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Fundamentación y antecedentes
La sociedad actual ha incorporado a su vida cotidiana numerosos avances científicos que han generado grandes cambios en nuestra vida cotidiana, como la preservación de la salud, la forma de relacionarnos y de trabajar.
De acuerdo con declaraciones conceptuales de la UNESCO (1999; 2017), el futuro de la humanidad dependerá de la producción, difusión y utilización equitativas del saber. Las universidades que según sus funciones son generadoras de conocimientos científicos y tecnológicos, deben contribuir a acercar estos a los distintos sectores de las sociedades (Rietti, 1999). En este contexto, algunas universidades como la de Buenos Aires, por ejemplo, viene promoviendo distintas actividades de difusión y formación científica, enmarcadas como extensión universitaria, según plantean sus reglamentos. Entre ellas, se pueden citar muestras de ciencias y pasantías en distintas facultades, además de publicaciones como la revistas Exactamente, Nautilus, Química viva y Ciencia Hoy (Pérez, Rodríguez y Rulli, 2009).
La comunicación de la ciencia reviste gran importancia en las distintas instancias educativas (Díaz y Jiménez, 2012; Giordan y Sanmartino 2004) y debería implementarse desde los niveles iniciales, ya que los niños y las niñas tienen mayor potencialidad de incorporar la ciencia como valor cultural (Jaim Etcheverry, 2001). En este sentido, desde 2001 se está desarrollando la serie “De la universidad a la escuela”, que comprende actividades docentes innovadoras para la enseñanza de las ciencias naturales con experimentación en escuelas de la ciudad de Buenos Aires y publicación en distintas revistas de educación (Pérez et al., 2003; 2005;-2013). En función de lo expuesto y considerando que la educación científica tiene particular relevancia en el desarrollo de las sociedades, este trabajo tuvo como objetivo general acercar la ciencia a la escuela secundaria, que maneja conocimientos más parecidos a los del nivel universitario y además capacita para la actividad laboral.
En este informe se da cuenta de la expansión de actividades innovadoras al nivel secundario a través de la organización de un taller de ciencias en una escuela municipal de la ciudad de Buenos Aires (Argentina). El tema central incluyó infecciones comunes en adolescentes como las producidas por hongos, y se derivó en particular a la especie Candida albicans. Se divulgaron trabajos científicos locales y los conocimientos universitarios necesarios para su comprensión.
Información científica a difundir
Ante la agresión de microorganismos patógenos, algunas plantas se defienden mediante toxinas antimicrobianas. Los invasores reaccionan desarrollando resistencia a éstas tas por diferentes mecanismos, uno de los cuales consiste en expulsarlas de sus células mediante proteínas transportadoras presentes en ellas. Así, estas bombas expulsoras disminuyen el contenido celular de los compuestos y les restan probabilidad de ejercer sus efectos.
Continuando el combate biológico, las plantas producen compuestos que inhiben las bombas, con lo cual aumenta el contenido de toxinas dentro de las células, se recupera su efecto antimicrobiano y se revierte la resistencia del microorganismo (Figura 1).
Figura 1 Dalea elegans (izquierda), planta productora del compuesto2',4'-dihidroxi-5'-(1''',1'''-dimetilalil)-6-prenilpinocembrina (6PP; fórmula química en el centro), que inhibe bombas expulsoras de azoles presentes en algunos hongos (derecha). Las dos primeras imágenes fueron publicadas por parte del grupo autor de este trabajo (Peralta y col., 2012; la tercera es de una autora de este trabajo (Pérez, 2013).
Aunque parezca ciencia ficción, recientes investigaciones científicas argentinas indican que, con algunas variantes, este relato podría ser adaptado a los seres humanos y protagonizado por una planta de las sierras argentinas cuyo nombre científico es Dalea elegans. Se trata de una leguminosa (al igual que la soja) productora de un compuesto identificado originalmente con el nombre químico de2',4'-dihidroxi-5'-(1''',1'''-dimetilalil)-6-prenilpinocembrina y abreviado como 6PP (Caffaratti et al., 1994).
Este flavonoide tiene dos efectos sobre cepas del hongo Candida albicans resistente a medicamentos denominados azoles. El primero es antimicótico per se y el segundo es inhibitorio de los transportadores ABC cdr con la consiguiente reversión de resistencia (Peralta et al., 2012; 16 Pérez et al, 2003).
Candida albicans es un hongo oportunista que convive naturalmente con otros microorganismos en distintos tejidos de nuestro cuerpo sin causar daño. Sin embargo, en determinadas circunstancias puede provocar infecciones que se manifiestan en la piel (manchas, pie de atleta), uñas, vagina, etc. Sus lesiones están extensamente difundidas en pacientes inmunodeprimidos como consecuencia de malnutrición, transplantes, SIDA, etc. Estos conceptos tienen larga data en el ámbito científico y han sido comunicados en múltiples medios académicos y periodísticos por distintas investigaciones como la de Kim y Sudbery (2011) en una revisión.
Figura 2 Lesiones producidas por Candida albicans en la boca. La fotografía fue cedida cordialmente por el Dr. Sergio Verdú, profesor de Estomatología de la Facultad de Odontología de la Universidad de Buenos Aires.
Quienes padecen de SIDA por ejemplo, suelen presentarlas frecuentemente en boca y faringe, como muestra la Figura 2.
El tratamiento de las candidiasis se realiza con medicamentos denominados antimicóticos. Entre ellos, se utilizan los de tipo azol, como el fluconazol o el miconazol, cuyo uso extensivo incrementó la resistencia a estos, mediada en gran parte por bombas expulsoras. Dado que los azoles son valiosos en terapéutica, convendría seguir utilizándolos, para lo cual sería necesario recuperar su eficacia. Así, es crucial la búsqueda de nuevos medicamentos y estrategias enmarcadas en esta temática (Chambers, 2011).
En este contexto, el 6PPes un potencial medicamento que responde a la estrategia de bloquear in vitro los transportadores ABC cdr (del inglés ATP binding cassette), con lo cual el fluconazol es retenido en la levadura y recupera su eficacia. Por lo tanto, la combinación del 6PP con fluconazol sería más eficaz contra Candida que cada compuesto por separado (Peralta et al., 2012).
Los transportadores citados utilizan la energía liberada por el adenosintrifosfato (ATP), principal acumulador de energía química de los seres humanos. El 95 % de dicho compuesto es producido en las mitocondrias, que son las usinas celulares más importantes. El 6PP compite con el fluconazol en su sitio de reconocimiento y con el ATP en el sitio generador de energía (Barceló et al. 2014, ver Figura 7).
El 6PP es una sustancia de color amarillento, clasificada como flavonoide y aislada a través de distintas técnicas cromatográficas. Tiene una fórmula muy poco frecuente en la naturaleza y fue identificada por primera vez en la Universidad Nacional de Córdoba por Caffaratti et al. (1994, ver Figura 1).
Los flavonoides están ampliamente distribuidos en el reino vegetal y cumplen distintas funciones en el crecimiento y desarrollo. Por ejemplo, algunos atraen abejas y colaboran en la dispersión de semillas y la polinización. Se conoce muy poco sobre las funciones del 6PP.
En cambio, y particularmente en los niveles educativos primario y secundario son más conocidas otras sustancias de origen vegetal, como la clorofila, que interviene en procesos de fotosíntesis que producen moléculas alimenticias aprovechando la luz, el dióxido de carbono y agua del ambiente.
Para la selección y adecuación de conocimientos a difundir se tomó como referencia central un artículo de divulgación (Pérez 2013).
Objetivos
Acercar e integrar conocimientos sobre el cuidado de la salud, las infecciones, su prevención y tratamiento.
Divulgar hallazgos científicos de la UBA acerca del potencial medicamentoso de algunos recursos vegetales.
Enseñar procedimientos de laboratorio utilizados en la docencia e investigación científica.
Incentivar el interés del alumnado por la investigación científica, sus fundamentos y aplicaciones en la vida cotidiana.
Conocimientos previos
Biología. Clasificación, características y organización celular de los seres vivos. Membrana plasmática, composición química y funciones. Mecanismos de pasaje a través de esta; transporte activo y pasivo. Generación de energía celular. Microorganismos; características y clasificación. Microscopía.
Química. Tipos de uniones químicas. Compuestos orgánicos. Biomoléculas: proteínas estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. Enzimas. Transportadores. Sistemas materiales homogéneos y heterogéneos. Métodos de separación de componentes de mezclas: cromatografía
Modo de trabajo
Se diseñaron clases teóricas y prácticas en forma conjunta con estudiantes de 1º, 2º y 4º año del Colegio nº 5 Monseñor Angelelli (Distrito escolar 15) del Ministerio de Educación de la ciudad de Buenos Aires. Los trabajos se realizaron en el laboratorio y aulas del colegio a razón de 2 horas semanales durante 12 semanas.
Se aprovecharon los conocimientos previos del alumnado relacionados con el tema a tratar y a continuación se difundieron saberes científicos en forma simplificada.
Desde el punto de vista pedagógico, se aplicaron distintos procedimientos de la enseñanza de las ciencias experimentales, como planteamiento de problemas, propuestas de soluciones, selección de métodos de concreción, experimentación, análisis e interpretación de resultados (Grinchpum y Gómez, 2004; Krum de Nicolaus, 1999).
Para introducir al alumnado en el método científico, se fomentó la observación, registro de datos, interpretación, análisis y conclusiones.
Se tomaron los recaudos de bioseguridad a fin de prevenir injurias en el estudiantado. También se impartieron normas de conducta para trabajar en laboratorios de microbiología y química (Jamison Noble, Proctor & Smith, 1996).
Actividades desarrolladas
Clases teóricas
Se realizó una indagación mediante prueba oral dialogada acerca de los conocimientos previos del alumnado, para luego introducirlo en el tema. Al último efecto, se hizo una selección e integración de conocimientos de las asignaturas de biología (I y II, 1º y 2º año, respectivamente) y química (4º año). Luego se añadieroncontenidos de microbiología y farmacología, necesarios para entender en un paso subsiguiente algunos datos científicos generados por nuestro equipo de la Universidades de Buenos Aires y el CONICET.
Siguiendo esquemas de Grinchpum y Gómez (2004), se planteó el tema central como un problema a resolver. Este abarcó infecciones comunes en adolescentes como las producidas por hongos, en particular por Candida albicans. Se desarrollaron distintos aspectos, como su diagnóstico, observación por microscopía, cultivo, desarrollo, tratamiento, etc. Se informó acerca del desarrollo de resistencia a medicamentos, sus mecanismos y la necesidad de investigar sobre estrategias para revertirla; a continuación, se dieron ejemplos de investigaciones recientes, publicadas en medios científicos y periodísticos (Barceló et al., 2014; Peralta et al., 2012; Pérez, 2013).
Trabajos prácticos
1. Visualización de levaduras y otras células a través del microscopio óptico. Toma de muestras
Dado que Candida albicans es riesgosa para la salud, para ilustrar algunas de sus características en forma biosegura se recurrió a una especie inocua que tiene similitudes morfológicas, como la ampliamente conocida levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae), utilizada en alimentación para elaboración de panes y bebidas.
En un tubo de plástico se prepararon 5 ml de una solución de agua azucarada y se le agregó una punta de espátula de levadura de cerveza (Figura 3). Al cabo de 3 minutos se depositó una gota sobre un portaobjetos y observaron levaduras en gemación a través del microscopio (Figura 4).
Además, se observaron portaobjetos que contenían distintos microorganismos, como Candida albicans y bacterias con forma de cocos (estafilococos y estreptococos) y bacilos, tanto Gram positivos como negativos. Se los dibujó en pizarrones y cuadernos y se los relacionó con su localización en el organismo y las infecciones.
La observación se realizó con la ayuda de láminas proyectadas a través de medios audiovisuales. Con el objetivo de que los grupos de estudiantes pudieran observar y comparar otros tipos celulares, se realizó la visualización de un preparado previamente teñido de células sanguíneas humanas, algunas de las cuales intervienen en la defensa del organismo ante infectantes (Figura 5).
Figura 5 Frotis de sangre humana (tinción de May-Grunwald Giemsa), cortesía de la Dra. Cristina Pérez, profesora de la FOUBA.
A continuación, se mostraron células vegetales obtenidas por raspaje de la superficie de hojas de una planta del vecindario; se observó mayor tamaño y estructuras específicas como la pared celular, cloroplastos y estomas.
2. Mostración de actividad antimicrobiana del 6PP
Para ilustrar la actividad antimicótica del 6PP, se explicaron las técnicas utilizadas a través de medios audiovisuales y se mostraron cápsulas de Petri con halos de inhibición producidos por el 6PP sobre el cultivo en agar de Candida albicans (Figura 6). Este material provino de la UBA y fue realizado mediante métodos descritos previamente (Pérez et al., 2003).
3. Análisis de medicamentos antimicóticos, resistencia y estrategias de resolución
Dado que el alumnado había traído muestras de medicamentos antimicóticos de sus hogares, se analizaron los prospectos y seleccionó el fluconazol como ejemplo de principio activo. Se explicó cómo este ingresa por difusión simple al hongo y ejerce su función antimicrobiana al inhibir proteínas enzimáticas que sintetizan ergosterol, un compuesto fundamental de la membrana plasmática. El uso intensivo de este medicamento puede hacerle perder eficacia, debido a la emergencia de resistencia en Candida albicans. Esta resistencia es mediada en forma importante por transportadores que expulsan el fluconazol hacia el exterior celular, con lo cual ste no puede ejercer su acción en el interior (Figura 7).
Una estrategia farmacológica consiste en bloquear los transportadores, con lo cual se restituye la eficacia del medicamento. Tal efecto puede ser producido por el compuesto 6PP.
El flavonoide se une a los transportadores de tipo cdr, proteínas de forma helicoidal que utilizan al ATP como fuente de energía. Es más, se puedeunir a dos sitios: el de reconocimiento del medicamento a expulsar y el de generación de energía, según trabajos recientes de la UBA (Barceló et al., 2014), como se muestra en la Figura 7 y video.
Figura 7. Esquema del transportador cdr2 de Candida albicans (lámina reproducida del artículo de Barceló et al., 2014). Izquierda: levadura resistente debido al eflujo de fluconazol (rojo) activado por el ATP (amarillo). Derecha: reversión de la resistencia por agregado de 6PP (verde), que inhibe el transportador. El sitio 1 reconoce al fluconazol y al 6PP (circunferencia), mientras el generador de energía se enmarca en un cuadrado.
4. Experimento de captación y retención de rodamina
A fin de ilustrar experimentalmente la reversión de resistencia mostrada en el punto anterior, se realizó una transposición didáctica de algunos resultados científicos de Peralta et al. (2012).
Se preparó una solución de agua azucarada y se la distribuyó en tres tubos de ensayo numerados del 1 al 3. En otro tubo se depositó, con la punta de una espátula, levadura de cerveza a 5 ml de agua, se mezcló y agregó 1 ml de la suspensión resultante a cada tubo numerado (Figura 3).
En los tubos 2 y 3 se agregó una solución acuosa previamente preparada de rodamina 6G, un colorante fluorescente que es captado por las levaduras por difusión simple y permite en este caso simular el contenido del medicamento antimicrobiano fluconazol. Al cabo de 20 minutos, se separó el sobrenadante fucsia del tubo 3 incubado con rodamina y se lo reemplazó por la solución azucarada. Luego de 15 minutos de incubación se colocó una gota de cada suspensión en sendos portaobjetos y observó al microscopio óptico. Las imágenes de la Figura 8 fueron captadas por estudiantes a través del ocular y corresponden a los tubos 2 y 3. El color rosado más pronunciado con respecto al tubo 3 se debe a la mayor retención de rodamina por las levaduras, debida al menor eflujo al estar en contacto con el colorante. Los tubos 2 y 3 imitan los resultados obtenidos por Peralta et al. (2012) al incubar levaduras con rodamina en presencia y ausencia del 6PP, respectivamente (ver información científica y exposición audiovisual).
5. Extracción y cromatografía de productos de origen vegetal.
Recordamos de la biología que las células de hojas verdes observadas producen distintas sustancias, como la clorofila, un pigmento verde que interviene en la fotosíntesis. Luego procedimos a extraer dicho compuesto utilizando procedimientos de fragmentación de hojas con tijeras y mortero, seguidos del agregado de alcohol etílico al material vegetal (Figura 9).
Además de la clorofila, las plantas producen numerosos compuestos, entre ellos el flavonoide 6PP (Figura 1). Relacionando ambos compuestos de origen vegetal, se realizó una cromatografía en papel del extracto de hojas y el 6PP, utilizando como solvente una combinación alcohol etílico/ agua 9/1 v/v (Figura10).
Figura 10 Izq.: Extracto alcohólico de hojas de una planta, verde intenso, que contiene la clorofila entre otros compuestos. Se preparó el papel para cromatografía y se sembró el extracto con un capilar en un punto de la línea y en otro el 6PP. Derecha: cromatograma en curso: el papel está apoyado en un vaso que contiene el solvente.
6. Evaluaciones y coloquio
El alumnado rindió examen oral. Se evaluó, a través de un conjunto de preguntas, los conocimientos y criterios científicos adquiridos en función de los objetivos planteados y la enseñanza desarrollada Por otra parte, en un coloquio respondieron preguntas acerca de sus impresiones sobre la experiencia. Así, por ejemplo, comentaron que les había fascinado haber experimentado en “la cocina de la ciencia”, lo que significa incursionar en sus métodos teóricos y prácticos, sus inferencias y su aplicación a la vida cotidiana. Todo esto constituiría una novedad en sus vidas, particularmente por haberse relacionado con campos de la medicina.
Materiales utilizados
Material didáctico: pizarrones, láminas, fotografías y videos proyectados a través de medios audiovisuales.
Material experimental: medios de cultivo de microorganismos, azúcar común (sacarosa), solución fisiológica, reactivos diversos, medicamentos y materiales naturales provenientes de plantas.
Material fungible: se utilizó, en la medida de lo posible, material de plástico, como tubos, pipetas, gradillas, vasos de precipitado, cápsulas de Petri, morteros, papel secante, capilares, lápices, marcadores, etc.
Equipamiento: microscopio óptico, computadoras, proyectores de láminas y videos, mecheros, agitadores mecánicos, etc.
Instalaciones: laboratorios y aulas de la Escuela Monseñor Angelelli de la ciudad de Buenos Aires (GCBA).
Microorganismos: hongos (levadura de cerveza) y preparados sobre portaobjetos de Candida albicans, así como de bacterias; todo proporcionado en forma biosegura por la Facultad de Odontología o el Hospital de Clínicas dependientes de la UBA.
Resultados y conclusiones. Aportes pedagógicos
En este trabajo se da cuenta de una actividad docente innovadora de educación científica en una escuela secundaria argentina. Siguiendo premisas de Libedinsky (2001), se relata y describe la experiencia, a fin de socializarla y fomentar su utilización por otrosdocentes. Transposición didáctica mediante el alumnado que participó activamente en la construcción de conocimiento por asociación de contenidos provenientes de sus materias, de disciplinas universitarias y de hallazgos científicos locales.
El currículo escolar se enriqueció, por ende, en relación con disciplinas afines a la medicina y la bioquímica. Más aún, surgió una innovación en la enseñanza de la biología y la química, con apertura novedosa a la investigación científica, sus procesos mentales y experimentales. El estudiantado tuvo la oportunidad de acceder y experimentar con ejemplos de ciencia real, que se diferencia de la escolar en sus objetivos y enfoques.
Al respecto, se promovió la formación de hábitos y criterios, los cuales conforman pilares esenciales de la educación al generar una apertura mental basada sobre la observación, el razonamiento, la rigurosidad y la proyección a distintos ámbitos (Giordan y Sanmartino, 2004).
Las notas de examen (entre 6 y 10) fueron más altas que las habituales en las materias involucradas. Además, algunos alumnos redactaron, informes minuciosos sobre las actividades desarrolladas. Según lo demostraron y consignaron en coloquios, recibieron esta propuesta con entusiasmo, en particular por la aplicación de lo estudiado al cuidado de su salud y el aprendizaje de algunos procedimientos utilizados comúnmente en laboratorios bioquímicos.
Como era esperable, una vez vencida la reticencia propia de los (adolescentes, la comunicación resultó más directa que con estudiantes de primaria, según nuestra experiencia previa (Pérez, Pagnotta y Rulli, 2003, ¨Pérez, Pagnini, y Rulli, 2005; Pérez, Flores, Pagnotta, y Rulli, 2013), ya que los alumnos del secundario tienen mayor capacidad de comprensión y abstracción. Fue interesante, además, el intercambio de ideas entre estudiantes, quienes proyectaron sus intereses y vivencias acorde con sus edades.
Desde el punto de vista de las universidades, la propuesta queda enmarcada como extensión de su labor hacia la sociedad, en este caso escuelas secundarias. El contacto fluido entre universidades y escuelas, habitual en países europeos, es fomentado desde hace décadas en la Argentina (Ministerio de Cultura y Educación de la Nación, 1997; Rietti, 1999). Al respecto, en varias cátedras y provincias se han desarrollado trabajos científicos con estudiantes de colegios secundarios.
El Ministerio de Educación de la Provincia de Córdoba (Argentina) promueve la interacción de investigadores de universidades con docentes de enseñanza media a través de distintas actividades de laboratorio. Otras universidades nacionales organizan ferias, donde divulgan fenómenos y avances científicos.
Desde el punto de vista sanitario, las actividades promovieron el cuidado de la salud, incentivado por la OMS, al propagar valores individuales y sociales a través de la comunidad educativa. En efecto, se enfatizó en brindar conocimientos sobre infecciones comunes en adolescentes, su prevención, tratamiento, problemáticas emergentes y estrategias para resolverlas.
