Canvi en l’acidesa dels oceans

Tots hem sentit a parlar de que l’emissió de gasos d’efecte hivernacle, com el diòxid de carboni (CO2), estan provocant l’escalfament del nostre planeta. A les notícies, sentim que s’estan fonent els casquets polars, que els climes estan canviant i que moltes espècies estan desapareixent; però hi ha una altra conseqüència que no es coneix tant, l’absorció de CO2 per part dels oceans.

Una quarta part del CO2 atmosfèric és absorbit pels oceans. Durant molts anys, s’ha pensat que aquest fenomen té un efecte beneficiós ja que, per una banda es disminueixen els nivells d’un dels gasos responsables de l’efecte hivernacle, i per l’altra, aquest CO2 pot ser utilitzat per les algues fotosintètiques i plantes marines.

Tot i així, després de dècades d’observació, s’ha vist que això és una arma de doble tall, ja que s’està canviant la química de l’aigua; s’està donant l’acidificació dels oceans. El CO2 dissolt reacciona amb l’aigua i el carbonat (CO32-) per donar lloc a bicarbonat (HCO3). Per tant, si augmenten els nivells atmosfèrics d’aquest gas, els nivells de carbonat disponibles a l’aigua es veuen disminuïts i l’acidesa de l’aigua augmenta.

CO2 + H2O + CO32- ↔ 2HCO3 ↔ 2CO32- + 2H+

El carbonat és un compost necessari per molts organismes marins ja que constitueix els seus esquelets i closques, pel que l’augment de la concentració de CO2 posa en perill la seva supervivència. Si aquests organismes desapareixen, està en perill tota la cadena tròfica. A més, l’acidificació de l’aigua afecta també la supervivència d’organismes sensibles a aquests canvis, com poden ser les pròpies algues.

Figura 1. Acidificació dels oceans. Font: National Oceanic and Atmospheric Administration.

Lluny de ser un tema anecdòtic, des de la revolució industrial, el pH de la superfície oceànica ha baixat 0.1 unitats, és a dir, l’acidesa ha augmentat un 30%. I encara es preveu que aquest fenomen s’accentuï més, donat que l’absorció del CO2 per part dels oceans està augmentant en 2 bilions de tones l’any.

Això posa de manifest, una vegada més, que s’han de prendre mesures per disminuir l’emissió d’aquest gas i és la nostra responsabilitat fer que aquest problema tingui una major visibilitat.

    Figura 2. Incendis petroliers, Kuwait. Font: NASA

Aquest és precisament l’objectiu del CCCB (Centre de Cultura Contemporània de Barcelona) per aquest 2017. El canvi climàtic serà un dels temes centrals de la programació d’aquesta entitat i pretenen transmetre aquesta preocupació a la societat a través de l’art.

Tot i que pot semblar que ciència i art tenen molt poc a veure, l’art és una eina implacable per fer arribar a les persones un sentiment, que en aquest cas és de preocupació i ganes de lluitar per un futur millor. Així que us animem a que seguiu les activitats que té previstes el CCCB, entre les quals trobem una gran exposició anomenada Després de la fi del món que serà inaugurada el dia 25 d’octubre.

 

Jessica Angulo Capel, estudiant de bioquímica i col·laboradora de WhatIf.

 

Bibliografia:

1.PMEL Carbon Group. “What is Ocean Acidification?” National Oceanic and Atmospheric Administration: http://www.pmel.noaa.gov/co2/story/What+is+Ocean+Acidification%3F
2. PMEL Carbon Group. “Ocean Acidification: The Other Carbon Dioxide Problem.” National Oceanic and Atmospheric Administration: http://www.pmel.noaa.gov/co2/story/Ocean+Acidification
3. Programació CCCB: http://www.cccb.org/ca/multimedia/llistes-reproduccio/canvi-climatic/222424
4. Informació exposició “Després de la fi del món”: http://www.cccb.org/ca/exposicions/fitxa/despres-de-la-fi-del-mon/224747

Advertisements

MWC 2016: realitat virtual, internet de les coses i 5G

El dilluns 22 de febrer, va començar el Mobile World Congress (MWC) a Barcelona. Diumenge, però, alguns dels gegants de la tecnologia ja havien començat a presentar les seves novetats. LG va presentar un smartphone modular de gamma mitjana-alta amb bateria extraïble, la coreana Samsung va presentar -en un esdeveniment espectacular a nivell tècnic i visual- els nous models de la sèrie Galaxy: el Galaxy S7 i el Galaxy S7 Edge, i Huawei va presentar el Mate Book, un híbrid tauleta-ordinador amb sistema operatiu Windows 10. Aquestes tres novetats només són un petit recull dels productes que s’han presentat en dos dies. A la llista hi podríem incloure una nova sèrie de telèfons Sony Xperia (Xperia X) i diverses càmeres que graven en alta definició i en 360º.

Sensor NFC grfe

Sensor NFC de grafè

Internet de les coses (IoT): tot ha d’estar connectat

A part de dispositius físics, s’han presentat milers d’aplicacions amb sensors i aparells connectats que (diuen) ens faran la vida molt més senzilla i eficient. La gran majoria passen per alguna modalitat d’internet de les coses, que pretén fer que els objectes estiguin connectats, ens donin informació i facin una cosa o una altra en funció de les circumstàncies. Posem exemples: Vodafone està presentant un aparador interactiu amb realitat augmentada, que podria analitzar qui l’està mirant i ensenyar una informació o una altra en funció dels interessos de la persona. Intel ha presentat una sèrie de solucions de connectivitat dissenyades especialment per IoT que permeten connectar objectes amb telèfons, tauletes i ordinadors. Durant aquests dies s’ha parlat molt de NB-IoT (Narrow band IoT), que permetrà connectar els objectes en infraestructures de xarxa ja existents (així no caldrà esperar que arribi el 5G) de manera més eficient, fent que la bateria duri uns deu anys.

mobile world congress WhatIf

Punt de llibre de WhatIf al Mobile World Congress

No tot són mòbils

En aquest congrés hi ha coses per a tothom. A part de la tecnologia de consumidor (dispositius mòbils, aparells connectats) hi ha centenars d’estands de xarxes de telecomunicacions i antenes, així com també sales de reunions on les empreses fan els seus negocis. Així doncs, també hem trobat una línia de productes i serveis que encaixa força bé amb el que esteu acostumats a llegir en aquesta pàgina.

Medicina i salut connectades

La tecnologia està present a pràcticament tots els àmbits, i el mèdic i el de la salut no en són una excepció. Epson, el conegut fabricant d’impressores que s’està obrint camí en altres mercats, va presentar un nou model de les seves ulleres intel·ligents Moverio, les BT-300. Aquestes ulleres tenen una càmera frontal de 5MP, pesen menys que les anteriors i asseguren que la bateria els dura més. Les aplicacions que tenen aquestes ulleres són tant variades com fascinants. Alguns exemples: un sistema d’escriptura en un dispositiu mòbil basat en eye-tracking per a persones amb discapacitats motrius; un assistent d’operació per als quiròfans, on el metge que està operant pot veure informació útil o gràfics a través de la realitat augmentada, tenint així accés a molta més informació sense apartar la vista del pacient.

Ferula electroestimuladors

Fèrula amb electroestimuladors

L’empresa Ivyhealth està presentant un seguit de productes de “salut connectada”: termòmetres per a nens que són braçalets, fent que el seu ús sigui més senzill; un aparell que et permet agafar-te una mostra de sang i a través d’un sensor calcula i t’ensenya els nivells de glucosa i colesterol, podent-los registrar per fer-ne un seguiment a través de la seva aplicació; un tensiòmetre que es connecta per Bluetooth amb l’aplicació mòbil i que permet a l’usuari fer-se un seguiment de la tensió.

Al 4YFN (4 years from now) a la Fira de Montjuïc també hi havia propostes molt interessants. Per exemple, hi vam trobar l’empresa Exovite, que presentava un sistema per la rehabilitació de lesions: format per un escàner 3D que agafa la imatge exacta de l’extremitat del pacient, un software que genera un model 3D de la fèrula necessària i finalment una impressora 3D que la construeix a la mida del pacient. A més a més, aquest sistema inclou un electroestimulador de baixa freqüència que es pot utilitzar des del primer dia de la immobilització, aconseguint una recuperació més ràpida. També porta un software que permet al metge dirigir el tractament del pacient des de casa seva.

El grafè, la nova revolució

Al pavelló 8 de la fira hi va haver tot un espai dedicat al grafè. Durant els últims anys s’ha anat descobrint que el grafè té tantes propietats que podria ser el material del futur. I com que el futur passa per la tecnologia, tot apunta a que el grafè tindrà un paper molt important en diversos aspectes de les tecnologies mòbils. En aquest espai dedicat al grafè, s’hi poden veure diverses aplicacions, sorgides d’empreses i centres de recerca. Entre elles, antenes NFC (Near field communication) flexibles fetes amb grafè, que es poden incrustar en materials com el plàstic i que podrien servir per fabricar els wearables del futur, entre moltes altres aplicacions; una bateria externa que es carrega en 5 minuts gràcies a l’alta conductivitat d’aquest material; una tinta conductiva que es pot imprimir en molts tipus de materials (fins i tot en teixits). I aquests exemples només són algunes de les aplicacions que ja estan implementades. També se’n podíen trobar algunes una mica més futuristes, però igual de fascinants, com per exemple un element que es podria introduir a dins del cervell d’un pacient amb epilèpsia i que seria capaç d’enviar un missatge al mòbil de la persona quan aquesta estigués a punt de patir un atac epilèptic per així aturar el vehicle en cas que estigués conduint.

Microscopi

Microscopi relacionat amb la descoberta del grafè

…a més a més

Dos grans destacats d’aquesta edició del MWC són, sens dubte, la realitat virtual i els cotxes connectats. Els cotxes connectats ja els coneixem, i cada vegada són més freqüents: aniran equipats amb sensors i aplicacions connectades que permetran saber l’estat del vehicle, de la carretera i inclús comunicar-se entre ells. Els conductors i usuaris d’aquests tipus de cotxe podran comunicar-s’hi amb aplicacions mòbils o a través de la seva pròpia veu, donant ordres parlades. I això només està començant. Anirem veient quina és l’evolució.

La realitat virtual s’està obrint camí amb molta força: almenys Samsung, LG i Sony han presentat les càmeres que graven a 360 graus, de manera que el que es capti amb elles es podrà veure a través d’ulleres de realitat virtual. Un producte (les ulleres) que tampoc ha faltat en aquesta edició del congrés: es podien veure ulleres de realitat virtual a molts dels estands, que presentaven experiències immersives força espectaculars. De fet, LG va presentar el diumenge les seves ulleres LG 360 VR, una mica menys voluminoses que les conegudes Gear VR de Samsung. Un toc entretingut: a l’estand de Samsung hi havia el “Gear VR Theatre with 4D”, on els assistents podien experimentar la sensació de pujar a una muntanya russa d’un parc d’atraccions de Califòrnia amb unes Gear VR i uns seients que es movien seguint la trajectòria de l’atracció. L’experiència va triomfar molt entre els assistents, i la veritat és que la immersió estava molt ben aconseguida. A banda de les infinites aplicacions de la realitat virtual en entreteniment (videojocs, televisió, cinema), també s’han presentat aplicacions més quotidianes com per exemple, comprar en un supermercat virtual des de casa amb unes ulleres.

Equip de comunicació de WhatIf

Microfluidics – are tiny droplets the next big thing in directed evolution?

The quickly maturing technology of microfluidics is opening up new possibilities in enzyme engineering

TEV_protease_summary

Figure 1. Structure of a protease. Some are used in laundry detergents. (CC)  Source: wikimedia.org 

Over billions of years, evolution has created enzymes that enable biochemical reactions with remarkable catalytic power. Powerful catalysts such as enzymes also have many industrial or medical applications, for example enzymes in washing powder help clean your clothes. In order for us to use enzymes, we often have to engineer them to change properties like stability in unfriendly environments (i.e. washing machines) or we have to give enzymes completely new activities, such as the ability to synthesise a drug.

The challenge of engineering new proteins is that we do not yet understand enzymes well enough to design them on a computer. Instead, we use directed evolution techniques which mimic natural evolution. But unlike nature, researchers with the pressure to publish do not have the luxury of being able to wait for years. In addition, we often cannot select for the desired properties. Selection in a continuously evolving population can cause extremely fast evolution, for example using PACE, because the population is large.

In many directed evolution efforts however, mutated variants of an enzyme have to be laboriously screened. The enzyme has to be made for example in bacteria and then bacterial colonies, each containing a different variant of the enzyme, have to be tested for enzymatic activity. This limits the size of most academic projects to tens of thousands of mutants, much less than what can be selected from a population of many millions or even billions of mutants. In particularly difficult cases, for example when a completely novel activity is to be evolved, improved variants may be too rare to be found in such a small screen.

But what if we could screen millions of variants? Microfluidics now allows us to screen greater and greater numbers of variants and promises to significantly enhance our ability to evolve new proteins (Zinchenko et al, 2014): single cells, each expressing a different variant of an enzyme, are first encapsulated in oil to create picolitre droplets.

Enzyme variants

Figure 2.  Enzyme variants are encapsulated in droplets. Active enzymes cause the droplet to become fluorescent when an appropriate substrate is supplied. The droplets are then sorted using FACS and the most fluorescent ones selected as the winners. Source: (Kintses et al, 2012).

The cells are then lysed within the droplets and the substrate is supplied to them. A recent advance was to encapsulate the lysate-in-oil droplets themselves in water to create a cell-like structure (water surrounding a layer of oil, which surrounds proteins and DNA). This allows the droplets to be efficiently sorted using FACS machines. So far, the technique still requires the product of the enzymatic reaction to be fluorescent: all non-fluorescent droplets (with no product), which may contain an enzyme variant with a mutation that lowers activity, are discarded, while the fluorescent droplets containing enzymes with beneficial mutations are kept. As the DNA encoding the mutant enzyme is encapsulated along with the enzyme, it can easily be recovered to introduce more mutations in the best variants.

Amazingly, this new method allowed researchers to find a single active variant among a million of inactive ones. This demonstrates that even extremely rare but highly beneficial mutations can now be found by screening. In my own Masters’ research I attempted to use directed evolution to make an enzyme degrading organophosphate pesticides that pollute the environment. I started using traditional techniques of small screens with thousands of variants and achieved an increase in activity of only threefold. I then switched to using microfluidics and got more encouraging results, but, as in many cases, additional research is needed before we can definitively conclude that the new method is better than the old.

Lucas Kuhlen quadrat

 

Lucas Kuhlen, soon-to-be PhD student in structural biology, passionate procrastinator, interested in international relations and collaborator of WhatIf

 

 

References:

1. Zinchenko, A., Devenish, S., Kintses, B., Colin, P., Fischlechner, M. and Hollfelder, F. (2014). One in a Million: Flow Cytometric Sorting of Single Cell-Lysate Assays in Monodisperse Picolitre Double Emulsion Droplets for Directed Evolution. Analytical Chemistry, 86(5), pp.2526-2533.

2. Kintses, B., Hein, C., Mohamed, M., Fischlechner, M., Courtois, F., Lainé, C. and Hollfelder, F. (2012). Picoliter Cell Lysate Assays in Microfluidic Droplet Compartments for Directed Enzyme Evolution. Chemistry & Biology, 19(8), pp.1001-1009.

Alzheimer: nuevas perspectivas

Alzheimer y mal de las vacas locas: ¿dos enfermedades con una base biológica similar?

Hace unos días, diversos medios se hicieron eco de un estudio publicado en la revista Nature, en el cual se presenta la posibilidad de que la enfermedad de Alzheimer podría llegar a ser transmisible. La investigación, dirigida por John Collinge de la University College London,  basa sus resultados en el análisis de los cerebros de ocho personas con enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (CJD), similar al conocido “mal de las vacas locas” o encefalitis espongiforme bovina. Estas personas habían enfermado debido al tratamiento con hormona del crecimiento contaminada con priones, que había sido obtenida de personas enfermas. Los priones son proteínas alteradas infecciosas que son el origen de enfermedades como CJD. El estudio actual demuestra la existencia en estos cerebros de una proteína alterada típicamente en los cerebros de pacientes con Alzheimer, la proteína conocida como β-amiloide. Los autores del trabajo plantean la posibilidad de que la presencia de β-amiloide alterada en estos cerebros sea consecuencia de una transmisión debida también al tratamiento con la hormona de crecimiento contaminada, además de con priones, con esta proteína. Pero, ¿es realmente posible la transmisión de Alzheimer en humanos?

Cerebro_corte_frontal_Alzheimer

Figura 1. Cerebro normal (izquierda) y un cerebro afectado de Alzheimer (derecha). Fuente:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cerebro_corte_frontal_Alzheimer.jpg (CC)

Para entender este tema, primero tenemos que conocer los mecanismos básicos que se producen en un cerebro enfermo de Alzheimer. En general, se considera que esta enfermedad produce cambios a nivel de proteínas del cerebro, especialmente de dos: β-amiloide y tau. Estos cambios producen alteraciones en su plegamiento, es decir, alteraciones en su forma, en la estructura 3D que las proteínas adquieren y que es necesaria para llevar a cabo su función normal. Cuando el plegamiento se ve modificado, las proteínas cambian su forma y esto hace que, además de no poder realizar su función, se agreguen entre ellas produciéndose acumulaciones conocidas como placas amiloides en el caso de β-amiloide y ovillos neurofibrilares en el caso de tau. Estas acumulaciones son tóxicas para las células del cerebro, las neuronas, produciendo en muchos casos su muerte y la aparición de la enfermedad.

Placas amiloides

Figura 2. Placas amiloides y ovillos neurofibrilares en la enfermedad de Alzheimer. Fuente: BrightFocus Foundation (http://www.brightfocus.org/)

Por otro lado, es interesante comentar nuevos estudios que han aparecido recientemente y que parecen indicar que las enfermedades neurodegenerativas, como es el caso de la enfermedad de Alzheimer, podrían tener similitudes con las enfermedades de origen priónico como CJD. Esto significa que la presencia en una neurona de β-amiloide alterada, es decir, con un plegamiento incorrecto, podría inducir la alteración en el plegamiento de la proteína β-amiloide sana que se encuentre en las neuronas de alrededor. Este mecanismo permitiría que la enfermedad se transmitiese desde un punto concreto hacia todo el cerebro. De hecho, se han realizado estudios en ratones que favorecerían esta hipótesis, ya que han demostrado que la alteración de esta proteína en un punto del cerebro puede propagarse a partes lejanas de éste.

Mecanismos Priones

Figura 3. Mecanismo básico del funcionamiento de los priones. Un prión puede inducir el mal plegamiento de otras proteínas normales. Modificada de: (Colby DW & Prusiner SB, 2011, Nat Rev Microbiol).

Pero, ¿cuál es el origen de la proteína β-amiloide mal plegada en el cerebro humano? Hasta hace poco tiempo, se habían considerado dos opciones. La primera, poco común, un origen hereditario, debido a mutaciones en genes determinados que acaban produciendo alteraciones en β-amiloide. La segunda, un origen esporádico, en el que diversos factores, muchos de los cuales aún están por estudiar, podrían jugar un papel favoreciendo la aparición de la enfermedad en edades avanzadas. Sin embargo, el estudio del grupo de John Collinge afirma que podría existir una tercera opción: un origen externo. Es importante destacar que en ningún caso se ha hablado de contagio como si de una gripe se tratase, sino que se requeriría el contacto con la proteína alterada de neuronas de la persona, como por ejemplo las existentes en los nervios. Esto podría ocurrir mediante procedimientos médicos como por ejemplo cirugías. La proteína β-amiloide alterada, al igual que los priones, puede resistir los procedimientos convencionales para esterilizar el material quirúrgico, por lo que podría introducirse en el cuerpo de personas sanas y comenzar a alterar la proteína β-amiloide propia de la persona produciendo con el tiempo placas amiloides. Esto podría ser el inicio de la enfermedad de Alzheimer, aunque no en todos los casos las personas con estas placas acaban desarrollando la enfermedad.

articulo nature alzheimer

Figura 4. Artículo de Nature que presenta la posibilidad de que la enfermedad de Alzheimer podría llegar a ser transmisible. (Jaunmuktane et al., 2015, Nature)

La publicación de estos resultados ha llegado a crear temores por la posibilidad de la transmisión de la enfermedad de Alzheimer entre humanos. De todas maneras, se debe ser prudente a la hora de interpretar estos resultados ya que hasta el momento se trata únicamente del análisis de un número reducido de cerebros y, en todo caso, parece que esto sucedería de forma poco frecuente. Sin embargo, en caso de confirmarse podrían arrojar algo de luz respecto al estudio del origen de la enfermedad, lo cual es necesario para poder tratarla y, sobre todo, prevenirla. ¿Y si estos resultados permitiesen reducir al menos un pequeño porcentaje de casos de Alzheimer solo esterilizando de diferente forma el material quirúrgico a la hora de realizar cirugías?

Beatriz Blasco

 

 

Beatriz Blasco, biomédica y neurocientífica, entusiasta de la música y colaboradora en WhatIf.

 

Referencias:

  1. Colby DW, Prusiner SB. De novo generation of prion strains. (2011). Nat Rev Microbiol.; 9(11):771–7.
  2. Jaunmuktane Z, Mead S, Ellis M, Wadsworth JDF, Nicoll AJ, Kenny J, et al. (2015). Evidence for human transmission of amyloid-β pathology and cerebral amyloid angiopathy. Nature; 525(7568):247–50.
  3. Jucker M, Walker LC. (2011). Pathogenic protein seeding in Alzheimer disease and other neurodegenerative disorders. Ann Neurol.; 70(4):532–40.
  4. Morishima-Kawashima M, Ihara Y. (2002). Alzheimer’s disease: beta-Amyloid protein and tau. J Neurosci Res; 70(3):392–401.

Project Euler

(Below the Catalan version, you can find an extended version with examples in English)

Leonhard_Euler

Leonhard Euler (CC) Source: https://commons.wikimedia.org/

[CAT] A https://projecteuler.net/ hi trobem tota una sèrie de problemes matemàtics en tots els rangs de dificultat, la majoria dels quals són pensats per ser resolts amb un ordinador. Els problemes estan destinats a totes aquelles persones a qui els encanta les matemàtiques i resoldre problemes de programació de forma eficient amb el llenguatge de programació que més els agradi.

La gran varietat de problemes que trobem a la web dóna a tots als seus usuaris l’oportunitat d’aprendre més d’un tipus de llenguatge de programació perquè no es requereix l’ús d’un únic llenguatge per resoldre els problemes. De fet, d’entre els 88 llenguatges diferents que fan servir els més de 500.000 usuaris registrats a tot arreu del món, hi trobem llenguatges tant variats com Haskell, C/C++, Python, Java, Ocaml, Perl i fins i tot Prolog.

Registrar-se a la web és una bona oportunitat per a estudiants de totes les edats, ja sigui per aprendre coses curioses sobre les matemàtiques o per aprendre a programar o totes dues coses.


Leonhard_Euler_2

Leonhard Euler (CC) Source: https://commons.wikimedia.org/

[EN] At https://projecteuler.net/ one can find a large number of mathematical problems in all range of difficulty, most of which are meant to be solved with a computer. Project Euler is for all those people who love Maths and solving problems efficiently with the programming language they like most.

       The great variety of problems that are found at the web, though, give its users the opportunity to learn more than one kind of programming language because the use of a single programming language is not required. In fact, among the 88 different languages used by more than 500,000 users of Project Euler all over the world one can find a really varied collection of languages like Haskell, C/C++, Python, Java, Ocaml, Perl and even Prolog. Signing up on the web is a great opportunity for students of all ages for learning curious things about Maths or learning to program or both.

       As an example, one of the problems at the web will be solved with two different programming languages: Haskell and C++. The problem solved is the problem # 35 Circular Primes:

The number, 197, is called a circular prime because all rotations of the digits: 197, 971, and 719, are themselves prime.

There are thirteen such primes below 100: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 31, 37, 71, 73, 79, and 97.

How many circular primes are there below one million?

This is a good example to show how using a language like Haskell helps solving a fundamental part of the problem very easily: obtaining all rotations of the digits, and how C++ helps improving the performance using dynamic programming, where in Haskell would be something quite tedious.

This is a possible solution using Haskell:

digitToInteger :: Char -> Integer
digitToInteger '0' = 0
digitToInteger '1' = 1
digitToInteger '2' = 2
digitToInteger '3' = 3
digitToInteger '4' = 4
digitToInteger '5' = 5
digitToInteger '6' = 6
digitToInteger '7' = 7
digitToInteger '8' = 8
digitToInteger '9' = 9

isPrimeRec :: Integer -> Integer -> Bool
isPrimeRec n d
    | mod n d == 0 = False
    | d*d > n = True
    | otherwise = isPrimeRec n (d + 2)

isPrime :: Integer -> Bool
isPrime n
    | n <= 1 = False
    | n <= 3 = True
    | even n = False
    | otherwise = isPrimeRec n 3

rotations :: String -> Integer -> [String]
rotations _ 0 = []
rotations (x:xs) n = [(x:xs)] ++ (rotations (xs ++ [x]) (n - 1))

stringToNumeric :: String -> Integer -> Integer
stringToNumeric [] n = n
stringToNumeric (x:xs) n = stringToNumeric xs (10*n + (digitToInteger x))

isCircular :: Integer -> Bool
isCircular n = all (\s -> isPrime (stringToNumeric s 0)) (rotations numString len)
    where
        len = fromIntegral $ length numString
        numString = show n

candidateCircular :: Integer -> Bool
candidateCircular 1 = False
candidateCircular 2 = True
candidateCircular n = all (\x -> mod (digitToInteger x) 2 /= 0) $ show n

problem35 = (l, length l)
    where l = [x | x <- [2..1000000], candidateCircular x, isCircular x]

We can find the computation of all rotations of the digits in the function rotations. It is fairly easy to understand how it works: the n rotations of a n-digit number is the number itself plus the n – 1 rotations of that number rotated once. At each rotation step the highest-weight digit is placed at the beginning, so that it becomes the digit with least weight.

A possible solution in C++ could be this one:

bool isPrime(int n) {
    if (n <= 1) return false;
    if (n <= 3) return true;
    if (n%2 == 0) return false;
    int d = 3;
    while (d*d <= n) {
        if (n%d == 0) return false;
        d += 2;
    }
    return true;
}

void rotations(string s, int n, vector& r) {
    if (n == 0) {
        r = vector();
        return;
    }
    r.push_back(s);

    s.push_back(s[0]);
    s.erase(0,1);

    vector rr;
    rotations(s, n - 1, rr);
    for (int i = 0; i < rr.size(); ++i) r.push_back(rr[i]);
}

string intToString(int k) {
    string d;
    if (k < 10) {
        d.push_back(k + '0');
        return d;
    }
    d = intToString(k/10);
    d.push_back(k%10 + '0');
    return d;
}

bool allPrimes(const vector& s, vector& primes) {
    for (int i = 0; i < s.size(); ++i) {
        primes[i] = atoi(s[i].c_str());
        if (!isPrime(primes[i])) return false;
    }
    return true;
}

bool isCandidateCircular(int n) {
    while (n >= 10) {
        if ((n%10)%2 == 0) return false;
        n /= 10;
    }
    return true;
}

int main() {
    int lim = 1000000;
    vector isCircular(lim, false);
    int nCircular = 0; 

    for (int i = 0; i < lim; ++i) {
        if (not isCircular[i] and isCandidateCircular(i) and isPrime(i)) {
            string k = intToString(i);
            vector s;
            rotations(k, k.size(), s);
            
            vector primes(s.size());
            if (allPrimes(s, primes)) {
                for (int j = 0; j < primes.size(); ++j) {
                    if (!isCircular[primes[j]]) ++nCircular;
                    isCircular[primes[j]] = true;
                }
            }
        }
    }
    cout << "Number of circular primes: " << nCircular << endl;
}

We find the computation of all rotations of the digits in the function rotations. The main difference we can see from the C++ and the Haskell version of this function is that in C++ one  has to be much more careful when computing this rotations. But C++ is much more efficient due to the possibility of using a dynamic programming technique which consists in not repeating computations: if x is a circular prime then, all of its rotations are also circular primes, therefore we can store which numbers are circular and which are not in an array, as found in the main procedure.

With these examples we can see that the choice of the language is quite important when deciding how to solve a problem: using one language or another might help in solving the problem very easily but that might turn out to be an inefficient solution.

But, where is all this learning? What if somebody found the solution to the problem but the program took 30 minutes to find it? Once the solution to the problem is found, one may discuss their solution with other users that have also solved that problem in the forum and learn how to make their program more efficient by learning new programming skills or new mathematical stuff.

quadrat magic gaudi
Lluís Alemany, computer science student, interested in maths and classical music and WhatIf’s collaborator.

PACE: the future of directed evolution

What if we could speed up evolution?

Evolution is a slow process that spans over millions of years, even the slightest changes have to be selected through thousands of generations until they are fixed in a population. Natural selection, the tool used by evolution to shape every single organic molecule and organism, acts from generation to generation, selecting the fittest.

Evolution has rendered us with a limited (albeit gigantic) set of biochemical tools we can use for biotechnological purposes. These proteins, RNAs, enzymes… have a certain effectiveness, speed and affinity among other characteristics, that we could not (at first sight) change. Given that our time playground only extends to a few decades, we need to find a way to improve nature’s biochemical tools in order to satisfy our biotechnological needs involving energy, pollution, food, medicine and many others.

Figure1_PACE

Figure 1. Directed evolution cycles in the laboratory to characterize and create biocatalysts. Source: (Roderer et al., 2009, Chimia)

Rational design was the first step towards protein improvement, but it is considerably crippled due to our limited knowledge of protein structure and poor 3D-structure prediction capacity. Directed evolution appeared as a way to get pass this lack of understanding and obtain results without a previous complete knowledge. Although it clearly accelerates the evolution of the desired protein, a single round of mutation, gene expression, selection or screening, and replication typically requires days and frequent human intervention.

The more rounds you do, the better your protein will be, but there is clearly a time limitation. To do 50 rounds you would need roughly a year. Therefore usually only a few rounds are made for every experiment, letting evolution play only a small role.

Here is where PACE can start a revolution. PACE or Phage Assisted Continuous Evolution can do up to 200 rounds of protein evolution over 8 days, generating proteins which exceed several hundred-fold the activity of the original protein.

Figure2_PACE

Figure 2. Overview of the PACE system. Source: ( Esvelt et al., 2011, Nature)

In this system, Escherichia coli host cells continuously flow through a vessel or “lagoon” containing a replicating population of phage DNA vectors (SP or selection phage) encoding the gene of interest. Gene III (encoding pIII), which is required for infection, has been deleted from the phage and inserted into an “accessory plasmid” (AP) present in the E.coli host cells. By linking the production of pIII to the activity of the evolving gene in SP, it can be accomplished that only phage vectors able to induce sufficient pIII production once inside the E. coli, will be able to persist.

Additionally, a mutagenesis plasmid (MP) has been inserted in the E.coli host cells in order to increase the error rate during DNA replication. PACE requires no intervention during evolution and obviates the need to create DNA libraries, transform cells, extract genes, or perform DNA cloning steps during each round.

With the power to make proteins evolve so fast, a new range of possibilities opens up in the biotechnological world. Can we evolve common used enzymes to reach thousand-fold efficiencies? Does that mean patients would need doses a thousand times smaller? If we only need to produce a thousand times less, can we make bioreactors a thousand times smaller (home-size bioreactors)? Can we evolve enzymes to perform reactions that do not exist in nature? Can we evolve enzymes to degrade synthetic pollutants? Many crazy ideas could become a reality thanks to this new system.

Of course, being able to speed up evolution will also bring many questions: Where is the evolution limit for a given protein? Can any protein be improved?

Foto Marc Güell

 

Marc Güell (@marc_guell), biotechnology student at UAB, avid reader, curious scientist passionate about synthetic biology and systems biology and WhatIf’s collaborator.

 

References:

1. Esvelt, K. (n.d.). Phage-Assisted Continuous Evolution. Retrieved from http://www.sculptingevolution.org/pace
2. Esvelt, K.M., Carlson, J.C. & Liu, D.R. (2011). A system for the continuous directed evolution
of biomolecules. Nature, 472(7344):499-503.
3. Roderer, K., & Kast, P. (2009). Evolutionary Cycles for Pericyclic Reactions – Or Why We Keep Mutating Mutases. CHIMIA International Journal for Chemistry, 63, 313-317.

La intolerancia a la lactosa

Vaso de lecheY tú, ¿perteneces a ese 35% de gente que toma leche cada mañana?

Suena el despertador. Bajas a la cocina cada mañana, y el verter un poco de leche en tu taza para el desayuno es algo rutinario en el que no te paras a pensar. ¿Pero sabías que unos 4000 millones de personas en el mundo no pueden digerir bien la lactosa, el principal azúcar presente en la leche? De hecho, tras dejar de alimentarse a base de leche casi todos los mamíferos pierden la mayor parte de la actividad lactasa en sus tractos digestivos, una enzima que hidroliza la lactosa en galactosa y glucosa para permitir su adecuada absorción. Sin esta enzima, el procesamiento bacteriano de la lactosa no digerida en el intestino causa trastornos digestivos propios de la denominada intolerancia a la lactosa, incluyendo desde vómitos y dolor abdominal hasta diarrea o hinchazón tras el consumo de productos lácteos.

Lactosa

Reacción química catalizada por la lactasa: hidrólisis de la lactosa en galactosa y glucosa. Fuente: Wikimedia Commons

Todos los niños producen lactasa en sus primeros meses de vida y digieren correctamente la lactosa presente en la leche materna o en fórmulas infantiles. Sin embargo, poco tiempo después del destete tiene lugar una disminución genéticamente programada de la lactasa en la mayor parte de los niños a nivel mundial. La excepción la componen los europeos, norteamericanos y algunas tribus de África y Asia principalmente, en los cuales la actividad lactasa persiste en el adulto en la mayoría de los casos. En nuestro entorno podríamos pensar que la intolerancia a la lactosa es algo excepcional, pero el hecho es más bien al contrario: en torno al 65% de la población mundial no es capaz de digerir la lactosa, encontrando variaciones geográficas notables. De hecho, la intolerancia a la lactosa es bastante alta en Sudamérica, África y Asia, donde algunos países llegan a tener tasas de prevalencia cercanas al 100%, tal y como podemos ver en la imagen que acompaña este texto. En cambio, la prevalencia de la intolerancia a la lactosa entre los caucásicos se encuentra alrededor del 15%.

Mapa intolerancia a la lactosa

Distribución de la intolerancia a la lactosa en el mundo. Fuente: Wikimedia Commons

A principios de los años 70 un estudio demostró que la herencia relacionada con la persistencia de actividad lactasa era de tipo autosómica dominante, y estudios genéticos recientes han demostrado que está fuertemente asociada con algunas variaciones localizadas en la región de nuestro ADN donde se codifica la enzima lactasa. En otras palabras, las personas capaces de digerir la lactosa en su etapa adulta presentan una mutación que les hace mantener la actividad de la enzima que la digiere y, por lo tanto, permitiendo la ingesta de productos lácteos en edades avanzadas. Así, si te encuentras entre ese 35% de la población mundial que persiste con su actividad lactasa en el adulto, la próxima vez que cojas del frigorífico un cartón de leche o un producto lácteo, piensa en la mutación de tu ADN que hace posible que para ti este gesto forme parte de tu día a día y puedas, en efecto, verter un poco de leche en tu taza cada mañana al despertar.

MªCarmen Ortuño Costela

 

M. Carmen Ortuño, bioquímica, apasionada de la bata de laboratorio y colaboradora de WhatIf

 

Referencias:

  1. Brüssow, H. Nutrition, population growth and disease: a short history of lactose. Environ. Microbiol. 15, 2154–61 (2013).
  2. Campbell, A. K., Waud, J. P. & Matthews, S. B. The molecular basis of lactose intolerance. Sci. Prog. 92, 241–287 (2009).
  3. Law, D., Conklin, J. & Pimentel, M. Lactose intolerance and the role of the lactose breath test. Am. J. Gastroenterol. 105, 1726–8 (2010).
  4. Suchy, F. J. et al. National Institutes of Health Consensus Development Conference: lactose intolerance and health. Ann. Intern. Med. 152, 792–6 (2010).
  5. Vuorisalo, T. et al. High lactose tolerance in North Europeans: a result of migration, not in situ milk consumption. Perspect. Biol. Med. 55, 163–74 (2012).