms per part dels bacteris constitueix per a ells una estratègia de supervivència contra estrès ambiental. Els biofilms són estructures complexes i dinàmiques consistents en agregats de cèl·lules microbianes immerses en una matriu polimèrica. Tant els components del sistema immunitari com els antibiòtics tenen més difícil arribar a bacteris integrats en biofilms. Augmentar la dosi d’antibiòtic en aquests casos pot comportar danys renals o hepàtics i resultar inútil quan, com passa sovint, les soques bacterianes que els formen són inherentment resistents a aquests antibiòtics.

La ventilació mecànica invasiva en unitats de cures intensives implica la utilització de tubs endotraqueals. Aquests tubs poden ser colonitzats per biofilms. En el cas de pacients de covid-19 que requereixen ventilació mecànica invasiva vora el 50% acaben per patir infeccions agudes associades a aquests biofilms. Entre els microorganismes que formen aquests biofilms resulta especialment preocupant Pseudomonas aeruginosa.

És davant d’aquesta darrera amenaça que Mazzolini et al. han desenvolupat aquesta bioteràpia basada en un bacteri modificat. La base d’aquest bacteri és Mycoplasma pneumoniae, un organisme que es descrigué com a causant de pneumònies atípiques (és a dir aquelles que no són causades per Streptococcus pneumoniae o Klebsiella pneumoniae) i d’altres patologies extrapulmonars. La pneumònia atípica per micoplasma fou una de les complicacions que serviren al diagnòstic inicial de la síndrome d’immunodeficiència adquirida. El genoma de M. pneumoniae és relativament petit, de 816 milers de parells de nucleòtids. És un patogen relativament lleu contra el qual hom disposa d’antibiòtics efectius. És un bacteri molt ben estudiat en el laboratori en tant que és el model més habitual de micoplasma. La xarxa metabòlica i genètica d’aquest microorganisme és relativament senzilla. Com que els micoplasmes no tenen paret bacteriana no desencadenen una resposta inflamatòria forta i són resistents als antibiòtics que ataquen la capa de peptidoglicà de la paret cel·lular. El coneixement molecular ha permès identificar els principals antígens i factors de virulència d’aquesta espècie. La soca M129 de M. pneumoniae té una baixa taxa de recombinació la qual cosa li confereix una estabilitat genètica. Una peculiaritat del codi genètic del micoplasma, en el que el codó UGA respon a triptòfan i no a l’aturada de síntesi proteica, forneix un mecanisme de biocontenció. Hom coneix també els requeriments de creixement, i se’l pot fer créixer a escala industrial en un medi definit, sintètic, sense necessitat d’afegir-hi sèrum.

Mazzolini et al. empren com a xassís una versió modificada i atenuada de M. pneumoniae M129, dissenyada per combatre infeccions pulmonars causades per P. aeruginosa. En aquest treball, d’entrada, caracteritzaren in vivo la seguretat d’ús i supervivència de diferents soques M129 en pulmons de ratolí. A la soca seleccionada l’introduïren dos sistemes genètics optimitzats: 1) un que combina activitats de dispersió de biofilm, amb les hidrolases PelAh i PslGh, i la liasa d’alginat A1-Il’; 2) un altre que confereix activitat antimicrobiana, amb els gens de la piocina L1 i de la piocina S5. L’activitat antibiofilm d’aquest bacteri modificat fou validada en models in vitro, ex vivo i in vivo. Així, el micoplasma modificat podia reduir una infecció aguda de P. aeruginosa en un model de ratolí. També podia dissoldre biofilms formats in vivo en tubs endotraqueals de pacients quan se’l combinava amb antibiòtics.

M. pneumoniae en pulmons de ratolins

Mazzolini et al. estudiaren inicialment la supervivència de la soca salvatge de M. pneumoniae en pulmons de ratolins CD1. Cultius de micoplasma eren inoculats per via intratraqueal o intranasal. La càrrega bacteriana resultant era determinada en fluid de rentat pulmonar i broncoalveolar al cap de dos dies de la inoculació. Així observaren que la càrrega bacteriana era més alta quan la inoculació era intratraqueal. Al cap de quatre dies la càrrega bacteriana s’havia reduït a l’1% respecte del valor màxim dels dos dies de la infecció, i al cap de catorze dies els valors eren quatre ordres de magnitud inferiors al valor màxim.

El pas següent era aconseguir una soca de M. pneumoniae sense gens patogènics. Entre els gens seleccionats per a l’eliminació contemplaren mpn372 (que codifica una toxina), mpn133 (que codifica una lipoproteïna amb activitat nucleasa), mpn453 (que codifica la proteïna adhesina P30) i mpn051 (que codifica l’enzim GlpD). La deleció del gen mpn051 resulta en soques que creixen poc in vitro, ja que sense l’enzim GlpD, el micoplasma no pot aprofitar la fosfatidilcolina com a font de carboni. La soca CV2 té delecions en els gens mpn372 i mpn133: és una soca que es demostra atenuada en un model d’infecció de glàndula mamària. Mazzolini et al. afegiren a la soca CV2 la deleció del gen mpn453. Aquesta soca amb tres gens patogènics delecionats es demostra com menys infectiva que la soca original en la infecció pulmonar de ratolins. Fent equilibris, Mazzolini et al. optaren per la soca CV2, la qual conserva els gens patogènics mpn453 i mpn051.

La soca CV2 produeix una infecció pulmonar en ratolins tan productiva com la soca originària.

Lesions pulmonars i resposta inflamatòria induïda per la soca CV2

Mazzolini et al. han seguit en ratolins infectats les lesions pulmonars (avaluades histopatològicament) i la resposta inflamatòria (mesurada com a perfil de citocines). A 2 dies d’infecció la soca CV2 genera lesions més lleus que la soca originària WT, amb menys signes d’inflamació peribronquiolar i perivascular, i menys inflamació intersticial. A 14 dies les lesions ja resulten inexistents.

El perfil de citocines era avaluat per una tècnica de RT-qPCR, és a dir de l’expressió dels gens corresponents. La soca CV2 no produïa una sobreexpressió d’aquests gens, ni tan sols en el pic de la infecció.

La introducció de gens per dissoldre biofilms de P. aeruginosa

Sobre la soca CV2, Mazzolini et al. han introduït un casset genètic que expressa tres enzims que ataques polisacàrids de biofilms de P. aeruginosa: PelAh, PslGh i A1-Il’. Aquests tres gens es troben fusionats en aquest casset a un pèptid de secreció. En cultius la CV2_HA resultant secreta aquests tres enzims. Els sobrenedants dels cultius presenten activitat antibiofilm, evidenciada tant quan es tenyeixen els biofilms amb cristall violeta com si s’utilitza blau alcià. La soca CV2_HA és capaç de promoure la dispersió de biofilms formats per les soques SAT290 i PAO1 de P. aeruginosa.

L’addició d’activitat antimicrobiana a CV2_HA

Mazzolini et al. introdueixen també dos gens d’activitat antimicrobiana. En primer lloc introdueixen el gen de la bacteriocina piocina L1. Això li confereix la capacitat d’inhibir el creixement de la soca PAO1, encara que no de la soca Boston 41501.

En segon lloc li afegeixen el gen de la piocina S5. D’aquesta manera ja s’adquireix la capacitat d’inhibir el creixement de la soca Boston.

La soca CV2_HA_P1 en tubs endotraqueals de pacients amb pneumònia associada amb ventilació.

El material experimental eren seccions de tubs endotraqueals que s’havien fet servir en pacients amb pneumònia associada a ventilació mecànica invasiva. Mazzolini et al. comprovaren que CV2_HA_P1 té una activitat d’ampli espectre contra els biofilms formats per soques clíniques multiresistents de P. aeruginosa.

L’eficàcia de CV2_HA_P1 en un model murí d’infecció pulmonar

El model murí consistia en una infecció pulmonar aguda de la soca PAO1 en ratolins immunosuprimits amb l’administració prèvia de ciclofosfamida. La coinfecció amb CV2_HA_P1 resultava efectiva en la reducció de la càrrega de PAO1 en els pulmons dels ratolins, que es traduïa en una major supervivència.

En una altra sèrie d’experiments els ratolins prèviament la càrrega de CV2_HA_P1. La infecció de la soca PAO1 en aquests casos resultava atenuada.

La potencialitat de CV2_HA_P1 en el tractament d’infeccions respiratòries humanes associades ventilacions mecàniques invasives

L’experiment en tubs endotraqueals procedents de pacients indica la capacitat de CV2_HA_P1 per dissoldre biofilms. Els millors resultats s’aconseguien quan la bioteràpia es combinava amb antibiòtics estàndards. En certa manera, la soca CV2_HA_P1 era capaç de retornar l’efectivitat d’aquests antibiòtics front els biofilms de P. aeruginosa.

En l’horitzó de Pulmobiotics el xassís CV2 pot trobar aplicacions en diferents malalties pulmonars, tant infeccioses com no-infeccioses. Aquest xassís produeix una infecció aguda limitada en el temps, i es pot aprofitar per a la introducció de principis actius. Bastaria, en principi, amb introduir els gens corresponents en el xassís CV2, i els micoplasmes durien al pulmó bacteriocines, citostàtics o qualsevol altra mena d’agent terapèutic.

Lligams:

- Engineered live bacteria suppress Pseudomonas aeruginosa infection in mouse lung and dissolve endotracheal-tube biofilms. Rocco Mazzolini, Irene Rodríguez-Arce, Laia Fernández-Barat, Carlos Piñero-Lambea, Victoria Garrido, Agustín Rebollada-Merino, Anna Motos, Antoni Torres, Maria Jesús Grilló, Luis Serrano, Maria Lluch-Senar. Nature Biotechnology (2023).

La hipòtesi Trivers-Willard cinquanta anys després

Biologia evolutiva: El 5 de gener del 1973 la revista Science publicava un article de Robert L. Trivers i Dan E. Willard en el que formulaven una hipòtesi sobre la selecció natural de la capacitat parental de variar la ratio sexual de la descendència. L’endemà del cinquantè aniversari, la revista Journal of Biosocial Science publica un article en el que Janne Salminen i Hannu Lehti apliquen la hipòtesi Trivers-Willard a la relació entre l’origen parental i els resultats educatius de fills i de filles. Segons la hipòtesi Trivers-Willard el suport i investiment parentals per a fills i per a filles té una relació asimètrics segons l’estatus parental degut la diferència entre l’avantatge reproductiu dels sexes. Així doncs, els pares d’alt estatus donarien més suport als fills que a les filles, mentre que els pares de baix estatus donarien contràriament més suport a les filles que als fills. Salminen i Lehti consideren que en les societats modernes l’educació és el mediador més important d’estatus, de forma que segons la hipòtesi TW els fills de bona família aconseguirien resultats educatius superiors als de les seves germanes; i les filles de famílies modestes resultats millors als dels seus germans. Salminen & Lehti mpren dades registrals de tota la població de Finlàndia corresponents a 600.000 individus nascuts entre el 1987 i el 1997. Els resultats educatius d’aquests individus, que ara ja tenen entre 25 i 35 anys, són mesurats d’acord amb la taxa d’abandonament escolar, la puntuació acadèmica assolida i el nivell de participació en l’educació secundària general durant l’adolescència. En aquestes cohorts Salminen & Lehti troben que els fills de famílies de renda alta i amb pares amb alta educació, comparats amb les seves germanes, tenen una menor probabilitat d’abandonar els estudis i una probabilitat més alta d’entrar en l’escola secundària. En les famílies de renda baixa o amb pares amb pocs estudis la situació és inversa: són les filles les que tenen una menor probabilitat d’abandonament escolar que els seus germans, i una major probabilitat d’entrar en l’educació secundària. La hipòtesi TW no es verifica, en canvi, en la puntuació acadèmica obtinguda.

Els gràfics de la primera fila mostren la interacció entre l’educació dels pares i el sexe de l’infant en els resultats educatius. Els de la segona fila mostren la interacció entre la renda familiar i el sexe de l’infant en aquests mateixos resultats.

Els finlandesos nascuts entre el 1987 i 1997

Janne Salminen és professor de Dret de la Universitat de Turku. Hannu Lehti és sociòleg i investigador d’aquest mateix centre. Són interessats en la relació existent entre la renda parental, el nivell educatiu dels pares i el rendiment acadèmic dels infants, així com això s’expressa de manera diferent entre nois i noies. Els estudis indiquen una associació entre el nivell educatiu i econòmic dels pares i els resultats acadèmics dels fills, però també indiquen que els resultats acadèmics de les noies són superiors als dels nois. La interacció entre aquests dos factors (situació familiar i sexe) indicaria que els resultats acadèmics dels nois són més sensibles al nivell socioeconòmic dels pares que no pas els de noies. Salminen & Lehti creuen que aquesta darrera asimetria podria explicar-se a través del mecanisme biosocial postulat per la hipòtesi de Trivers-Willard.

Així doncs, si bé els pares investeixen en l’educació de fills i filles per donar-los una bona qualitat de vida en el futur, ho farien de manera asimètrica segons els sexe. D’una banda, els pares d’alt estatus tendirien a investir més en els fills que en les filles, mentre que els pares de baix estatus investirien més en les filles que en els fills. Això derivaria del fet que, en famílies de classe alta, els homes tenen una probabilitat superior a les dones a deixar més descendència. En canvi, en famílies de classe baixa, és just a l’inrevés: és més probable que els dones tinguin descendència que no pas els seus germans.

Salminen & Lehti consideren que la Finlàndia actual és un bon escenari per comprovar la validesa aquesta hipòtesi, ja que societat finlandesa és relativament igualitària tan en termes de gènere com de classe social. Utilitzen la comparació entre els germans i les germanes d’una mateixa família com a mètode principal. Com a resultats educatius han seleccionat la taxa d’abandonament escolar, la puntuació acadèmica i la matriculació en estudis secundaris. La població estudiada es tota la nascuda a Finlàndia entre el 1987 i el 1997, és a dir més de 600.000 persones.

La hipòtesi Trivers-Willard

En la nostra societat l’educació és una de les formes més pregones del capital cultural. Un bon nivell educatiu constitueix un component essencial del capital humà i, per al posseïdor, és un element que li facilitarà l’accés a un estatus socioeconòmic més alt, que es manifestarà essencialment en una major renda. D’aquesta manera es reprodueix en el si de les famílies l’estatus tant a través de la capacitat dels pares d’investir en el capital humà dels seus fills com en l’herència rebuda a nivell genètic, ambiental, cultural i financer. Els pares troben una utilitat doble en aquest investiment: els fills seran un suport en la seva vellesa i l’èxit dels fills maximitza les oportunitats de la família entesa des del vessant genètic i cultural. En l’investiment en l’educació dels fills també entren en consideració les característiques personals de cadascun d’ells.

La influència parental sobre l’èxit acadèmic dels fills es realitza a través de múltiples recursos socials i financers. Els recursos econòmics, el nivell educatiu dels pares i el capital social serien especialment important en aquesta transmissió intergeneracional. El capital humà de cada infant seria creat, doncs, pel capital social familiar en el moment que els pares dediquen recursos familiars a la seva educació. Primerament les expectatives parentals influeixen en les obligacions infantils. En segon lloc, els pares forneixen informació als fills que els guia en els processos de presa de decisió. En tercer terme, els pares transmeten les normes socials que regulen les accions individuals dels infants. Aquest capital social redueix la taxa d’abandonament escolar, estimula la matriculació en l’ensenyament secundari i superior i contribueix a la probabilitat d’aconseguir bones notes. El temps que passen els pares amb els infants en activitats com la lectura, el joc o la conversa, s’associa positivament al desenvolupament cognitiu dels fills i a les seves puntuacions acadèmiques. Un major nivell educatiu dels pares i una major renda familiar s’associen a un major temps dedicat als fills. Una major renda familiar fa més fàcil destinar recursos al benestar dels infants i a materials educatius (llibres, computadores, reforç escolar, activitats extraescolars). Que els pares hagin passat per la universitat els atorga una visió més completa del sistema educatiu i que valorin més el que significa una bona educació.

D’acord amb la hipòtesi Trivers-Willard, en una societat estratificada els pares d’estatus elevat tendeixen a investir en la descendència masculina, mentre que els pares d’estatus baix ho fan més en la descendència femenina. Aquesta estratègia maximitza l’èxit reproductiu en tant que la variança de descendència és superior entre els homes que entre les dones. En els estrats socials elevats, els homes tendeixen a deixar més descendència que les seves germanes. En els estrats socials inferiors, són les dones les que tendeixen a deixar més descendència que els seus germans.

La hipòtesi TW fou formulada més aviat pensant en animals no-humans. Podria funcionar-hi d’una banda a través d’un investiment parental de caràcter fisiològic o biològic, que influís en la proporció sexual de la descendència. Complementàriament, podria consistir en un biaix comportamentual o psicològic envers la descendència de sexe oposat.

Hom pensaria que la hipòtesi TW només funcionari en societats humanes gentilícies, però el cas és que algunes prediccions s’han evidenciat en la nació capitalista més desenvolupada de totes, els Estats Units. Així als Estats Units hom ha comprovat que els fills mascles de pares d’alt estatuts assoleixen més anys d’educació i graus més elevats que les filles d’aquests pares; en canvi entre els pares de baix estatus són les filles les que superen els fills en aquests aspectes. Els fills d casa bona als Estats Units, en comparació amb les seves germanes, són més fàcilment enviats a escoles privades, necessiten recórrer menys a feines quan són a l’ensenyament secundari i no necessiten estalviar tant per anar a la universitat. Justament al contrari passa amb les famílies de baix estatus, les quals tendeixen a enviar a escoles privades més a les filles que als fills, i són elles les que necessiten menys recórrer a feines pròpies per finançar-se els estudis. En les famílies de baix estatus, les noies superen amb escreix els nois en rendiment acadèmic. En les famílies d’alt estatus la diferència es redueix, per bé que encara les noies superen els nois. Això explicaria el fet que els nois treguin més profit dels avantatges familiars en termes de renda futura, i que els pares d’alt estatus investeixen més diners en l’educació dels fills que en la de les filles.

Salminen & Lehti presenten tres hipòtesis:
- 1) una renda familiar i una educació parental superiors augmenten l’assoliment educatiu dels fills més que no pas el de les filles. Així, aquests recursos sòcio-econòmics parentals disminueixen les diferències entre l’assoliment educatiu de les filles i el dels fills.
- 2) l’efecte d’interacció entre el sexe de l’infant i la renda familiar és més fort que l’educació parental.
- 3) l’efecte d’interacció entre el sexe de l’infant i els recursos parentals és més fort en la matriculació secundària general seguit de l’abandonament escolar, i ja més feble en la puntuació acadèmica.

Les dades registrals de Finlàndia

Salminen & Lehti han accedit a les dades del registre total de població de Finlàndia. En el moment que accediren hi havia dades de tots els individus que han residit a Finlàndia en algun any entre el 1987 i el 2018. Aquestes dades procedeixen dels registres fiscals, educatius i censals, totes elles administrades per Tilastokeskus. Com que la base de dades abasta tota la població es pot vincular la informació de cada persona a la dels seus pares biològics.

Com a mostra analítica, Salminen & Lehti han seleccionat 658.635 infants nascuts entre el 1987 i el 1997. D’aquesta mostra el 5,2% no presenta dades pel que fa a l’educació o la renda dels pares, de manera que amb aquesta exclusió es redueix a 624.658 casos. Els exclosos serien majoritàriament immigrants i, en menor mesura, fills d’emigrants.

A Finlàndia l’escola primària comença l’any en el que l’alumne fa set anys, i conclou en l’any que en fa setze. Només és obligatòria l’escola primària. Els alumnes que en surten poden sol·licitar cursar una educació secundària, ja sigui general o professional. L’educació secundària general té una orientació acadèmica amb la finalitat de preparar l’alumne per a estudis post-secundaris. L’educació secundària professional prepara l’alumne per a feines pràctiques, com ara la construcció o l’infermeria pràctica. Actualment, el 50% dels alumnes que acaben la primària sol·liciten cursar la secundària general. La majoria dels que acaben la secundària general continuen els estudis bé en universitats (on cursaran al nivell de màster) o en centres politècnics (on cursaran al nivell de grau).

La taxa d’abandonament escolar es computa a través del fet que un individu no s’hagi graduat en l’educació secundària abans de l’edat de 23. Actualment, el 16% dels residents a Finlàndia arriben a 23 anys sense cap titulació secundària.

Al final de l’educació primària, quan els alumnes tenen 15 anys, reben una puntuació que va de 4 a 10. Els valors de la cohort estudiada són de 7,54 ± 1,23. Aquesta puntuació és crucial per al futur de l’alumne ja que és la que decideix la selecció cap a l’educació secundària. No és estrany doncs que alguns alumnes amb baixes notes optin per fer un curs addicional, una espècie de “desè de primària” amb la finalitat de millorar-les. Per això, la taxa de matriculació en l’ensenyament secundari es mesura a 17 anys d’edat. Vora el 52% dels alumnes finlandesos d’aquesta edat ja han ingressat en l’ensenyament secundari general. L’estratificació educativa a Finlàndia gira principalment a l’entorn d’aquesta selecció, distingint entre els alumnes que arriben a la secundària general i els qui passen a la formació professional.

Salminen & Lehti estimen l’educació parental a través del nivell educatiu més elevat assolir per la mare o el pare. En el cas de fills de famílies monoparentals es considera el nivell educatiu de l’únic progenitor. L’educació parental es mesura en anys d’educació, i pot anar de 7 (educació obligatòria) a 17 (màster o superior). En la cohort estudiada l’educació parental és de 12,8 ± 2,6 anys.

La renda familiar es calcula amb l’addició de la renda imposable total del pare i de la mare prèviament als impostos i transferències tenint en compte els anys en el que l’individu tenia entre 0 i 15 anys. Hom corregí l’efecte de la inflació sobre el valor de l’euro en el 2018. En la cohort estudiada la renda familiar anual és de 60.562 ± 51.355.

Salminen & Lehti ajusten les dades a tot un seguit de variables: 1) el mes de naixement de l’individu; 2) l’any de naixement de l’individu; 3) l’ordre de naixement de l’individu entre els germans (és a dir, la paritat); 4) si hi manca la puntuació acadèmica de final de primària; 5) si els pares s’han separat; 6) els anys als quals l’individu ha estat exposat a diferents tipus familiars (família intacta o no-intacta); 7) l’edat de la mare en el naixement (distingint si tenia més o menys de 35 anys); 8) la manca de l’edat de mare en les dades. Aquestes variables poden afectar l’assoliment acadèmic. Per exemple, és sabut que l’edat materna té un efecte positiu en l’assoliment acadèmic de l’infant (particularment en mares de 35 a 40 anys en el moment del part).

El mètode principal és un model de regressió d’efecte fixe entre germans.

La comparació entre germans i germanes

La interacció entre l’educació parental i el sexe de l’infant és estatísticament significativa entre les tres variables analitzades (abandonament escolar, puntuació al final de la primària i matriculació en la secundària). Quan l’educació parental augmenta en una desviació estàndard, l’abandonament escolar dels nois disminueix 0,6 punts percentuals més que l’abandonament escolar de les noies; la puntuació acadèmica dels nois augmenta 0,01 punts en relació a les noies; i la probabilitat de matricular-se en la secundària general augmenta en 2 punts percentuals en els nois en relació a les noies.

En les anàlisis de regressió, l’efecte de la interacció entre renda familiar i sexe de l’infant és significatiu pel que fa a l’abandonament escolar i la matriculació en la secundària general però no pas en la puntuació al final de la primària. Quan la renda familiar augmenta una desviació estàndard, l’abandonament escolar dels nois disminueix 1,2 punts percentuals més que el de les noies; i la probabilitat de matriculació en la secundària general dels nois augmenta 2 punts percentuals en relació a les noies.

Aquests resultats es mantenen quan les comparacions es restringeixen a parelles de germà-germana que no tinguin una diferència d’edat superior a dos anys. En aquests casos, però, els efectes d’interacció es mantenen per a les variables d’assoliment educatiu (abandonament escolar i matriculació a la secundària general) però ja no a la variable de rendiment acadèmic (puntuació a final de la primària). Salminen & Lehti pensen que això es deuria al fet que la puntuació a final de primària reflectiria capacitats cognitives heretades en les que els pares no poden influir activament.

Comptat i debatut, els resultats obtinguts a Finlàndia no difereixen gaire dels observats als Estats Units. Malgrat que Finlàndia sigui una societat més igualitària, també en aquest país els nois semblen més sensibles que les noies als recursos familiars pel que fa als resultats educatius. Quant als resultats educatius, la renda familiar influeix més sobre el grau de matriculació a la secundària general que a altres aspectes (puntuació al final de la primària i abandonament dels estudis secundaris) cosa que indicaria un rol actius dels pares en l’orientació dels alumnes de 16 anys. Aquesta orientació seria diferent segons el sexe del alumne i segons la situació familiar. En les famílies de renda alta i de nivell educatiu alt es fa un esforç diferencial en favor dels fills de sexe masculí.

És important remarcar alguns aspectes del sistema educatiu finlandès. Per a la cohort estudiada tots els nivells educatius han estat gratuïts. El finançament de les escoles i universitats finlandeses es fonamenta en l’aportació governamental. A Finlàndia no hi ha escola privada a cap nivell educatiu. El sistema escolar finlandès és de baixa variança i en bona mesura el rendiment educatiu depèn de la dotació genètica de cada alumne. Segons el Global Gender Gap Report del 2021, la societat finlandesa és la segona societat més igualitària en termes de gènere. A Finlàndia les dones, de mitjana, tenen un nivell educatiu superior als homes, cosa que s’atribueix al fet que entre els homes hi ha una major incidència de trastorns de l’aprenentatge. Aquest desavantatge general dels nois es reduiria, doncs, en les famílies finlandeses de més bon estatus.

Salminen & Lehti consideren que caldria combinar les dades registrals amb l’anàlisi del comportament parental a través d’enquestes.

Lligams:

- Parental background and daughters’ and sons’ educational outcomes – application of the Trivers-Willard hypothesis. Janne Salminen, Hannu Lehti. Journal of Biosocial Science (2023).

- Natural Selection of Parental Ability to Vary the Sex Ratio of Offspring. Robert L. Trivers, Dan E. Willard. Science (1973).

És la ciència d’ara menys disruptiva que la d’abans?

Bibliometria: Des de fa tres o quatre dècades és fàcil sentir en aspirants a científics el plany de no haver nascut en una època anterior més propícia a pioners. Així, per exemple, en la biologia molecular hom enveja els qui en les dècades centrals del segle XX posaren les bases d’aquesta disciplina. Potser una mica d’aquest sentiment el trobem ja en la famosa expressió d’Isaac Newton segons la qual els homes de la seva generació podien veure lluny perquè eren damunt dels muscles de gegants. És clar que els de generacions posteriors consideren Newton un gegant en ell mateix. I, al capdavall, aquesta expressió contempla els avenços científics i tecnològics com un procés endogen d’acumulació. Michael Park, Erin Heaney i Russell J. Funk presenten en un article a la revista Nature una manera quantitativa de descriure el caràcter disrupció de les publicacions i patents científiques. Això podria ajudar a resoldre el dilema següent: en les darreres dècades s’ha mantingut un creixement exponencial en el volum de publicacions i patents científiques i tecnològiques, però al mateix temps hi ha la percepció d’un alentiment del progrés en moltes àrees de recerca. Park et al. han aplicat el seu índex CD a 45 milions de publicacions científiques i a 3,9 milions de patents de les darreres sis dècades. Aquest índex CD caracteritza les xarxes de citacions entre aquests documents. Troben una tendència en aquest període a la baixa pel que fa al grau de disruptivitat de les publicacions, és a dir de la capacitat de trencar amb el passat i obrir noves direccions. Aquesta tendència és comuna a diferents àrees d’estudi. Aquest declivi, paradoxalment, es vincularia a una forma més restringida d’emprar el coneixement previ. No seria tant un producte d’una caiguda en la qualitat de les publicacions científiques o en la pràctica de citar publicacions anteriors, sinó deriva fonamental de les pròpies ciències i tecnologies.

La tendència a la baixa del caràcter disrupció de ciència i tecnologia publicades s’arrossegaria des de fa un segle, amb una interrupció remarcable entre els anys 1960 i 1980, i es manifestaria fins i tot si l’anàlisi es redueix a les revistes científiques de major impacte.

La disrupció en l’avenç científic i tecnològic

Michael J. Park i Russell J. Funk treballen a la Carlson School of Management de la University of Minnesota, a Minneapolis. Erin Leahy és professora de sociologia a la University of Arizona, amb seu a Tucson. Funk i Leahy contribuïren cooperativament a la concepció i disseny d’aquest estudi. Funk i Park contribuïren a l’adquisició, anàlisi i interpretació de les dades. Funk creà el programari emprat en l’estudi. La recerca tingué el suport de la National Science Foundation. Tots tres autors redactaren l’article, que fou tramès a Nature el 14 de febrer del 2022. Després d’un procés de revisió en el que participaren Diana Hicks i altres, l’article fou acceptat el 8 de novembre, i publicat el 4 de gener del 2023.

Si hom ha remarcat que el segle XX fou una època d’expansió del coneixement científic i tecnològic sense precedents en la història, també s’ha assenyalat que en el segle XXI sembla haver-se perdut aquesta pistonada, i que l’activitat innovadora es desaccelera. En alguns àmbits això ja ha generat preocupació social, com és el cas dels semiconductors o dels fàrmacs. La recerca publicada o que aspira a ésser-ho sembla menys innovadora i més tancada en àmbits d’estudi. Hom ha assenyalat, per exemple, que l’interval entre la concessió del Premi Nobel i l’any de la descoberta ha crescut perquè la ciència que es fa ara és menys meritòria.

Seria temptador atribuir aquesta tendència al fet que de l’arbre de la ciència ja s’han recollit el fruit de les branques més baixes, i que les de més amunt són més difícils de collir. Una altra possibilitat és que, en augmentar la càrrega de coneixements, científics i innovadors necessiten més temps per especialitzar-se en les disciplines respectives de manera que una porció superior de la carrera científica es destina a la formació en detriment de la innovació estricta.

Park et al. han analitzat 25 milions de publicacions científiques del període 1945-2010 accessibles al Web of Science (WoS) i 3,9 milions de patents del període 1976-2010 de la base de dades de la United States Patent and Trademark Office’s (USPTO). Les dades WoS inclouen un total de 390 milions de citacions entre els 25 milions dels títols analitzats, dels quals 13 milions consten de resum o abstract. Les dades de USPTO consten de 35 milions de citacions entre els 3,9 de títols (tots ells amb l’abstract corresponent). Park et al. han replicat les dades en 20 milions de publicacions consultables a JSTOR, al corpus de la American Physical Society, el Microsoft Academic Graph i a PubMed.

L’índex CDs de disruptivitat

Les dades de WoS arrenquen en el 1900, però Park et al. s’han estimat més restringir l’anàlisi al període 1945-2010. És després de la Segona Guerra Mundial l’organització social de la ciència adquireix els seus trets moderns. Alhora no poden avançar més enllà del 2010 ja que les publicacions de la dècada passada encara no han tingut temps suficient per ésser adequadament citades. Entre el 1900 i el 2017, l’arxiu WoS consta de 65 milions de documents publicats en 28.968 revistes, i 735 milions de citacions entre ells. D’aquests 65 milions de documents, 29 milions disposen de resum. El resum o abstract apareix en les bases de dades de WoS a partir del 1913 i progressivament s’ha generalitzat. En reduir la finestra temporal al període 1945-2010 i eliminar-hi les revisions de llibres i comentaris, Park et al. se centren en una mostra analítica de 24.659.076 publicacions.

Pel que fa a les patents, Park et al. seleccionen el període 1976-2010, ja que no s’han digitalitzat els textos anteriors al 1976. En el període 1976-2017 hi ha 6,5 milions de patents concedides, amb 92 milions de citacions entre elles, i totes dotades d’abstract. El 91% són patents d’utilitat. En seleccionar només les patents d’utilitat i el període 1976-2010, Park et al. seleccionen com a mostra analítica un total de 3.912.353 patents.

Park et al. utilitzen un índex CD de disruptivitat. Observen una tendència a la baixa en la mostra analitzada. Per veure si això es manté en tots els àmbits de la ciència utilitzen com a unitat d’observació en les regressions l’autor x any. Aquestes unitats són agregades en les 150 àrees de matèria de WoS i en les 138 subcategories NBER de patents.

L’índex CD₅ és recalculat també per a quatre bases de dades addicionals: JSTOR (1.703.353 publicacions del 1930 al 2010), el corpus APS (478.373 publicacions del 1930 al 2010), el Microsoft Academic Graph (1 milió de publicacions seleccionades aleatòriament) i PubMed (16.774.282 publicacions del 1930 al 2010).

Park et al. consideren també alternatives a l’índex CD com ara DI. L’índex CD quantifica el grau amb el qual una publicació cita una publicació focal juntament amb les predecessores d’aquesta darrera. La disrupció consisteix en el fet que la publicació focal sigui citada de forma independent a les seves predecessores.

La mesura de la disrupció

Park et al. difereixen entre dos tipus d’aportacions. El primer tipus es correspon a contribucions que milloren el coneixement consistent i que consoliden l’status quo. El segon tipus es correspon a contribucions que somouen el coneixement existent, fent-lo obsolet i impulsant la ciència i la tecnologia en noves direccions. Aquest segon tipus de contribució serà citat per publicacions ulteriors sovint de manera desconnectada a les contribucions que ella mateixa citava. En el primer tipus de contribució no hi hauria el mateix grau de desconnexió. L’índex CD va de -1 (aportacions consolidadores) a +1 (aportacions disruptives). L’índex CD₅ aplica aquest criteri als primers cinc anys posteriors a la publicació analitzada.

Per a les publicacions de ciències socials analitzades, l’índex CD₅ passà d’una mitjana de 0,52 el 1945 a 0,04 en el 2010, una caiguda del 91,9%. En el cas de les publicacions de ciències físiques la caiguda és del 100%: del 0,36 del 1945 al 0,00 del 2010. En les patents en informació i comunicacions la caiguda entre el 1980 i el 2010 és del 78,7% (del 0,30 al 0,06). En les patents farmacèutiques i mèdiques la caiguda entre el 1980 i el 2010 és del 91,5% (del 0,38 al 0,03). Val a dir que la taxa de declivi no és uniforme, i que hi ha indicis d’estabilització entre el 2000 i el 2005. Si ens fixem en l’evolució entre el 1980 i el 2010, la caiguda en disruptivitat és molt marcada en ciències socials i en tecnologia, mentre que és més modesta en ciències de la vida i biomedicina i en ciències físiques.

La caiguda en disruptivitat és, de tota forma, força general, cosa que s’adiu poc amb la idea que es deu al fet que en el passat era més fàcil trobar “coses noves”.

L’impacte en el llenguatge científic i tecnològic

La caiguda en la disruptivitat de les noves publicacions es podria manifestar també en l’evolució del llenguatge científic i tecnològic com una reducció en la taxa d’introducció de neologismes. Park et al. constaten que així ha estat. En els títols de les publicacions de ciències socials la introducció de neologismes cau un 76,5% entre el 1945 i el 2010. La caiguda és encara superior en les publicacions tecnològiques (88%). En els títols de patents la caiguda entre el 1980 i el 2010 és del 32,5% per a patents químiques i del 81% per a patents informàtiques i de comunicacions. La caiguda en el ritme d’introducció de neologismes s’acompanya en una reducció en les innovacions fraseològiques. Park et al. constaten com verbs associats a creació (‘produce’, ‘form’, ‘prepare’ i ‘make’), descoberta (‘determine’ i ‘report’) i percepció (‘measure’) cedeixen pas a verbs associats a millora (‘improve’, ‘enhance’ i ‘increase’), aplicació (‘use’ i ‘include’) o valoració (‘associate’, ‘mediate’ i ‘relate’).

El nombre absolut de treballs altament disruptius

Si bé és cert que hi ha una caiguda en el nivell mitjà de disruptivitat de la ciència i tecnologia publicades, Park et al. troben una constància en el nombre absolut de treballs altament disruptius. És clar que això ho podem veure d’una altra manera: per generar els mateixos treballs disruptius que en dècades anteriors ara cal fer un esforç de recerca molt superior al de llavors.

Les causes de la caiguda en la disruptivitat

Park et al. troben que la caiguda en la disruptivitat és quelcom generalitzat a totes les àrees de recerca. Atribuir-ho a una caiguda en la qualitat de la ciència i tecnologia publicades no sembla creïble, si atenem que la caiguda en disruptivitat es manté fins i tot seleccionant únicament les revistes de major impacte (Nature, PNAS o Science).

Tampoc sembla que es pugui atribuir a un canvi en les pràctiques de publicació o citació, ja que la tendència es manté quan es fa un ajustament pel nombre de citacions de cada article.

Park et al. troben una associació positiva entre el creixement del coneixement (mesurat com l’estoc de publicacions i patents) i l’índex CD₅ de publicacions. Això concorda amb la idea dels “muscles de gegants”, segons la qual el coneixement previ ajuda a fer contribucions disruptives. En canvi l’associació pel que fa a les patents és negativa, com si les invencions del passat inhibissin innovacions disruptives. Park et al. troben que hi ha una tendència entre científic i inventors a citar una menor diversitat de treball, cosa que atribueixen a una tendència cap a l’especialització. El patró de citacions es concentra a citar les obres prèvies més conegudes, i a recolzar més en l’autocitació. La distància temporal entre una publicació i les publicacions que cita augmenta. Tot plegat assenyala que els investigadors recorren a un coneixement més estret, més familiar i menys actualitzat.

L’especialització científica facilita adquirir un bon nivell de publicacions d’impacte a través d’unes línies de recerca limitades però productives. Això si bé beneficia les carreres individuals dificulta les aproximacions multidisciplinars necessàries per a aportacions més disruptives. Tot i amb tot, Park et al. assenyalen que el nombre absolut d’aportacions disruptives no ha disminuït.

Park et al. consideren que la promoció de ciència i tecnologia disruptives passa per estimular entre els acadèmics hàbits de lectura àmplia i dotar-los de temps suficient per familiaritzar-se amb els nous coneixements científics (vet ací la rellevància dels anys sabàtics). Cal canviar el focus de la quantitat a la qualitat, i desintoxicar-se de la cultura del “publica o pereix”. Caldria que les agències de finançament apostessin més pel suport a llarg termini de carreres científiques individuals i no tant a projectes específics.

Lligams:

- Papers and patents are becoming less disruptive over time. Michael Park, Erin Leahey, Russell J. Funk. Nature 613: 138-144 (2023).