Se mueven los límites humanos. Científicos alemanes hacen que ratones parapléjicos vuelvan a caminar, inteligencia artificial.

Y así topamos de frente con uno de los secretos de la naturaleza, que los humanos apenas empezamos a aclarar, sobre el tema cerebral todo nos causa sorpresa. Estamos tan acostumbrados a vivir sin tener en cuenta que somos una especie, una voz en la fuga cósmica. La mayor parte de la humanidad aún piensa que somos los "reyes" del planeta por la inteligencia tan desarrollada que hemos logrado. Idea amasada a través de muchos milenios, se encuentran trazas de ello en casi cualquier actividad humana, en casi cualquier cultura.

Pero ahora en pleno siglo Veintiuno, las cosas van cambiando, empiezan a dar un giro, podemos por primera vez situarnos en un lugar más modesto, abrir los ojos y aprender en la escuela del "espacio - tiempo", el maestro es el Universo, en lo infinitamente grande, y la comprensión de los caminos que llevaron a este a la generación de la vida, en lo infinitamente pequeño. Y de la generación de vida, a la posibilidad de crear Inteligencia Artificial (IA).

Pero, vamos por partes, empezamos por lo que nos resulta muy cercano, en nosotros mismos, y en los demás seres con que compartimos la "Tierra", este planeta azul, que reboza vida, con una evolución de alrededor de tres mil setecientos millones de años.

Se empieza a descubrir las mecánicas con que se maneja la vida, desde la perspectiva microscópica, ese panorama que no nos resulta natural y por tanto poco conocido. Nos auxilian varias materias del conocimiento que los Homo sapiens hemos podido desarrollar en alrededor de doscientos mil años de vigencia de la especie.

Biología, Química, Anatomía, Fisiología, y las otras muchas ciencias afines, y todas bajo la batuta directora que las matemáticas utilizan para regular y nos sirven para comprender los controles necesarios impuestos por la naturaleza. Entrando en materia:

Este día 22 de enero del 2021, las diversa agencias noticiosas dan a conocer que investigadores alemanes han logrado que ratones con parálisis (parapléjicos) después de lesiones en la médula espinal vuelvan a caminar, restableciendo un vínculo neuronal considerado hasta ahora irreparable en mamíferos, para ello, se valieron del uso de una "proteína de diseño" inyectada en el cerebro. El artículo resultante fue publicado en la revista "Nature".

Las lesiones de la médula espinal en los seres humanos, a menudo causadas por deportes o accidentes de tráfico, los dejan paralizados porque no todas las fibras nerviosas, llamadas "axones",  que transportan información entre los músculos y el cerebro, pueden volver a crecer, es decir, regenerarse.

Ilustración de Proteinas construidas tomada de IrbBarcelona organización.

Pero los investigadores de la Universidad de Ruhr en Bochum lograron estimular las células nerviosas de los ratones paralizados para que se regeneraran utilizando una proteína de diseño denominada "hiperinterleucina-6".

"Lo especial de nuestro estudio es que la proteína no solo se usa para estimular las células nerviosas que la producen, sino que también se transporta más allá (a través del cerebro)", dijo a Reuters el director del equipo, el doctor y profesor en Fisiología Celular en la Facultad Biología y Biotecnología, de la mencionada universidad, Dietmar Fischer, en una entrevista.

"De esta manera, con una intervención relativamente pequeña, estimulamos una gran cantidad de nervios para que se regeneren y esa es la razón por la que los ratones pueden volver a caminar, en última instancia. Los roedores paralizados que recibieron el tratamiento comenzaron a caminar después de dos o tres semanas".

El tratamiento implica inyectar portadores de información genética en el cerebro para producir la proteína, llamada "hiperinterleucina-6". Ahora el equipo de científicos está investigando si se puede mejora el tratamiento.

"También tenemos que ver si nuestro método funciona en mamíferos más grandes. Pensaríamos en cerdos, perros o primates, por ejemplo", dijo Fischer.

"Entonces, si funciona allí, el siguiente paso sería asegurarnos de que la terapia también sea segura para los humanos. Pero eso ciertamente llevará muchos, muchos años", agregó.

Fotografia tomada del archivo de Agencia AFP, La Jornada.

Las proteínas naturales hacen el trabajo que permite que exista la vida, la "Biología Nuclear" busca crearlas en el laboratorio para combatir enfermedades, limpiar el medioambiente construir nuevos materiales y mejorar la alimentación.

Con solo veinte aminoácidos (que son compuestos orgánicos) la naturaleza ha creado combinaciones infinitas que dan como resultado los cimientos de la vida: "las proteínas". La evolución empleó todo el tiempo del mundo para crear mezclas armoniosas de estas moléculas que hacen buena parte del trabajo por el cual funcionan los seres vivos, también por supuesto los Homo sapiens. Y ahora, gracias a décadas de investigación en "Biología Molecular" y a algunas sofisticaciones tecnológicas, la ciencia quiere imitarla.

Tenemos un ejemplo, que separé en sílabas de cinco letras para su mayor claridad: "CIEQS FTTLF ACQTA AEIWR AFGYT VKIMV DNGNC RLHVC": son cuarenta letras, una por cada aminoácido, que organizan las instrucciones para construir un dispositivo médico capaz de reconocer el virus de la gripe, aferrarse a él y desactivar la parte que emplea para penetrar en las células.

Porque las proteínas, son “máquinas moleculares capaces de construir, transformar e interactuar con otras moléculas”, así las definió el doctor Matthew Hutson, también periodista de ciencia, en "The New Yorker", constituyen, por ejemplo, los anticuerpos que defienden las células contra los invasores.

Las proteínas son mezclas armoniosas de aminoácidos que realizan buena parte del trabajo de la vida. (IPD/Universidad de Washington)

Sin proteínas, esas cadenas de aminoácidos que se arman según las instrucciones del ADN, no existiría la humanidad. Y si se las lograse crear en laboratorio, por medio de ingeniería genética, sin dudas la cambiarían.

Las proteínas, son multifuncionales, también crean "hormonas", que se constituyen como las mensajeras que regulan la fisiololgía y la conducta. Y las "enzimas", que realizan las reacciones químicas necesarias para generar energía.

De acuerdo a lo logrado con los ratones parapléjicos, se destacan dos Proteínas con labores muy especiales, son la "miosina" y la "actina"; cada célula muscular contiene miles de miofibrillas, formadas por filamentos delgados, que son finas fibras de proteínas globulares de 3 a 7 nm de diámetro que le dan soporte a la célula, estos microfilamentos forman parte del citoesqueleto y están compuestos predominantemente de una proteína contráctil llamada (actina); y también están microfilamentos gruesos que tienen una longitud uniforme de 1.6 micrómetros y un diámetro de 15 nm (miosina), ambas interactúan para producir el acortamiento del músculo, es decir, la contracción de los músculos e interviene en la división celular y aún en el transporte de vesículas.

Por otro lado las hormonas son los mensajeros químicos del cuerpo que circulan a través de la sangre hacia los órganos y los tejidos. Estos componentes químicos, moléculas, intervienen en los procesos del: metabolismo, crecimiento y desarrollo; ayudan a regularlos. Son sustancias segregadas por células especializadas, localizadas en glándulas endocrinas, o también por células epiteliales e intersticiales, es decir, producidas por el "sistema endocrino", cuyo fin es el de influir en la función de otras células, lo que impulsa y controla el hambre, la presión arterial, el deseo sexual, etcétera. Para lograr lo anterior se cuenta con el "Sistema Neuroendocrino", que activa y regula la segregación de las moléculas al torrente sanguíneo.

Este sistema, es el mecanismo por el cual el "hipotálamo", ubicado en el interior del cerebro, mantiene la homeostasis, regulando la reproducción, el metabolismo, el comportamiento alimentario y de bebida, la utilización de la energía, la osmolaridad y la presión sanguínea. Está formado por neuronas y glándulas, que son las encargadas de sintetizar las diferentes hormonas que se segregan a la sangre en las situaciones necesarias, mismas que determina el cerebro. Su función incluye la regulación de las emociones, de ahí que existen numerosas conexiones con las neuronas.

Anatómicamente y funcionalmente el "hipotálamo" y el "Sistema Límbico" (que forma parte del cerebro y está encargado de regular las respuestas fisiológicas y emocionales del organismo) están íntimamente relacionados. Una de las tesis apoyadas por la nueva visión propuesta por la Neurociencia.

En cuanto a las Enzimas son un catalizador biológico, una proteína que acelera la velocidad de una reacción química específica en la célula. Una célula contiene miles de diferentes tipos de moléculas de enzimas específicas para cada reacción química particular, actúan sin consumirse, ni pasar a formar parte de los productos de esa reacción. Se han clasificado en seis grupos o clases, considerando para tal efecto la reacción específica que catalizan.

De acuerdo a su función genérica  están  divididas en 3 clases: enzimas metabólicas, que hacen funcionar nuestros cuerpos, enzimas digestivas: que digieren nuestros alimentos, y enzimas alimentarias: que provienen de alimentos crudos y que inician nuestro proceso digestivo (se cree que existen aproximadamente 75 mil enzimas en el cuerpo humano)

“Las proteínas son las moléculas más sofisticadas del universo conocido”, dijo a la revista INFOBAE, el bioquímico del Instituto de Diseño de Proteínas (IPD) de la Universidad de Washington, Neil King. Por su eficiencia, su refinamiento y su sutileza, superan casi todo lo que los seres humanos pueden construir".

Para una mirada inocente, estas largas cadenas de aminoácidos parecen azarosas; sin embargo, el ojo científico, ya entrenado, puede comprender la coreografía, los pliegues que repiten formas 3D idénticas, según un saber genético que pasa de célula a célula. Y que hoy los bioquímicos quieren imitar para “diseñar proteínas que combatan infecciones, produzcan biocombustibles y mejoren la estabilidad de los alimentos”, ilustró Matthew Hutson, quien estudio Ingeniería Biomédica en la Universidad Northwestern, posteriormente realizo sus estudios de doctorado en Bioquímica en el Laboratorio de la Universidad del Sur de California en Loa Ángeles (UCLA).

Pero el diseño de proteínas de cero “ha sido el santo grial de la ciencia desde hace décadas”, dijo el doctor y bioquímico Sarel-Jacob Fleishman, adscrito al Departamento de Ciencias Biomoleculares del Instituto de Ciencias Weizmann, de Israel, y completa su opinión: “Las proteínas de diseño podrían ayudarnos a curar enfermedades, a construir nuevos tipos de materiales y de electrónicos, a limpiar el medio ambiente, a crear y a transformar la vida misma”.

La ingeniera química y aeroespacial de la Universidad de Princeton y posteriormente doctorada en ingeniería química en la Universidad de California en Berkeley, Frances Hamilton Arnold (25 julio 1956), Catedrática Linus Pauling del Instituto de Tecnología de California (CIT), quien compartió el Premio Nobel de Química en el año 2018 por su trabajo en diseño de proteínas. Está enamorada del potencial de su campo de investigación: “Durante miles de millones de años la naturaleza ha descubierto cómo extraer recursos del medio ambiente —luz solar, dióxido de carbono— y convertirlos en máquinas vivas, funcionales. Eso es lo que queremos hacer, y hacerlo de forma sostenible, ¿verdad? Hacerlo de manera que la vida pueda continuar".

Pero quizá el científico que parece más cerca de encontrar el grial es David Baker, un bioquímico de 57 años, doctorado en el laboratorio de otro ganador de Premio Nobel, en este caso de Medicina y Fisiología en el año 2013, Randy Schekman (30 diciembre 1948), en la Universidad de California en Berkeley, es fundador del Instituto para el Diseño de Proteínas "Institute For Protein Design" IPD en la Universidad de Washington, con una experiencia de décadas en la materia. “Estamos tratando de cambiar la forma de trabajar con la tecnología y la ingeniería a escala molecular en biología”, explicó.

Hasta ahora la ingeniería biológica ha operado mediante “pequeñas modificaciones a lo que encontramos en la naturaleza”, explicó, “o bien se hacen colecciones completamente aleatorias de moléculas y se seleccionan las que parecen útiles”. Pero el objetivo es "poder crear moléculas nuevas y útiles mediante el diseño de primer principio”, es decir, de cero: de principios que no admiten demostración a partir de otros más básicos.

Para diseñar una proteína conviene tener primero una idea de las partes que se emplean en su construcción, “el equivalente molecular de cables, motores, bisagras y pernos”, comparó la revista The New Yorker.

Los componentes de una proteína no se fabrican por separado y luego se encajan: surgen como una cadena que se pliega, más o menos instantáneamente. (Fold.it)

“Pero, también hace falta entender cómo se ensamblan las piezas —continuó el artículo del doctor Matthew Hutson—. Los componentes de una proteína no se fabrican por separado y luego se encajan. Por el contrario, surgen como una cadena que se pliega, más o menos instantáneamente, en una forma compleja. Varias fuerzas crean la forma en que las proteínas se pliegan”. 

Por ejemplo: algunos aminoácidos detestan el agua y terminan enterrados,  en el interior de la proteína, con el resto de los pliegues encima de ellos padecen hidrofobia. Otros átomos, según su polaridad, se atraen y repelen como imanes; y los de hidrógeno se adhieren con fuerza a otros elementos.

Esas formas son tan difíciles de predecir que los investigadores hablan sobre “el problema del plegado” de las proteínas. En el universo natural, cada partícula interactúa con otra simultáneamente; pero en los cálculos humanos, sean manuales o computarizados, los procesos son secuenciales, y eso hace muy difícil simular el plegado.

El "software" más sofisticado para hacerlo se llama "Rosetta" (que es un traductor dinámico binario para "Mac OS X" que permite a muchas aplicaciones PowerPC correr en ciertas arquitecturas Intel de las computadoras Macintosh sin modificaciones) y  David Baker comenzó a escribirlo, con colegas, en 1996. “Parece una mezcla de video game con un entorno de programación, que muestra imágenes de proteínas en algunas ventanas y largos códigos en otras”, según el texto. 

Es de fuente abierta y corre sobre numerosas plataformas; actualmente lo emplean cientos de laboratorios académicos y empresas en el mundo. Es una obra de colaboración que ya tiene millones de líneas y que, si bien tiene una obvia aplicación comercial, es gratuita. Fue publicado en el año 2006, y su nombre se refiere a la piedra que hizo posible la comprensión y traducción de los jeroglíficos egipcios.

De "Rosetta" surgió "CIEQSFTTLFACQTAAEIWRAFGYTVKIMVDNGNCRLHVC", enunciada un poco antes, y que es la proteína antigripal, que se presentó en sociedad en 2017, en un artículo que publicó la revista "Nature". 

Continuó exponiendo Matthew Hutson: “El proceso también se utilizó para diseñar "Neo-2/15", un fármaco contra el cáncer que David Baker realizó en su laboratorio y que desarrolla la empresa Neoleukin”. Neo-2/15, es el "Diseño de Proteína de cero", que hoy se halla más cerca de la comercialización, es una nueva versión de una molécula de señalización "interleucina-2 (IL-2)", que el sistema inmunológico crea naturalmente. La (IL-2) se adhiere a los receptores de los glóbulos blancos y aumenta su respuesta”.

Si bien algunos enfermos de cáncer se pueden beneficiar de una dosis alta de (IL-2), por ahora el tratamiento conlleva riesgos como una respuesta tóxica del organismo. Los investigadores trabajan todavía en esta nueva versión para que se una solamente a receptores no tóxicos: en el año 2019 David Baker y sus colaboradores lograron un diseño que ha tratado con éxito el cáncer de piel y de colon en ratones.

En la naturaleza cada partícula interactúa con otra simultáneamente; en los cálculos humanos, manuales o computarizados, los procesos son secuenciales, y eso hace muy difícil simular el plegado de una proteína. (Fleishman Research)

También en 2019 el laboratorio de Neil King en el (IPD) produjo una vacuna: una nano partícula sólida de veinte lados (un icosaedro) revestida con proteínas del "virus sincitial respiratorio" (VRS) que es la causa más común de la inflamación de los pulmones (neumonía) o de las vías respiratorias pulmonares (bronquiolitis) en los bebés. Estas complicaciones pueden ocurrir cuando el virus se extiende al aparato respiratorio inferior, y es la segunda causa de muerte en la infancia detrás de la malaria.

El diseño de cero derivó en una empresa, "Icosavax", que continúa con el desarrollo de la vacuna. Neil King trabaja además con el Instituto Nacional de Salud (NIH) en los Estados Unidos para usar la misma tecnología en una vacuna universal contra la gripe.

Y complementariamente también busca realizar una vacuna contra el COVID-19, y está por publicar un estudio —lo ha sacado como preimpreso, pendiente de la revisión de sus pares académicos— sobre sus primeros resultados en experimentos con ratones. Tras vacunar a los animales con una nano partícula de proteína de ensamblado autónomo, “en la que se habían incrustado sesenta copias de la parte clave de la proteína de punta del coronavirus”, los ratones produjeron “diez veces más anticuerpos de los que habían fabricado cuando se les administró una vacuna que contenía sólo proteínas de punta”. Neil King observó que, además, los anticuerpos creados en respuesta a la nanopartícula “eran más potentes: se dirigían a múltiples puntos de la proteína de punta”, nuestro ahora conocido SARS-CoV-2.

Dada la importancia del campo del diseño de proteínas, se ensaya también con otros recursos. “Personalmente creo que el futuro no vendrá de la mano de Rosetta sino del aprendizaje de máquinas”, dijo la premio Nobel Frances Hamilton Arnold a The New Yorker. Durante una década la experta diseñó proteínas mediante métodos como la evolución dirigida y la selección de los grupos más promisorios de mutaciones, pero ahora entrena herramientas de "inteligencia artificial" para que lo hagan en su lugar. David Baker, por su parte, trabaja con redes neuronales; hace poco, agregó, su laboratorio “logró generar estructuras nuevas de proteínas, que lucen bastante convincentes, utilizando modelos de generación de aprendizaje profundo".

"Acaso el fin de la pandemia, como la cura de las enfermedades y muchas otras transformaciones de la vida humana, surja de alguna de estas combinaciones".

Frances Hamilton Arnold señaló que "las proteínas", a diferencia de los aviones, los puentes y otros artefactos de ingeniería, son maleables casi al infinito”, subrayó Matthew Hutson. "Esta característica especial de las proteínas hace que sean un ámbito para la ingeniería en el cual todas estas herramientas se pueden unir en sinergia”, dijo. “Por eso me entusiasma tanto y por eso me encanta lo que hace David Baker: porque todas estas herramientas necesitan unirse. Y, cuando lo hagan, nuestras capacidades para diseñar el mundo biológico se van a disparar”.

David Baker, diseñador de Rosetta, trabaja ahora con redes neuronales y modelos de generación de aprendizaje profundo. (Baker Lab)

En resumen, el diseño de proteínas es el diseño racional de nuevas moléculas de proteínas para diseñar una actividad, comportamiento o propósito novedosos y para avanzar en la comprensión básica de la función de las proteínas.

Existen dos métodos para el diseño de proteínas: el diseño racional (rational design) y la evolución dirigida.

En el primero se introducen cambios en ciertos aminoácidos mediante mutagénesis dirigida, basados en la hipótesis de que algunos cambios específicos causarán el efecto funcional buscado.

En la segunda se introducen mutaciones aleatorias en la proteína bajo estudio y se seleccionan sólo aquellas variantes que presentan las propiedades deseadas. Generalmente se emplean dos técnicas de biología molecular para realizar la mutagénesis aleatoria de genes aislados.

Como se ha visto, estas investigaciones muestran avances, más que prometedores, pero lo logrado comparado con las posibilidades de logros en el futuro es pequeño y sirve a los científicos dedicados al tema como una motivación y en la medida que estos temas logren permear a las nuevas generaciones, generará que se incremente el número de estudiosos, lo que sin duda acelerará descubrimientos hoy no imaginados.

Uno de los secretos en el desarrollo de nuevos científicos, es poner al alcance de los niños y jóvenes materia que despierte su curiosidad, les motive a profundizar en la materia y se logren incrementar las matrículas de las licenciaturas de las llamadas ciencias exactas. Desechando viejos mitos, actualizando la visión al proponer los logros que se están obteniendo.

El ocho de septiembre pasado, en esta Machincuepa Cuántica en el artículo "La mirada del Covid-19, realizada por el Instituto de Ciencia Nucleares de la UNAM". Comenté: Es un hecho que la doctora María del Pilar Carreón Castro forma parte de una nueva generación de mujeres talentosas, en las que se conjugan las inteligencias que un ser humano puede utilizar. Precisamente el Instituto, en el año 2016 al establecer las cuentas de sus integrantes acusaba dos tendencias, falta de científicos jóvenes y de científicas mujeres. Acciones como las antes referidas ayudarían en el mediano plazo la solución a la falta de "fuerza básicas".

Los roedores primos lejanos de los primates, o no tan lejanos.

Y empiezan a producirse inercias, entre los distintos talentos dedicados a la investigación y experimentación, y entonces eso me lleva a concluir que es más deseable la cooperación, que  la competencia, debido a que la primera permite que distintos equipos de trabajo avancen en varios frentes con el beneficio de compartir las informaciones que puedan fortalecer todas las  investigaciones en curso; mientras que la competencia quizás pondrá a varios equipos trabajando en la misma teoría, sin compartir información, en consecuencia de que solamente debe existir un ganador.

Neurociencia e Inteligencia Artificial, apenas una somera vista, pero que de ahora en adelante deberá acompañar los pasos de la investigación humana, y citó el título del libro:

Y el cerebro creó al hombre, cuyo autor el neurocientífico Antonio Damasio, nos dice  y adicionalmente pregunta:

¿Como pudo el cerebro generar emociones, sentimientos, ideas y el yo?

En los párrafos anteriores se mencionó el control de las emociones, a partir del cerebro y su conexión con el organismo, "neuronas y hormonas" trabajando juntas en beneficio del ser portador de ambas.

Aquí entonces, entramos en el segundo secreto que se. aborda en la Machincuepa Cuántica, segunda entrega de los temas en que los límites actuales de la humanidad en el saber se presentan apoyados por material de reciente aportación, que seguramente llevara a la superación de los mismos. El planteamiento: la Bioquímica Orgánica, la Inteligencia Artificial y aún la Neurociencia, lo actualiza y denota con claridad los puntos de mayor importancia para nosotros. Machincuepa Cuántica casi sin Covid-19.