Apuntes científicos desde el MIT

El lunes estuve en Boston entrevistando para una revista al químico vivo con más citas científicas que existe, George Whitesides de la Universidad de Harvard.

Más adelante os cuento qué le mantiene tan motivado a sus 70 años, porqué la química es el futuro de la ciencia, la diferencia entre nanotecnología comercial y revolucionaria, algunas reflexiones sobre si hay investigaciones que no deberíamos estar haciendo, y sus críticas al conservador sistema de peer review en las publicaciones científicas que criban tanto las ideas malas como las más originales. Pero las damas primero. Cuando terminé de conversar con el carismático profesor Whitesides, me dijo “Deberías conocer a una postdoc española que investiga en mi laboratorio ”. Recorrimos los pasillos de su departamento hasta encontrar a Anna Laromaine, una química gironina que inmediatamente se ofreció a contarnos algunos de los proyectos en que están trabajando.

Diagnóstico para todos

Lo primero que me mostró Anna fueron unos papelitos de colores de apariencia muy sencilla, y que en realidad eran tests para analizar de manera fácil y barata muestras de sangre y orina.

La idea “lab on a chip” no es nueva, pero George Whitesides está obsesionado en bajar el precio de la tecnología para que pueda ser utilizada a gran escala en países del tercer mundo. Utilizando técnicas de microfluidica ha diseñado un chip de papel cromatográfico (imagínate algo parecido al test de embarazo, pero más complejo), que puede detectar niveles de glucosa, proteínas, y suministrar de manera asequible y rápida información relevante relativa a la salud.

George Whitesides ha creado la fundación sin ánimo de lucro “Diagnostics for all” para intentar transferir tecnología desde los países que –en sus propias palabras- tienen más “wants” (deseos), hacia los que tienen más “needs” (necesidades).

Extinguir llamas con electricidad

Luego entramos en un laboratorio donde vimos una llama encendida dentro de una caja negra.

Como todas, además de CO₂ y agua, durante la combustión también se genera una gran cantidad de partículas cargadas positiva y negativamente. Cuando Kyle empezó a aplicar un campo eléctrico alrededor de la llama, dichas partículas cargadas se desplazaron generando un efecto parecido al viento. La llama se movía a un lado como si alguien estuviera soplando. Kyle subió de golpe la intensidad, y la llama se apagó inmediatamente.

El grupo de Whitesides está obsesionado con la innovación, y en abrir nuevos caminos. Por el momento la intensidad eléctrica requerida es demasiado alta, pero quien sabe si en un futuro podremos apagar o prevenir cierto tipo de incendios de maneras que ahora ni nos podemos imaginar. Incluso lo están probando con ondas acústicas.

Infoquímica, levitación y chips de c. elegans

Infoquímica fue uno de los conceptos que más me costó asimilar. Normal, es algo tremendamente novedoso y del que Whitesides es un pionero.

Como explican en un artículo reciente se trata de utilizar reacciones químicas para codificar información en lugar de bits eléctricos de 0 y 1. Los investigadores que visitamos nos mostraron sus chips realizados con técnicas de microfluidos en los que el movimiento de una burbujita de aire podía contener información.

¿Aplicaciones? Ya llegarán.

Me produjo una sensación inicial de estupor ver cómo unas bolitas de diferente densidad levitaban a diferente altura dentro de un medio paramagnético cuando se les aplicaba un campo magnético. “Bonito, ¿y qué?” es lo que me pasaba por la cabeza. La levitación que habréis visto anteriormente requiere fluidos a temperatura supercrítica (muy baja). Simplicidad es una palabra clave para el grupo de Whitesides, que está investigando maneras más sencillas de utilizar la levitación. El proceso ya está patentado y ahora buscan aplicaciones, como sensores, ver si un aceite está adulterado, o cualquier aspecto asociado a diferencias de densidad.

Cuando Lizzy me mostró su trabajo le consulté cuál era la pregunta que quería responder. Ella me repitió uno de los lemas del grupo: “nosotros no hacemos ciencia con herramientas, sino herramientas para hacer ciencia” (tools for science instead of science for tools).

Era obvio con el chip para c.elegans que había preparado con la técnica de soft lithography desarrollada por Whitesides. En el fondo no es más que un dispositivo que permite tener un gran numero de gusanos c-elegans en un espacio reducido, y poder hacer de manera más fácil un tipo de experimentos que antes no se podían realizar. No es poco.

La investigación principal de Anna es otro ejemplo excelente de búsqueda de mejores herramientas para hacer ciencia.

Cultivos celulares en 3D

Todas las células de tu cuerpo tienen algún vaso sanguíneo cerca que les suministra oxígeno y nutrientes. Cuando un tumor crece, sin embargo, va acumulando capas y capas de células de manera que las centrales pueden llegar a quedar aisladas y recibir menos oxígeno. Los científicos quieren entender qué ocurre allí. Una de las herramientas que utilizan son los cultivos celulares; placas en las que introducen un tipo de células en unas condiciones determinadas que les permiten hacer experimentos y ver qué ocurre en esas células. Una limitación de estos cultivos es que son “planos”, sólo hay una única capa de células y resulta difícil reproducir una estructura tridimensional.

Hay maneras de conseguir cultivos celulares 3D utilizando geles y ciertos polímeros, pero Anna Laromaine con otros miembros del laboratorio está combinando geles con papel para diseñar una estructura muy simple que le permita alojar células en una disposición tridimensional. Esto permitirá a los científicos analizar qué ocurre a las células del centro, analizarlas de forma sencilla y poder reproducir ‘in vitro’ por ejemplo la estructura de un tumor.

Continuará…

Pero no puedo despedir este post sin citar la conversación con Anna mientras almorzábamos. Anna representa a la perfección la científica española con ganas de volver a su país para investigar, patentar, y ayudar a generar tanto conocimiento como riqueza. Tras los recortes presupuestarios de hace un par de semanas lo ve cada vez más difícil.

Os presento otro de los temas más candentes en neurociencia, que más interés suscitó en el congreso de la Society for Neuroscience, y que apunta a posible revolución en el estudio y manipulación del cerebro: La activación y desactivación de neuronas específicas mediante luz óptica.

Observad este video de una ratita con un agujero en el cráneo y una bombilla azul iluminando su corteza cerebral:



Tan pronto se enciende la luz azul, la rata empieza a moverse en círculos de manera alocada. En este otro video podéis ver una rata control a la que la luz no le afecta en absoluto.
Esta diferencia se debe a que a la primera, además de colocarle una bombilla en la cabeza, los científicos también han insertado algo más en las neuronas de su cortex motor derecho.

Dejadme que os lo explique desde el principio y un poco a lo bruto (disculpad los neurocientíficos), porque es acoj… sorprendente:

En los años 80 unos investigadores descubrieron que en la membrana celular de ciertas algas verdes había unos canales iónicos que cuando recibían luz azul, se activaban y permitían la entrada de iones cargados positivamente a la célula.

Hace muy poco, otros científicos pensaron que si las neuronas tuvieran estos canales ChR2 de las algas verdes, como las señales eléctricas que recorren las neuronas se forman precisamente por la entrada y salida de iones positivos, quizás podrían activarlas a voluntad utilizando sólo luz azul.
Dicho y hecho. En 2005 Ed Boyden logró transplantar el canal ChR2 a cultivos celulares de neuronas, y estimularlas a distancia con luz a la frecuencia específica del color azul.
Dos años después, Kart Deisseroth de la Universidad de Stanford creó el ratón transgénico que habéis visto en el video anterior. Deisseroth le introdujo el gen que codificaba la ChR2, y ahora es el único mamífero que tiene tales canales de rhodopsina en las membranas de sus neuronas. Cuando sus neuronas motoras del córtex derecho reciben luz azul, los canales se abren, dejan entrar iones positivos, se activan de repente, y el ratón empieza a girar hacia la izquierda.
Si se apaga la luz, sus neuronas vuelven al reposo y el animal se detiene.

Esperad que todavía hay más.
A principios de los 90 otros científicos habían descubierto un microorganismo (la arquea Natronomonas pharaonis) con un canal iónico que hacía lo contrario: al recibir luz amarilla permitía la entrada de iones negativos de cloro y detenía el potencial eléctrico. Ed Boyden pensó que este canal NpHR podía ser utilizado para desactivar neuronas, y en marzo del 2007 en su laboratorio del MIT volvió a crear neuronas que esta vez se silenciaban cuando recibían luz amarilla.
Poco después Kart Deisseroth y Feng Zhang anunciaron que habían inyectado genes en el cerebro de un gusano C. elegans para que expresara el canal NpHR en sus neuronas motoras. Cuando iluminaban al gusano con luz amarilla, los canales dejaban entrar iones negativos en las neuronas, disminuía el voltaje, las neuronas se desactivaban y el gusano detenía su movimiento.
Nuevo éxito, y anuncio de revolución en la neurociencia.

(el punto amarillo de la imagen es sólo una referencia del momento en que los investigadores emitían la luz. Podéis ver más videos del Caenorhabditis elegans en el material suplementario del artículo publicado en Nature)

Si os estáis preguntando para qué sirve todo esto, hay dos respuestas.
Una es para investigar. La posibilidad de activar y desactivar grupos específicos de neuronas a voluntad es una nueva y poderosísima herramienta de investigación para entender el funcionamiento de los circuitos cerebrales implicados en una tarea, y cómo su actividad se relaciona con conductas o capacidades determinadas. En otro artículo de nature se dice “es lo mejor que le ha pasado a la neurociencia en mucho tiempo”.
La segunda respuesta, y es en lo que el grupo de neuroingeniería de Ed Boyden está trabajando , recae en las aplicaciones clínicas de esta metodología: silenciar neuronas que están hiperactivadas como ocurre en el Parkinson y la epilepsia. Actualmente se utilizan electrodos cuya acción es poco específica. Sería ideal sustituirlos por implantes ópticos que hicieran lo mismo con luz amarilla de manera más localizada.

Debo confesar que en el congreso de neurociencia me explicaron que la verdadera exaltación colectiva se produjo el año pasado, ya que los resultados más espectaculares se produjeron durante el 2007. Pero también me dijeron que con esa perspectiva que ofrece el paso del tiempo, las expectativas no habían disminuido, sino todo lo contrario. De repente muchísimos grupos se han puesto a trabajar con esta novedosa tecnología. Sin duda la posibilidad de activar y desactivar células nerviosas concretas va a permitir grandes avances más allá incluso de la neurociencia, y todo apunta que algún Nobel caerá en el futuro sobre la gente que ha empezado esta campo de investigación.

Yo, a partir de ahora, cuando alguien me diga que está haciendo investigación básica sobre los canales iónicos de un microorganismo de nombre irrepetible, o estudiando cómo reaccionan ciertas algas verdes a la luz azul, nunca más me atreveré a poner en duda para qué sirve.

Créditos: los videos de ratitas han sido “tomados prestados” de la web del grupo de Kart Deisseroth en Stanford.