Hay momentos en que se producen cambios de paradigma, que transforman disciplinas e industrias. La intersección de disciplinas y enfoques traerán esos cambios. La nanotecnología, como bisagra en la intersección entre la biología la física, la computación, la ingeniería, será el protagonista de esta revolución.
Escaparate y manifiesto de la nanotecnología
Eso es justamente lo que defiende Sonia Contera con su libro Nanotecnología viva. La académica de Oxford, explora los desarrollos en nanotecnología que finalmente podrían cumplir el viejo sueño de curas mucho mejores y una medicina más personalizada.
Es importante tener en cuenta que la versión del libro ‘Nano comes to life’ fue publicada antes del Covid-19. La versión en castellano ya cuenta con una revisión.
Parte escaparate, parte manifiesto, Nanotecnología viva de Sonia Contera hace el ambicioso intento de transmitir la maravilla de los avances recientes en biología y nanociencia y, al mismo tiempo, abogar por un nuevo enfoque de la investigación biológica y médica.
Crítica a la industria
Pero a lo largo de este interesante estudio de la nanociencia en biología, Contera teje un argumento complejo para el futuro de la biología y la medicina. Para mí, es aquí donde el libro realmente sobresale. Al defender la importancia de la física y la ingeniería en la biología, la autora critica la forma en que la industria biomédica ha llevado a cabo típicamente la investigación y, en cambio, argumenta que necesitamos un enfoque de la biología que respete sus propiedades en todas las escalas, no solo la molecular.
Los diferentes dominios de la ciencia
Como evidencia de esto, Contera presenta experimentos sobre las propiedades mecánicas de las células, mostrando que el ajuste correcto puede hacer que una célula cambie por completo sus propiedades. Particularmente fascinante es la descripción del trabajo que muestra que se puede hacer que las células madre se comporten más como células cerebrales cuando se cultivan en una superficie más blanda y más como hueso cuando se cultivan en una superficie más dura. Como dice Contera, “La biología no distingue entre los dominios de la ciencia; los usa a todos”.
Crítica al enfoque centrado exclusivamente en la química
La autora argumenta que nos estamos frenando a causa de la inercia institucional. Las compañías farmacéuticas han ideado métodos altamente automatizados de alto rendimiento para probar nuevos medicamentos, pero aún confían en un enfoque centrado en la química, apenas mejor que el lanzamiento de dardos con los ojos vendados.
Con los nuevos conocimientos de la biofísica y la ingeniería biomédica, podemos en cambio abordar la medicina desde múltiples escalas: hacer nanopartículas etiquetadas con anticuerpos y emisores para tratar y obtener imágenes simultáneamente, o usar avances en tejidos impresos en 3D para investigar nuevos procesos para «órganos en un chip». Estas nuevas ideas, que ven la biología desde la perspectiva de la ingeniería, nos permiten vernos a nosotros mismos como máquinas que forman parte del mundo físico y mecánico que nos rodea.
Del reduccionismo a los sistemas complejos
En el siglo XX se enfrenta a que la realidad es compleja y el conocimiento de lo complejo debe ser, obligadamente, a través de sus componentes más simples. Pero cuando nos enfrentamos a la realidad compleja el modelo reduccionista empleado, es insuficiente. Cuando los sistemas de muchas partículas empiezan a interactuar de una manera muy profunda, emergen comportamientos que no tienen nada que ver con el comportamiento de las partes. En escalas diferentes, la materia interactúa de formas diferentes y con comportamientos diferentes. En el momento en que la física llegó a la nanotecnología, se abrió una puerta, la puerta de poder interrogar la complejidad biológica.
El viaje del reduccionismo a la complejidad ha sido apasionante. Empezó en el siglo XVII con la invención de los microscopios en Oxford, pasando por los rayos X y a la observación del átomo y la física cuántica, a principios del siglo XX. Justo después, los físicos empiezan a investigar qué pasa cuando los átomos se juntan y las preguntas sobre la vida surgen inmediatamente. En 1944, Schrödinger da una serie de conferencias en Dublín explicando la vida porque lo que nos interesa a los humanos somos nosotros.
De la complejidad de los átomos surgen los transistores que, en muy poco tiempo, hicieron posible los primeros ordenadores basados en las ideas de Turing. Todos ellos estaban inspirados por la biología, por las neuronas.
Al mismo tiempo, nos empezamos a interesar por la energía, por cómo los sistemas vivos usan la energía de una forma muy diferente a como lo hacen aquellos otros que no están vivos. Aquí se empiezan a juntar inteligencia, información, energía y estructuras, la forma en que el universo ha sido capaz de crear estructuras vivas por el uso de la energía y de la información.
Sistemas complejos y el nacimiento de la nanotecnología
En el momento en que surgieron los ordenadores, los físicos y los matemáticos empezaron a estudiar los sistemas complejos. Así llegamos a la idea de la emergencia, la idea de que cuando los sistemas de partículas interaccionan de una manera muy cercana unas con otras, surgen cosa que no surgen a otra escala.
Los físicos siempre han estado obsesionados por la inteligencia y la complejidad. En los años 80, Richard Feynman predijo en los años cincuenta que, en algún momento, llegaríamos a la nano escala y eso transformaría nuestras maneras de fabricar. Los químicos empiezan a fabricar nano partículas y en el MIT, un físico matemático, que estaba trabajando en las estructuras de ADN, tiene por primera vez la idea de usar el ADN para construir. Así empieza el campo de la tecnología de ADN.
Los químicos, los biólogos estructurales y la gente interesada en física de computación empieza a pensar que llegaba la hora de la nanotecnología. A la vez, en los laboratorios de física se inventa el microscopio que transforma la forma en que vemos la realidad. El microscopio de rastreo es el primer microscopio que permite ver átomos de forma individual y la naturaleza a escala nanométrica. Estos no son microscopios con luz o con ondas, sino que usan puntas muy finas para obtener imágenes de las superficies. Pero no solo son imágenes, sino como son una especie de nano dedo que uno puede manipular para ver superficies, también puede hacerlo para mover y crear estructuras con átomos. Ahí empieza la nanotecnología.
Los motores moleculares
De una forma u otra, todas las ciencias empezaron a llegar a lo nano en los años ochenta, y muchos científicos, en los años noventa, se empezaron a interesar por los mecanismos que hacen posible la vida. A la vez que intentamos manipular la materia a escala nanométrica, los cristalógrafos estaban usando rayos X para ver la estructura de las proteínas y empezaron a surgir las estructuras de las proteínas de la vida.
Contera explica que tenemos millones de proteínas ATPasas en todo nuestro cuerpo en casi todas nuestras células. Todas las cosas que están vivas tienen ATPasas (reacción es exergónica ya que libera energía). Son enzimas que generan la molécula ATP, que necesitamos para la mayoría de las acciones que hacen nuestras moléculas. Una persona activa mueve unos ochenta kilos de moléculas ATP al día. Así que estas enzimas tienen que ser muy buenas y rápidas.
¿Cómo ha sido capaz la evolución de crear una máquina que puede usar ochenta kilos de moléculas al día? Pues creando un motor molecular. Es una molécula que está insertada en la membrana celular, que usando electrostática, es capaz de hacer rotar ese motor. Al rotar, atrapa una molécula de ATP, la dobla y cataliza la reacción química casi sin energía. Este es el truco de la biología. En la nano escala, uno puede simplemente usar la temperatura de las moléculas con un diseño mecánico como el de un molino para transformar la energía de las moléculas de agua en movimiento. Y, como es en nano escala, es capaz de agarrar una molécula y catalizar una reacción química. Esa es la razón por la que surge la vida en la nano escala, porque en la nano escala se puede transformar la energía de una manera a otra, reduciendo la entropía para crear trabajo.
Cuando los nano físicos empezaron a usar biología y a interpretar las proteínas no como un punto, una información o un código, sino como una máquina, empezaron a ver la biología de otra manera. En el siglo XX, los biólogos moleculares y los bioquímicos veían la biología como interacciones de redes de proteínas que no tenían forma e intentaban entender la biología como un sistema complejo de comunicación entre proteínas. Ahí empezaron a encontrarse un par de culturas, la que quería ver a la biología como máquinas analógicas y la que quería verla como máquinas digitales de ADN y de proteínas.
Nanopartículas basadas en proteínas que neutralizan el virus de la COVID
La nanotecnología hecha con proteína será un campo revolucionario. Durante la pandemia, fue noticia que Deep Mind de Google estaba siendo capaz de predecir la estructura de las proteínas. En realidad, no es el trabajo de Google, sino de mucha gente, en particular de David Baker, bioquímico y biólogo computacional, que lleva trabajando cuarenta años intentando predecir las proteínas.
Es importante porque, por fin, tenemos un método rápido de entender cuáles son las nanomáquinas de la vida que son importantes por ejemplo para un proceso biológico y porque este tipo de tecnología permiten fabricar proteínas que no existen en la naturaleza usando células.
David Baker en cuanto fue capaz de predecir proteínas fue diseñar en un ordenador proteínas que no existen en la naturaleza, pero que pensaba que una bacteria o una célula podría fabricar, y logró crear proteínas que no existen en la naturaleza, pero con precisión atómica, usando células para secuenciarlas, que se pudieran autoensamblar. Esta es la nanotecnología más precisa y radical que existe, pero no es un sueño.
Durante la pandemia se empezaron a diseñar rápidamente una vacuna para el Covid basada en esas estructuras y lo logró muy rápidamente. Está en ensayos clínicos, ya ha pasado la fase 3 y se va a usar en humanos en Corea del Sur. Así es que este es el paso de la biología y la nanotecnología. En 2022 ya tenemos una vacuna en el mercado hecha con nanotecnología de proteínas.
Mientras la nanotecnología no ha mejorado el cáncer, por ejemplo, cuando usaba métodos tradicionales de farmacología, hemos visto durante la pandemia que las nanopartículas de lípidos con ARN son capaces de entrenar al sistema inmunológico para quitar un virus, pero también para quitar el cáncer. Moderna y BioNTech se fundaron hace diez años. Las dos compañías que han hecho las vacunas de Covid fundaron hace diez años y utilizaron las nanopartículas para quitar tumores. Igual que las nanopartículas y las medicinas tradicionales no han tenido ningún éxito muy relevante en los últimos veinte años en el tratamiento del cáncer, las inmunoterapias están cambiando radicalmente el tratamiento de las enfermedades.
Estas tecnologías de la inmunoterapia, o la tecnología de las proteínas, son tecnologías emergentes. Ya no están basándose en una manera reduccionista de crear tecnología, de ver los átomos, juntarlos y, a partir de ahí, diseñar, sino que están usando la complejidad de la vida para crear nuevas tecnologías. Las vacunas del Covid son nanopartículas de lípidos que tienen ARN dentro que son capaces de activar el sistema inmune para crear inmunidad contra el virus.
Multidisciplinariedad: nuevos enfoques, nuevas compañías
Moderna y BioNTech tienen un modelo muy diferente de innovación del de otras compañías que hemos tenido antes (la carrera para la vacuna Covid-19: cómo lo hizo BioNTech). Son compañías que son muy multidisciplinares, que van buscando un tipo de transferencia tecnológica muy diferente, que son grupos de científicos, financieros y gente interesada en negocios casi desde el principio, con una estrategia muy clara para cambiar el tratamiento del cáncer.
Es importante, no obstante, señalar que los héroes de las vacunas no responden al estereotipo de Silicon Valley, sino científicas, en sus cincuenta años, que llevaban mucho tiempo pensando en cómo crear las vacunas. Como Sarah Gilbert con la vacuna de Oxford, Ozlem Tured y Ugur Sahin con la vacuna de Pfizer, o Kizzmekia Corbert que fue quien encontró la proteína que lleva el ARN de las vacunas, o el trabajo de Katalin Kariko dándose cuenta de que el ARN se podía usar como una vacuna.
Estas vacunas ya no solo se están buscando de manera inyectable, sino también como implantes para el cáncer. Están empezando a usarse modelos nanotecnológicos y materiales no solo para implantar sino también para reparar tejidos.
Nanotecnología para reparar tejidos
Otra área de la tecnología que está transformando el tratamiento de muchos problemas de daños en tejidos, por enfermedad o por accidente, es la medicina regenerativa basada en nanomateriales, desde la reparación de la espina dorsal, lograr que las neuronas vuelvan a hablar unas con otras después de un accidente, a los órganos en chip, crear órganos artificiales que nos permitan entender mejor la biología de los órganos y crear medicinas.
Personalización y el futuro de la computación
La nanotecnología nos aportará una capa sensórica sin precedentes. Unos sensores muy buenos que nos permitan medir, cuantitativamente, en tiempo real, lo que está pasando en el cuerpo de un enfermo o de una persona sana. El modelo matemático inteligente de esos procesos va a ser fundamental para entender todos esos datos que estamos obteniendo del cuerpo y que no sabemos qué hacer. Medicina inteligente, personalizada, que sea capaz de hablar con el sistema complejo del cuerpo y entender todas sus interacciones.
Esto de los modelos inteligentes y de los datos llevan a la relación entre la biología, la nanotecnología y el futuro de la computación. Los problemas biológicos y médicos son muy complejos y probablemente no se puedan resolver con los modelos de computación actuales. Ahora estamos intentando introducir la inteligencia artificial en casi todas las medidas médicas. De una manera u otra empezamos a entender que todos estos datos que estamos recogiendo de un montón de enfermedades, de un montón de procesos, necesitamos mejores maneras de entenderlos.
La inteligencia artificial, el reto del consumo energético y la inspiración biológica
La inteligencia artificial que usamos ahora también es un proceso que está inspirado en el orden de las neuronas en el cerebro, pero tiene unos límites computacionales muy grandes. El principal problema de la inteligencia artificial es que necesita muchísima energía. Entrenar la red neuronal para que la IA identifique a una persona y sea capaz de dibujarla cuesta dos millones de dólares. Hacen falta tantas conexiones y tantas operaciones para ser capaz de simular el proceso de entendimiento que empieza a tener muchos problemas para tener utilizaciones prácticas en biología.
Los científicos, por tanto, están empezando a buscar otras maneras de computación que nos permitan hacer computaciones rápidas sin tanto uso de energía. La biología usa un código doble digital y analógico. Una planta rota hacia el sol y para eso no necesita hacer una computación con las proteínas. Simplemente, su forma, su física y cómo las proteínas se adaptan a ellas, le permite crear una computación analógica en la que casi no usa energía. Los científicos están empezando a buscar inspiración en la biología para crear nuevos computadores que les permitan, por ejemplo, ser más rápidos en comprender los problemas médicos. Son los computadores neuromórficos, o los computadores que puedan imitar a una planta cuando se gira hacia el sol. Este tipo de computación neuromórfica es entender cómo la naturaleza es capaz de entender y de crear computaciones usando la energía y la información. La idea es que estas estructuras complejas son capaces de cambiar de forma para entender la información. La materia, orgánica o inorgánica, a escala nanométrica, es capaz de producir computaciones. Son computaciones analógicas, no son digitales, y van a transformar cada vez más la manera en que procesamos lo que entendemos por información.
Esto está empezando a dar lugar a nuevos robots. Por ejemplo, estructuras blandas como un robot de plástico al que se le han puesto unas células que son capaces de sentir la luz que hay a su alrededor y el juguete robótico es capaz de moverse hacia la luz. Estamos empezando a integrar, como siempre han hecho los humanos, todas las tecnologías en juguetes, en crear lo que es posible, y aquí empiezan a verse las posibilidades de lo que se nos avecina, esto es, nuevas formas de inteligencia, nuevas formas de computación, nuevas máquinas que son capaces de extraer energía del ambiente.
Más allá de la computación digital: computación cuántica y sistemas biológicos
Una de las maneras que los científicos piensan que vamos a poder procesar toda la cantidad de información que empezamos a poder recoger del ambiente es usando los computadores cuánticos. La idea es que en un computador cuántico muchas operaciones se pueden realizar a la vez.
Nuestra computación analógica como personas, nuestra intuición, nuestras emociones implica la idea de que tenemos una serie de estados superpuestos que son capaces de colapsar en momentos puntuales para crear nuestra consciencia. En muchos laboratorios se empieza a ver que muchos sistemas biológicos también son capaces de computaciones cuánticas, o si podemos aprender de la biología cómo crear computaciones cuánticas que nos permitan superar las limitaciones de la computación digital.
El miedo a la tecnología se utiliza como un arma política y económica
La visión negativa de la innovación refleja también el temor de los ricos y poderosos a perder su posición privilegiada en el mundo.
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