La biología y el mundo del siglo XXI

La biología y el mundo del siglo XXI Las ciencias biológicas atraviesan una época revolucionaria: se realizan descubrimientos de grandes consecuencias que afectan al hombre en forma directa por su repercusión inmediata sobre su bienestar físico, y en forma indirecta al modificar su medio. Sabemos hoy muchas más cosas sobre la célula individual y los organismos complejos, sobre la genética, la química, la física, la fisiología y la ecología que explican sus fenómenos, que lo que el biólogo de antaño podía imaginar. Sabemos también más que nunca sobre la dinámica de las poblaciones vegetales y animales, sobre los procesos y las estructuras moleculares que regulan la vida. (Cox, 1962; citado en Moment, 1962)

Así comienza el prólogo que Hiden T. Cox, secretario ejecutivo del American Institute of Biological Sciences, escribió en la primavera de 1962 para el volumen titulado Frontiers of Modern Biology, que recogió las conferencias de veinte eminentes biólogos que radiodifundió La Voz de América ―servicio oficial de radiodifusión internacional del gobierno de los Estados Unidos de América― con extraordinario éxito en la primavera y el verano de 1961. La serie fue traducida al alemán, al árabe, al ruso y al español, y se programó en países tan exóticos como Sierra Leona, Israel o España. Hoy, casi medio siglo después, la vigencia de su significado sirve perfectamente de introducción a este capítulo que persigue fines análogos. La biología ha sido en la última década lo que fue la física a mitad del siglo pasado: un área en la que los descubrimientos se han ido sucediendo exponencialmente. Si algo parecía imposible en biología en la década de 1980, en la de 1990 ya era realidad, y en 2000 se había convertido en materia rutinaria de estudio en las clases de biología de bachillerato. Las ciencias biológicas están preparadas para anunciar una nueva época de prosperidad y riqueza sin precedentes.

Bases de la nueva biología El potencial actual de las ciencias de la vida tiene dos raíces. La primera la constituyen las poderosas herramientas que permiten recoger y analizar cantidades ingentes de información sobre sistemas complejos, inimaginables hasta hace poco tiempo y que ahora están a disposición de los investigadores. La segunda raíz la constituye una profunda reorganización que están experimentando las ciencias: muchos aspectos fundamentales de las ciencias de la vida están combinándose con partes de las ciencias físicas y matemáticas, de la computación y de la ingeniería, creando así entornos científicos ‘transdisciplinares’ que centran su atención en asuntos globales. Esta amalgama de disciplinas está conduciendo a nuevos descubrimientos sobre los procesos vitales y está creando nuevas oportunidades para traducir esos avances en aplicaciones prácticas. ÓSCAR BARBERÁ Y CRISTINA SENDRA, 2011. La biología y el mundo del siglo XXI, en: Biología y geología, complementos de formación disciplinar (Pedro cañal, coord.), Barcelona, Graó/Ministerio de Educación, páginas 77-96.

Estas dos raíces, las dos tendencias que modelan los avances en la investigación biológica, son reflejo de la naturaleza fundamental de la vida, a la vez que dependen de ella. El tremendo potencial de la biología actual descansa en dos hechos poderosos. El primero es que todos los organismos vivos están relacionados por evolución, por lo que trabajar sobre un gen, una célula, un organismo o una especie, es directamente relevante para mejorar la comprensión de todos los demás, ya que los procesos pueden mostrarse muy similares, incluso idénticos, entre diferentes organismos dada su ascendencia compartida. El segundo es que el proceso de evolución ha generado a lo largo del tiempo geológico incontables variaciones de los mismos temas comunes, y ello hace que la comparación como herramienta se convierta en un iluminador muy potente. Naturalmente, no hay forma de predecir qué nuevas tecnologías o qué futuras industrias emergerán de la unificación de la biología y de su convergencia con otras ciencias y con la ingeniería, pero una medida de la importancia de esta integración es la inclusión de los estudios de bioingeniería en la oferta del Massachusetts Institute of Technology (MIT), o que el plan estratégico de 2008 de la Harvard Medical School programe el inicio de los estudios de bioingeniería para el curso 2010-11. Bioingeniería: una nueva carrera Los sistemas celulares pueden representarse como esquemas eléctricos análogos a los que acostumbramos a utilizar para describir circuitos electrónicos. Pero en el caso de las células los componentes de los esquemas son proteínas, ácidos nucleicos y demás moléculas biológicamente activas, y el cableado que las une son las interacciones entre ellas. Esta manera de representar la dinámica celular ha ayudado a entender los procesos integrados que un organismo necesita para funcionar como una célula viva. Se ha estudiado estos procesos en la bacteria Caulobacter crescentus, identificándose cuatro proteínas que se utilizan como Cell-inspired electronics, gráfico de Christine Daniloff reguladores principales de la división y difeFuente (27/02/2010): MITnews, renciación celulares: la variación de las canti(http://web.mit.edu/newsoffice/2010/cytomorphic-0225) dades de estas proteínas en partes concretas de la célula es la causante de una exquisita regulación capaz de coordinar estos sucesos en una rejilla tridimensional. La construcción de estos diagramas ha permitido identificar nodos que controlan funciones celulares y que actúan como dianas para drogas diseñadas para alterar la función celular: se han iniciado proyectos para diseñar la síntesis de dos nuevos antibióticos y un nuevo antifúngico. El equipo investigador que ha obtenido este conocimiento está formado por biólogos, ingenieros y físicos, y todos han debido aprender los respectivos lenguajes para trabajar juntos y desentrañar así la dinámica celular generando una forma completamente nueva de comprensión del funcionamiento de las células vivas (McAdams y Shapiro, 2009).

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En las ciencias, la mayoría de las investigaciones no llevan a nada y la mayor parte de cuanto se publica no tiene efectos perceptibles. Las buenas ideas no se presentan sin más. Hacer ciencia es un proceso de selección laborioso y desperdiciador: por cada idea exitosa desaparecen en silencio otras mil. En 1989, el National Research Council de los Estados Unidos (NRC) publicó un informe titulado Opportunities in Biology; cuatro años de trabajo y más de cuatrocientas páginas organizadas en nueve capítulos, recogieron la excitación que reinaba hace poco más de dos décadas. Capítulo a capítulo, página a página, se describieron las nuevas tecnologías y las promesas de nuevos descubrimientos en el diversificador campo de la biología. Las tecnologías cubrían niveles muy distintos, desde el molecular ―la secuenciación de ADN acababa de progresar del modo manual al automático― hasta el ecológico ―ingenios robóticos para explorar y muestrear los fondos abisales―. Hoy, al leer el informe, se extrae la impresión de que muchos autores subestimaron las capacidades de las nuevas tecnologías que en él describieron entonces con admiración: los quince millones de nucleótidos de secuencias de ADN que habían sido determinados hasta 1989 provocan una sonrisa al ser comparados con los más de 100 millones de nucleótidos al día que secuencian las máquinas actuales; por no hablar de los datos tomados por satélites que permiten a los biólogos examinar en remoto los cambios en el paisaje o seguir los rastros de la fauna salvaje con cada vez mayor detalle; o de la capacidad de la World Wide Web para almacenar, recuperar y compartir una cantidad inmensa de información.

¿Qué es la NUEVA BIOLOGÍA? Fuente: NRC, Committee on a New Biology for the 21st Century, 2009.

Un informe reciente del mismo NRC, A New Biology for the 21st Century, concluye que en las ciencias biológicas se ha alcanzado un punto de inflexión que puede dar lugar al inicio de un nivel de investigación nuevo, un nivel que si bien se construye aprovechando la fortaleza de la investigación tradicional realizada en las distintas subdisciplinas biológicas, está dotado de una estructura capaz de incorporar esa fortaleza para enfocarla sobre grandes preguntas cuyas respuestas pueden tener consecuencias prácticas muy

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beneficiosas. Este enfoque puede dirigirse a cuestiones clave de los sectores económicos más críticos como el alimentario, el de la salud, la energía o el medioambiente.

Las promesas de las ciencias biológicas Las inversiones realizadas en las ciencias de la vida rinden grandes beneficios en tres amplísimas áreas: mejoran la salud humana, promueven industrias que impulsan la economía al capacitarlas para enfrentarse a desafíos medioambientales, energéticos, de salud o alimentarios, y generan conocimiento y comprensión acerca de algunos de los más fascinantes sistemas del universo. Mejora de la salud humana Las ciencias biológicas han permitido a la mayor parte de la población humana disfrutar de calidad y duración de la vida antes nunca alcanzados. La inversión hecha para combatir enfermedades del corazón ha reducido en más del 50% las muertes por infarto. El conocimiento del metabolismo del colesterol ha permitido desarrollar medicinas como las estatinas, que han reducido los ataques cardíacos. El estudio de los receptores de la superficie de las células nerviosas ha dado a conocer nuevos β-bloqueantes que son utilizados para tratar la hipertensión y las enfermedades del corazón. Nuevos descubrimientos sobre el papel de factores de necrosis tumorales en las enfermedades inflamatorias han conducido a tratamientos con anticuerpos que han cambiado completamente la vida de muchas personas que padecen artritis reumatoide. Se han desarrollado materiales con los que se producen tejidos y órganos de reparación. Nanotecnología: la retina artificial La retina artificial es un instrumento microelectrónico implantable que sirve como magnífico ejemplo de la estrecha interrelación de determinados avances en las ciencias físicas y en las ciencias de la vida que permiten afrontar problemas hasta ahora considerados inabordables: enfermedades como la retinitis pigmentosa o la degeneración de la mácula, la primera causa de ceguera en personas de edad avanzada, pueden ver disminuida la gravedad de sus efectos gracias a una microcámara montada en unas gafas mediante un Fondo de ojo con una matriz de microelectrodos implantada microprocesador convierte la imagen de la Fuente (27/02/2010): (http://artificialretina.energy.gov) cámara en una señal electrónica. El primer modelo de retina artificial contenía 16 electrodos y fue implantado en seis pacientes. Un segundo modelo de 60 electrodos se ha implantado en treinta pacientes, lo que les ha permitido reconocer objetos y caras e incluso recuperar la capacidad de leer tipos grandes de letra. Se está diseñando actualmente un tercer modelo con más de 200 electrodos.

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La investigación básica sobre retrovirus, motivada por su papel en algunos tipos de cáncer, facilitó en su momento la comprensión que acabó mostrándose crucial para identificar la causa de la epidemia de SIDA y para desarrollar fármacos capaces de controlar la enfermedad. Nuevas investigaciones sobre genética bacteriana producirán nuevos tratamientos para enfermedades infecciosas que han desarrollado mecanismos que eluden los tratamientos actualmente disponibles. Aplicar bioingeniería a células madre permitirá una secreción regulada de insulina en diabéticos o la regeneración de nervios en la médula espinal. Medicina evolutiva: otra mirada El estudio de la enfermedad y de la vejez en un contexto evolutivo es reciente. Si bien su nacimiento formal se puede datar en 1991 con el artículo de George C. Williams y Randolph M. Nesse “El amanecer de la medicina darwiniana” (Quarterly Review of Biology, 66: 1-22), fue el libro de 1994 de los mismos autores Why we get sick: the new science of Darwinian medicine el que le proporcionó visibilidad. En la contraportada de su edición en rústica, Richard Dawkins recomendó comprar dos ejemplares y regalar uno de ellos a nuestro médico personal. Esta nueva disciplina médica estudia las consecuencias dinámicas y rápidas de la selección natural sobre las adaptaciones de los humanos y sus patógenos, la reconstrucción de sus historias evolutivas conjuntas y sus consecuencias para la salud y la enfermedad. La selección natural no sólo configura las cosas que funcionan, sino que también ayuda a comprender las razones por las que dejan de funcionar adecuadamente. La estrechez del canal del parto, la existencia de muelas del juicio o la persistencia de genes que provocan trastorno bipolar y senescencia, son asuntos que tienen sus orígenes en nuestra historia evolutiva. Un enfoque evolutivo de la medicina puede resultar muy interesante: podemos beneficiarnos del reconocimiento de que la diarrea, el dolor, las náuseas, la fiebre, la ansiedad o el vómito son, todos ellos, excepcionales mecanismos de defensa y deberíamos pensar dos veces en su función beneficiosa antes de proceder a su bloqueo mediante fármacos para sentirnos más confortables. En lo que respecta a la salud pública, es importante evaluar los cambios ambientales que pueden provocar cambios en la virulencia de patógenos, como también lo es para el diseño de vacunas. Son muchos los ejemplos que exigen reconocer a la evolución biológica como una parte básica de la medicina, y las cuestiones que pone de relieve la biología evolutiva generarán respuestas que ayudarán, sin duda, a mejorar la salud humana.

El enfoque para la salud de la nueva biología tiene como objetivo convertir en realidad la capacidad de controlar la salud individualmente y tratar cualquier disfunción a su medida, es decir, proporcionar una vigilancia predictiva y un cuidado individualizados. Este objetivo implica conocer las relaciones entre una miríada de componentes de la función sistémica conjunta. Actualmente la toma de decisiones médicas sigue basada principalmente en el cálculo de probabilidades: sabemos que niveles altos de colesterol están asociados con enfermedades del corazón, y también que determinados cánceres

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producen metástasis en estadios tempranos con una frecuencia predecible. No obstante, también sabemos que algunos individuos con altos niveles de colesterol no padecen enfermedades cardíacas, y que las metástasis de un determinado tipo de tumor aparecen con una velocidad prodigiosa en algunos individuos pero no se dan en absoluto en otros. Cada individuo posee un conjunto único de genes y una historia medioambiental única, pero nuestro conocimiento de la relación de estas variantes con la salud es incierto. Promoción de industrias que respondan a problemas globales Además de las aplicaciones en salud humana, las ciencias biológicas proporcionan planteamientos que pueden contribuir a avances en muchas industrias, desde la producción energética a la descontaminación, o a la producción de nuevos materiales biológicos o inspirados en la biología. Biomimética: aprender a aprovechar lo disponible Aprender acerca del mundo natural es una cosa, y aprender del mundo natural es otra. Las respuestas a infinidad de problemas de la ingeniería están ahí, en la naturaleza, y no hay más que recolectarlas. A esa búsqueda se dedica la biomimética. Infinidad de asuntos complejos como el autoensamblaje de materiales y estructuras o su capacidad de resistencia, la generación de color sin pigmentos, texturas capaces de mantenerse limpias, formas que reduzcan el rozamiento y mejoren la eficiencia aero- o hidrodinámica, obtención de agua limpia, autodegradación programada, generación de imágenes de gran pureza y vívidos colores, adhesivos no tóxicos y biodegradables, ya han sido resueltos en la naturaleza y están a nuestra disposición para imitarlos y ayudarnos a resolver algunos de nuestros graves problemas ambientales de una forma natural y sostenible.

Palas de turbina eólica que imitan la forma de las aletas de la ballena jorobada Megaptera novaeangliae (Borowski, 1781) Fuente (27/02/2010): The Biomimicry Institute, http://asknature.org

Algunos microbios se utilizan para producir biofuel y quizás el futuro nos depare que acaben siendo una fuente energética principal. Hay organismos, tanto marinos como terrestres, capaces de extraer bióxido de carbono de la atmósfera, lo que sugiere que los sistemas vivos pueden ayudar a gestionar el cambio climático. El estudio de sistemas complejos característicos de la biología está rindiendo resultados que pueden aplicarse a redes que se interconectan de manera similar en muchas áreas científicas, y viceversa.

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La agricultura es un buen ejemplo. La industria biotecnológica agrícola es muy joven, apenas sobrepasa una década. El primer cultivo de bioingeniería, una semilla de soja con un gen que proporciona tolerancia a un herbicida, se comercializó en 1996. Hoy, los cultivos procedentes de la bioingenería suponen más del 20% de la tierra cultivada en el mundo, y este porcentaje se duplicará muy pronto cuando adopten plenamente la nueva tecnología países como India y China. Se trata, sin duda, de la tecnología más rápidamente adoptada en la historia de la agricultura. La introducción de diversos genes en una cada vez más amplia variedad de cultivos, no sólo mejora sus rendimientos espectacularmente, sino que también produce beneficios medioambientales muy importantes. Alterando las características de los cultivos se ha conseguido que los agricultores utilicen menos pesticidas y demás productos químicos y que los productos agrícolas sean más saludables (Normile, 2008). Sobre las plantas de cultivo denominadas transgénicas se ejercen los más rigurosos controles de calidad y de seguridad alimentaria y medioambiental, pero aun así encuentran muchas trabas para su cultivo y comercialización: desde el maíz transgénico de Monsanto autorizado en 1998, han pasado doce años para que Europa autorice un segundo cultivo transgénico, la patata Amflora de BASF, en marzo de 2010. Son muchos los países que siguen negándose a autorizar la introducción de cultivos transgénicos, aun a pesar de las enormes pérdidas comerciales debidas a plagas y otros problemas de los cultivos actuales, y para los que la bioingeniería ofrece remedios fiables (Bagla, 2010).

Amflora, la patata de BASF optimizada para la producción de almidón industrial. Fuente (02/03/2010): BASF, http://www.basf.com/group/pressrelease/P-10-179

Por vez primera desde la Revolución Verde, los responsables políticos vuelven a tomar en serio la seguridad alimentaria. Las evaluaciones de instituciones como la U.S. National Academy of Sciences, la Organización de Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) o la U.K. Royal Society, muestran que el crecimiento de la población mundial, la urbanización, el cambio climático y la disponibilidad de recursos naturales, representan importantes desafíos, cuando no amenazas, a la seguridad alimentaria en el mundo (The Royal Society, 2009; AAAS, 2010). En algún momento próximo en

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el tiempo deberemos incrementar la producción alimentaria entre el 50 y el 100% de la actual, y bajo restricciones ambientales que nunca hemos aplicado anteriormente. Hay estudios que muestran que la tecnología actual es capaz de producir suficientes alimentos para todos, pero sus datos y conclusiones ocultan la desigualdad y la falta de sostenibilidad del modelo actual de producción alimentaria en el mundo. La desigualdad no hay que demostrarla cuando hay mil millones de personas que pasan hambre. La falta de sostenibilidad es una realidad indiscutible, ya que la alta productividad alimentaria alcanzada en muchas regiones es a costa del agotamiento de recursos no renovables, de infligir daño a los ecosistemas y de producir una enorme huella de carbono. El desafío no es sólo sobre la cantidad de alimento producido, sino también sobre la equidad en su distribución, la eficiencia en el uso energético y la sostenibilidad de la práctica agrícola. Dado que los mismos informes señalan que no es posible aumentar significativamente la superficie cultivada sin producir daños medioambientales graves, se propone lo que se ha convenido en denominar una ‘intensificación sostenible’, en la que las ciencias biológicas juegan un papel prominente: desarrollo de cultivos resistentes a condiciones adversas ―restricciones de agua y excesos salinos, plagas y enfermedades, por ejemplo―, rendimientos compatibles con el uso de aditivos renovables ―previniendo el agotamiento de minerales, de biodiversidad y de capital natural― y protección de los ecosistemas (Domingo et al, 2009).

Plantas de arroz de la variedad Bomba (Oryza sativa L.) modificadas genéticamente para mejorar sus propiedades agronómicas. Fuente: Concha Domingo, Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (IVIA)

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Conocimientos en biología básica El tercero de los campos en los que las ciencias biológicas prometen avances a la humanidad es el de proporcionar explicaciones a los fenómenos más fundamentales e interesantes que pueden interesar al intelecto: ¿Cómo funcionan las células en su nivel fundamental? ¿Qué papel juegan los seres vivos en la dinámica planetaria? ¿Cómo se ha producido la diversidad de los seres vivos y por qué es importante? ¿Qué determina la manera en que los organismos se comportan? ¿Hasta qué punto podemos conocer el pasado, y predecir el futuro, estudiando la vida actual? Biología de sistemas y biología sintética: dos recién llegadas con un futuro brillante El desarrollo de la biología y su sinergia con algunos avances tecnológicos ha constituido recientemente dos nuevas disciplinas: la biología de sistemas y la biología sintética. La biología de sistemas conecta el estudio del comportamiento de cada uno de los componentes de un sistema biológico con el estudio del comportamiento del sistema completo. El sistema biológico más sencillo es la célula, y elaborar una descripción completa de las estructuras moleculares y comprender las conexiones entre las interacciones moleculares y las respuestas fisiológicas es un objetivo de la biología sistémica. La segunda de las disciplinas nuevas, la biología sintética, se fundamenta, en gran parte, en los nuevos conocimientos que aporta la biología de sistemas. El objetivo de la biología sintética consiste en diseñar y construir nuevos componentes y sistemas biológicos, o bien rediseñar sistemas biológicos ya existentes. La investigación ya ha comenzado por los microorganismos más sencillos, por aquellos sistemas biológicos con menor número de genes y de complejos proteicos. Investigadores del Centre de Regulació Genòmica (CRG), trabajando conjuntamente con otras instituciones como el EMBL (European Molecular Biology Laboratory de Heidelberg) publicaron recientemente tres artículos en el mismo número de Science (27 November 2009) sobre Mycoplasma pneumoniae, uno de los microorganismos más pequeños y sencillos de vida libre y con capacidad de división autónoma: una célula bacteriana sin pared y de apenas de 2 µm de diámetro y sólo 689 genes, que se desplaza entre las células de los pulmones tomando de ellas aminoácidos, lípidos y glucosa hasta matarlas. Sin embargo, su estudio ha revelado un transcriptoma, un proteoma y un metaboloma mucho más dinámicos de lo esperado. Luis Serrano, investigador de la ICREA, Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, y uno de los investigadores principales en este proyecto, ha declarado: “Nosotros queríamos tener por primera vez un modelo matemático que permitiera explicar un ser vivo; tener la bacteria replicándose y dividiéndose en el ordenador. Esa era la idea original, y seguimos con ella, pero pensábamos que iba a ser más fácil”. Mycoplasma pneumoniae

Ya hemos escrito que el potencial explicativo de las ciencias biológicas se basa en gran parte en que descansan sobre un pequeño número de principios organizativos fundamentales. Dada la gran complejidad de los seres vivos, una gran parte de la experimentación biológica ha debido centrarse en las unidades individuales o, como mucho, en un

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número reducido de componentes pertenecientes a un único nivel de organización concreto. Este enfoque reduccionista ha rendido excelentes resultados en los niveles básicos molecular, celular, fisiológico y ecológico en los que la vida está organizada, y así seguirá ocurriendo en el futuro. No obstante, quedan por resolver muchos aspectos de la biología funcional. Ahora los investigadores en biología están conquistando la capacidad de ir más allá de los componentes individuales y las conexiones entre los distintos campos de la biología comienzan a ser más sencillas de abordar. Conectoma: un nuevo ‘–oma’ en la comunidad Caenorhabitis elegans Maupas, un pequeño gusano nematodo transparente de apenas un milímetro de longitud, tiene un sistema nervioso compuesto de 302 células. En la década de 1970, un grupo de investigadores de Cambridge University decidieron crear el diagrama de conexiones completo de esas neuronas. Recientemente estos diagramas han sido denominados ‘conectomas’ por sus analogías conceptuales con otros –omas: genomas, proteomas, transcriptomas, metabolomas, etc. El conectoma de C. elegans se completó en 1986 tras más de doce años de tenaces y tedioMicrografía electrónica de Caenorhabitis elegans sas labores investigadoras. Ahora un puñado de científicos repartidos por el mundo ha decidido ponerse a una tarea más ambiciosa: describir conectomas de cerebros más parecidos al nuestro, incluso del nuestro. Confían en que los resultados alteren de manera fundamental nuestra comprensión del cerebro. Cartografiar millones de conexiones neuronales del cerebro puede ayudar a los investigadores a comprender cómo de las neuronas surge la inteligencia, la personalidad o la memoria, asuntos que hasta ahora se han resistido a ser desentrañados. Investigadores en neurociencia computacional han estado desarrollando instrumentos en los últimos años que permitan desvelar estas conexiones; utilizan un enorme poder de computación para procesar imágenes del cerebro, pero en primer lugar deben programar a los ordenadores para que enfoquen dónde y cómo mirar. Construir conectomas exige analizar enormes cantidades de imágenes de microscopía electrónica de cortes ultrafinos de cerebro y trazar las enmarañadas conexiones entre neuronas ―muchas de ellas se proyectan a varios centímetros de distancia―. Es un proceso meticuloso, lleva horas trazar cada neurona, y cada trazo debe ser repetido por varios investigadores para depurar los errores debidos principalmente a la naturaleza tediosa del procedimiento. Se confía en acelerar el proceso utilizando ordenadores de gran velocidad de procesamiento a los que se capacite para analizar los cortes cerebrales mediante una técnica habitual en ciencias de la computación denominada aprendizaje automatizado de máquinas. Esta técnica hace que los ordenadores se puedan ‘adiestrar’ mediante el ejemplo: alimentan a sus ordenadores con micrografías electrónicas así como con los trazos que de ellas obtienen los investigadores humanos; el ordenador extrae un algoritmo capaz de imitar el resultado humano y una vez adiestrado se le

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proporcionan micrografías que no han sido estudiadas por humanos. El poder actual de computación ha reducido entre 50 y 100 veces el tiempo de cálculo. Los National Institutes of Health (NIH) de Estados Unidos, han lanzado en 2009 un proyecto de cinco años con una financiación de 30 millones de dólares: The Human Connectome Project pretende desarrollar nuevas técnicas para resolver la conectividad en el cerebro humano. Algunos neurocientíficos se han declarado esperanzados en que los datos del cartografiado de conectomas acaben teniendo un impacto equivalente al de la secuenciación del genoma humano.

Mapping the brain, gráfico de Christine Daniloff Fuente: MITnews, http://web.mit.edu/newsoffice/2010/brain-mapping.html

La revolución de la genómica es descrita como una especie de ‘déjà vu’ por Freeman Dyson (2009). La primera reunión de la British Association for the Advancement of Science (BAAS) se celebró en 1831 en York, Inglaterra. El matemático Charles Babbage lideró el ataque al antiguo orden con su libro de 1830 Reflections on the Decline of Science in England, en el que acusó de esnobs ociosos e incompetentes a los dignatarios de la Royal Society de Londres y dijo de ellos que estaban fuera de lugar en el mundo moderno de la ciencia y la industria. La BAAS, en su tercera reunión de 1833 en Cambridge, acuñó el término ‘científico’ para enfatizar la ruptura con el pasado de los ‘filósofos naturales’. ¿Es posible que hayamos protagonizado ya una nueva ruptura, que los multimillonarios tecnológicos hayan tomado el papel de los aristócratas ilustrados del siglo XVIII? Si bien es pronto aún para responder con solidez esta pregunta, sí podemos examinar algunos hechos. Si realmente se trata de una era nueva, sin duda deberá establecerse en torno a la biología y la computación: los protagonistas podrían ser estrellas de la biología como Kary Mullis, Dean Kamen y Craig Venter, y magos de la computación como Larry Page, Sergey Brin y Charles Simonyi. Craig Venter es el emprendedor que demostró al mundo que se podían leer los genomas a mucha más velocidad, Kary Mullis es el surfero que nos dijo cómo multiplicar los genomas mucho más rápido y Dean Kamen es el ingeniero médico que nos enseñó cómo construir manos artificiales que funcionen realmente. Todas estas estrellas guardan ecos del pasado. Venter navega

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ahora en su yate por los mares del mundo recolectando y secuenciando genomas de microorganismos, a la manera que Joseph Banks recolectó plantas en su circunnavegación en el Endeavour del capitán Cook. Mullis, tras inventar la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), se ha dedicado casi en exclusiva a surfear en las playas de California, al igual que Humphry Davy, que tras inventar la lámpara de seguridad para las minas, pasó la mayor parte de su tiempo pescando con mosca en los ríos escoceses. Kamen construye uniones funcionales entre cerebros humanos vivos y dedos mecánicos, al estilo del Victor Frankenstein de Mary Shelley. Page y Brin han construido el gigante Google®, el motor de búsqueda capaz de llevarnos hasta los límites del conocimiento humano, al igual que William Herschel construyó un gigante telescopio para alcanzar los límites del universo. Simonyi, arquitecto jefe de sistemas de software de Microsoft®, dos veces cosmonauta en la Estación Espacial Internacional, trae a la memoria las intrépidas hazañas de los aeronautas Blanchard y Jeffries, que cruzaron por vez primera de Inglaterra a Francia en globo en 1795. Sistemática, genómica y computación: métodos filogenómicos escalables Conocer las relaciones entre especies es un prerrequisito para comprender la manera en que la diversidad morfológica y ecológica ha evolucionado en el tiempo. Examinar muchos genes de muchas especies es el objetivo de los análisis filogenómicos, que utilizan métodos automatizados que permiten identificar y seleccionar genes comunes entre diferentes especies, y desarrollan herramientas de supercomputación optimizadas para reconstruir las relaciones entre las secuencias de genes. Un trabajo reciente sobre un grupo de gusanos planos, que ocupaba una posición inconsistente en los estudios filogenéticos y que se había mostrado entre los taxa más inestables en los análisis filogenómicos, ha precisado de un enorme poder de computación para alcanzar sus conclusiones: se ha servido de un sistema IBM BlueGene/L del San Diego Supercomputer Center, EUA, comprendido por tres racks de 1024 nodos cada uno y con dos procesadores por nodo, lo que permitió un tiempo total de análisis equivalente a 2,25 millones de horas de procesador (Hejnol et al, 2009).

La reciente y continuada revolución en genómica ha sido facilitada por la integración interna de las ciencias de la vida ―de la que la biología evolutiva del desarrollo, evodevo, y su extensión ecológica, eco-evo-devo, son dos ejemplos―, y gana impulso continuamente gracias a su integración externa con otras disciplinas. La caída en picado de los costes de secuenciación de los genomas y el aumento exponencial de su resolución y velocidad de proceso, han generado enormes cantidades de información que han puesto de manifiesto la necesidad de una expansión rápida de las matemáticas y la computación aplicadas a la biología. El tratamiento de estas vastísimas bases de datos está rindiendo conocimientos que amplían y confirman, a la vez que modifican, los principios organizativos básicos de la biología. Por ejemplo, datos procedentes de estudios de metagenómica o genómica ambiental han llevado mucho más lejos de lo esperado la in-

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fluencia de la transferencia horizontal de genes en microorganismos, hasta el punto de desafiar a los conceptos clásicos de organismo, especie y evolución (Goldenfeld & Woese, 2009). Genómica, del griego génos (γένος), generación y del latín omnis, todo: la madre de todo Con las primeras secuenciaciones de genomas nace una nueva disciplina científica, la genómica, que no se limita a coleccionar secuencias sino que también trata de comprenderlas. Su hito ha sido, sin duda, la secuenciación del genoma humano, concluida en 2003, que nos sorprendió modificando el dogma de la biología molecular, ‘un gen, una proteína’, dado el reducido número de genes descubierto respecto de los esperados. Al abrigo de estos descubrimientos, se mostró que el número de proteínas presentes en una célula excedía su potencial de codificación, y nació la proteómica para resolver las nuevas preguntas que sobre proteínas habían generado los descubrimientos de la genómica. Su objeto de estudio es el proteoma, el conjunto de proteínas y péptidos presentes en una célula bajo determinadas condiciones específicas. Análogamente, la transcriptómica se dedica al estudio de transcriptomas, el conjunto de los ARNm que una célula expresa en un determinado momento. La metabolómica hace lo propio con el metaboloma, el conjunto total de metabolitos de una célula en un momento determinado. El estudio combinado de estas –ómicas permitirá definir en términos moleculares un determinado fenotipo, y promete rendir datos relevantes para la diagnosis, prognosis o estrategias terapéuticas en patologías humanas. La metagenómica es otra –ómica, ésta dedicada a estudiar metagenomas, que se definen como el conjunto de genomas presentes en un determinado medio, ya se trate de una flora intestinal o de una población de microorganismos en un medio marino. Todas estas nuevas disciplinas son infatigables generadoras de una inmensidad de datos, y su utilidad es absolutamente dependiente de las bases de datos biológicos de acceso público, de sus motores de búsqueda y de sus servidores en Internet.

Tan potente se ha hecho la capacidad explicativa de las ciencias biológicas que incluso las ciencias sociales están acercándose a ellas buscando inspiración y legitimidad (Bell, 2006). Tras la Segunda Guerra Mundial, fue la física el modelo teórico más apropiado a seguir ―especialmente en términos de ‘método científico’― para las ciencias sociales, especialmente la economía. Hoy la biología ha suplantado ese modelo de la física dentro y fuera de la academia, y se ha convertido en la ciencia más notable, mejor fundamentada y en la más ambiciosa de todas, en lo referido al potencial explicativo. Lo que nos hace humanos: un conocimiento de doble filo Un paso importante para comprender el genoma es el trabajo de David Haussler y sus colegas de la University of California at Santa Cruz (Pollard, 2009). Haussler es un experto programador professional que decidió poner interés en los asuntos de la biología y utilizar como instrumento experimental el ordenador. Él y su grupo hicieron comparaciones precisas de genomas de distintas especies. Descubrieron un pequeño trozo de ADN del genoma de los vertebrados que se había conservado estrictamente en los genomas de pollos, ratones, ratas y chimpancés, pero

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que se había modificado drásticamente en el de humanos. El trozo se llamó HAR1, abreviatura de Human Accelerated Region 1. Prácticamente no cambió en trescientos millones de años desde el ancestro común de pollos y ratones hasta el de chimpancés y humanos, para evolucionar con rapidez en los últimos seis millones de años, desde el ancestro común de chimpancés y humanos hasta los humanos modernos, en los que se han fijado dieciocho cambios. Otro hecho importante que se conoce acerca de HAR1: es activo en el desarrollo del córtex del cerebro del embrión durante el segundo semestre de la gestación materna, el momento en que se organiza la estructura fina del cerebro. El equipo de Haussman encontró otro pedazo similar de ADN en el genoma de vertebrados que denominó HAR2. Éste es activo en el desarrollo de las muñecas de las manos en el embrión. Las manos y el cerebro son los dos órganos que más diferencian a los humanos de sus parientes vertebrados más próximos. Es posible que el descubrimiento de estos trozos de ADN, HAR1 y HAR2, resulte de importancia seminal para el estudio de la naturaleza humana a nivel molecular. Abre las puertas a una nueva ciencia que puede facilitarnos el control de nuestra propia especie y cambiar profundamente en sentido de las posibles aplicaciones biológicas de nuestro conocimiento, ya resulte finalmente para bien o para mal. Pero esta última parte, relacionada con la ética y la política, no puede ser discutida y vigilada desde la ciencia, sino desde la responsabilidad científicamente informada de la sociedad global.

Lo que queda por saber Pero hay otra perspectiva desde la que contemplar todo esto. En las ciencias, el conocimiento y la ignorancia coevolucionan necesariamente, pero lo que realmente da forma a una ciencia es la ignorancia. Conforme se acumula conocimiento disminuye lo que fue ignorancia en el pasado, pero la comprensión genera preguntas nuevas que descubren áreas vírgenes en las que la ignorancia campa a sus anchas. No hay manera mejor de comprobar el estado actual de una ciencia que enumerar las preguntas para las que no tiene respuesta, y eso es lo que planteó en 2005 la revista Science para conmemorar sus 125 años: reunió una parte importante de su plantilla de investigadores y les pidió que recolectasen veinticinco grandes cuestiones difíciles para las que no tenemos respuesta satisfactoria, y otras cien de ámbito más específico, más restringidas, de las que tampoco sabemos demasiado. De las veinticinco más amplias, diecinueve implican directamente a las ciencias de la vida en la búsqueda de hipótesis para arrojar luz sobre ellas: ¿Cuál es la base biológica de la conciencia? ¿Por qué tenemos tan pocos genes los humanos? ¿Hasta qué punto la salud personal y la variación genética están relacionadas? ¿Cuánto podemos esperar que se dilate la esperanza de vida en las personas? ¿Qué controla la regeneración de órganos? ¿Cómo puede una célula epitelial convertirse en una célula nerviosa? ¿Cómo se convierte una única célula somática en una planta entera? ¿Estamos solos en el universo? ¿Cómo y dónde surgió la vida en la Tierra? ¿Qué determina la diversidad de especies? ¿Qué cambios genéticos nos hacen exclusivamente humanos? ¿Cómo se almacenan y recuperan los recuerdos? ¿Cómo evolucionó

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el comportamiento cooperativo? ¿Cómo serán las descripciones que emerjan del océano de datos biológicos? ¿Hasta dónde podemos llevar el autoensamblaje químico? ¿Cómo podemos detener selectivamente las respuestas autoinmunes? ¿Es posible una vacuna efectiva para el VIH? ¿Cómo de caliente llegará a ser el efecto invernadero? ¿Qué reemplazará al petróleo barato, y cuándo? ¿Continuará Malthus estando equivocado? De las cien preguntas más específicas, sesenta y cinco de ellas entran plenamente en el campo de la biología, y esta sobrerrepresentación la convierte en la ciencia de la que más queremos saber y, posiblemente también, de la que más necesitados estamos y de la que menos sabemos. Es decir, no hay duda de que la biología es la ciencia del presente y del próximo futuro, la atalaya desde la que observar. El origen de la vida: una incógnita desde arriba y desde abajo Sobre el asunto del origen de la vida ya se interesó el mismo Charles Darwin, que en una carta de 1 de febrero de 1871 escribió a su amigo Joseph Hooker una hipótesis que hoy nos resulta inesperadamente moderna (Peretó, 2009): «Si (y oh, ¡qué gran si!) se pudiese imaginar que en una charquita templada con todo tipo de sales amónicas y fosfóricas ―y en presencia de luz, calor, electricidad, etc.― se formó químicamente un compuesto proteico, preparado para sufrir cambios todavía más complejos; en la actualidad esta materia sería devorada o absorbida en seguida, pero eso no habría pasado antes de que se formaran los seres vivientes.»

Prácticamente desde entonces se está buscando la “charquita templada” y el “compuesto proteico” primordial. Se han empleado dos estrategias investigadoras para ello: la estrategia “desde arriba”, que retrocede en el tiempo geológico desde las formas de vida actuales hasta sus ancestros más simples, y que ha conseguido localizar fósiles de microbios de 3400 millones de años de antigüedad y restos de actividad vital de hace 3700 millones de años; y la estrategia “desde abajo”, que avanza desde la formación de nuestro planeta hace 4550 millones de años, y explora los compuestos químicos prebióticos que, presumiblemente, acabaron organizándose en materia viva. Los avances en ambos sentidos han sido notables, pero el trecho que queda por cubrir es respetable, en concreto en asuntos como el autoensamblaje de compuestos químicos prebióticos o la aparición de las primeras funciones susceptibles de reconocerse como biológicas, tales como las capacidades de reproducción y de evolución.

El año 1968 fue un año de conflicto y tumultos, el año en que el Apollo 8 puso por primera vez a un ser humano en el espacio lo suficientemente lejos como para escapar de la fuerza de la gravedad y orbitar la Luna diez veces antes de volver a la Tierra. En la cuarta órbita, la cápsula giró y por vez primera la Tierra quedó a la vista por su ventana. Bill Anders, uno de los astronautas a bordo del Apollo 8, tomó una fotografía de la Tierra saliendo sobre el horizonte lunar, y más tarde declaró: “Hicimos todo ese viaje para explorar la Luna, y la cosa más importante que descubrimos fue la Tierra”.

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Figura 10. Earthrise, fotografía tomada por Bill Anders, astronauta a bordo del Apollo 8, el 24 de diciembre de 1968, mientras orbitaba la Luna. Fuente: NASA (http://grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2001-000009.html)

Hoy, ese punto distante y ventajoso desde el que contemplar nuestro planeta y descubrir parte de lo mucho que de él aun ignoramos, desde donde empezar a perseguir la oportunidad de comenzar a construir una nueva era de prosperidad para toda la humanidad, sin ninguna duda debemos buscarlo en el mismo corazón de la biología. No obstante, para que prospere la biología del futuro se precisarán investigadores competentes en lo que hoy consideramos en la educación campos disjuntos: ingeniería, física, computación, biología molecular, ecología, evolución, biogeografía, medicina, agronomía, zoología, etc. Las señales de emergencia de la nueva biología deben hacernos considerar la necesidad de cambiar la manera en la que educamos científicamente; necesitamos motivar a una nueva generación de estudiantes para que considere que convertirse en científico o ingeniero es una acción importante para contribuir a mejorar algunos de los problemas sociales de la mayor importancia. No es aquí el lugar para lamentarse de la baja calidad y el mínimo nivel de interés que la educación científica muestra en nuestro país, ni tampoco para discutir posibles soluciones para su remedio. Pero sí es pertinente declarar que la nueva biología presenta un enfoque integrado y centrado en problemas que es completamente consistente con la investigación que señala las mejores formas en las que nuestros alumnos aprenden. Igual que la conquista de la Luna motivó a muchos estudiantes de una generación anterior, proyectos claramente visibles que utilicen la biología para resolver problemas importantes pueden atraer a los estudiantes actuales hacia las ciencias y la inge16

niería, y comprometerlos en la resolución de problemas relevantes. Hace falta un programa ambicioso y muy visible, capaz de mostrar que la investigación básica en ciencias no es algo ajeno al devenir de la sociedad, sino un ingrediente crítico para el desarrollo de soluciones innovadoras a los problemas sociales.

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