Experimentos que cambiaran la percepción de la vida: El Higgs de Biología

Los biólogos tienen poco que envidiar a los físicos por lo general disfrutan de una financiación más generosa, más intereses comerciales y mayor apoyo popular. Pero podrían haber tenido un momento de envidia a los físicos pues en diciembre pasado cuando, tras una semana de acumulación y  especulación, los investigadores en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cerca de Ginebra, en Suiza hicieron un anuncio a un gran auditorio.

Los científicos tenían fuertes indicios del bosón de Higgs: la última pieza que falta en el modelo estándar que explica el comportamiento de las partículas subatómicas. El descubrimiento, de confirmarse, marcaría la culminación de una cacería que ha tomado años y costado miles de millones de dólares y daría forma al conocimiento sobre la materia en los próximos años. La comunidad de investigadores estaba eufórica. "Había un montón de rumores alrededor de lo importante que era la señal", añade Lisa Randall, física de partículas teórica en la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, que se levantaba a las 4 de la mañana a hablar con la prensa antes de ver el webcast de la presentación en el LHC. "Fue muy emocionante."

Todo esto llevó a preguntarme: ¿qué descubrimientos fundamentales de la biología podrían haber inspirado la misma emoción? Para ello le preguntamos a los expertos en diversos campos. La biología no es ajena a las colaboraciones internacionales para grandes y nobles objetivos,  la carrera por secuenciar el genoma humano se logro gracias a un esfuerzo internacional. Pero la mayoría de las misiones biológicas carecen de la precisión matemática y la satisfacción de sí hay o no respuestas que caracterizan a la búsqueda del bosón de Higgs. "La mayoría de lo que es importante esta desordenado y no da para un momento en el que se planta una bandera y se descorche el champán", añade Steven Hyman, un neurocientífico en el Instituto Broad en Cambridge, Massachusetts.

Sin embargo, nuestra encuesta informal muestra que el campo no tiene escasez de preguntas fundamentales que podrían llenar un auditorio con anticipación. Estas cuestiones se refieren a dónde y cómo empezó la vida, y por qué termina.

¿Hay vida en otros lugares?

 En 1964, el paleontólogo George Gaylord Simpson escribió un artículo interesante de exobiología, la búsqueda de vida en otros planetas. "Esta 'ciencia' aún tiene que demostrar que su objeto de estudio existe", escribió. La crítica punzante causo que muchos investigadores en el naciente campo se alejaran de la exobiología.

Pero no era justo, añade el científico planetario Christopher Chyba de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. Chyba durante años ha realizado búsqueda de vida en otros planetas similar a la búsqueda del bosón de Higgs: otra misión, cuyo tema nunca se ha demostrado que existe. "¿Por qué de repente se ríen por nada cuando está en juego la biología, en lugar de la física?" Escribió Chyba en una refutación de 2005 al ataque de Simpson.

La búsqueda de vida extraterrestre puede ser descrita como una manera de probar "un modelo estándar de la biología", dice el astrobiólogo Chris McKay de la NASA Ames Research Center en Moffett Field, California. "Es el modelo del ADN, de aminoácidos, proteínas y un código genético", añade. "Son las características comunes de toda la biología y el marco de todo lo que sabemos acerca de en que se basa la vida". Si la vida es diferente de este modelo estándar tal vez confiando en una bioquímica tremendamente diferente al encontrarse en otro planeta, se demostraría que no es más que una manera de producir un sistema vivo, añadio.

Otros dicen que no necesitan pruebas de esa "segunda génesis" para conseguir una emoción similar al descubrimiento de Higgs desde la perspectiva de vida en otros planetas. "Si encontramos nuestra misma biología, pero en Marte, sería muy emocionante", dice el bioquímico Gerald Joyce, del Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, California. "Entonces la pregunta sería: ¿de dónde provienen en primer lugar?".

Pero mientras que los cazadores del bosón de Higgs en Ginebra tienen una buena idea de qué buscar, los astrobiólogos buscan formas alternativas de vida frente a un desafío logístico más grande: averiguar que pistas son reveladoras. Las firmas químicas de compuestos que se asocian comúnmente con la vida, como el metano o el agua líquida, podría identificar planetas en donde buscar. Pero las firmas atmosféricas de vida es poco probable que sea convincente por si sola, considera Chyba.

Dentro del Sistema Solar, McKay pone su apuesta en tres hábitats, con más probabilidades de albergar vida: Encelado, una luna helada que órbita alrededor de Saturno que, de acuerdo a la nave espacial Cassini de la NASA, probablemente tiene agua líquida y está arrojando material orgánico de las grietas en su superficie; Marte, pero no el viejo Marte, Marte hoy en día y la luna de Júpiter, Europa, cuya superficie helada tiene tentadores mares de agua. El Laboratorio Científico de Marte, programado para aterrizar en el planeta rojo en agosto, contará con un espectrómetro de masa simple y un espectrómetro láser, lo que le permitirá detectar el metano y podría revelar signos preliminares de la vida. Pero la misión no está diseñada para proporcionar una evidencia definitiva.

Otra forma de búsqueda de vida es la búsqueda de moléculas orgánicas que son demasiado complejas para haber surgido por síntesis química simple, sin la ayuda de enzimas. "Digamos que usted viene a la tierra y recoge materia", dice McKay. "Se iba a encontrar todo esto de la clorofila y el ADN. Moléculas grandes y complejas que están claramente en abundancia y que son muy diferentes de lo que usted esperaría de una mezcla química" Encontrar esto requiere de equipo sofisticado, libre de contaminantes terrestres y, en la actualidad, no existen planes concretos para incluir el equipo en  viajes de la NASA a Marte o Europa. "Mi sensación es que las personas están tratando de evitarlo el mayor tiempo posible", añade Chyba. "El dinero es muy poco, pero en algún momento tendremos que hacerlo".

La búsqueda de fósiles en otros planetas es otra propuesta popular, considera Jeffrey Bada, un geoquímico planetario en el Instituto Scripps de Oceanografía en La Jolla. "Eso es bastante fácil", dice. "Pero si no los encuentran, ¿eso dice que la vida nunca existió allí?" McKay afirma que la evidencia fósil es una prueba para convencer a un campo.

¿Hay vida extraña en la Tierra?

Vida en otros planetas puede ser un momento Higgs, pero también la vida puede estar al acecho cerca de casa. Algunos han postulado la existencia de una "biosfera en la sombra" en la Tierra, llena de vida que ha pasado desapercibida ya que los científicos simplemente no saben dónde buscar. Podría contener vida que se basa en una bioquímica diferente, con diferentes formas de aminoácidos o incluso nuevas maneras de almacenar, reproducir y ejecutar la información hereditaria que no se basen en el ADN o las proteínas.

La idea no es tan descabellada como podría parecer, añade Steven Benner, químico de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada, en Gainesville, Florida. Los investigadores han encontrado biosferas en la sombra. La invención del microscopio reveló nuevos mundos, indica Benner, y el descubrimiento de un nuevo reino de los microorganismos, las Archaea, abrió una ventana a otra biosfera. "La pregunta es: ¿va a suceder de nuevo?"

El truco es decidir qué buscar y cómo detectarlo. La forma habitual de la búsqueda por investigadores de nuevos organismos  por secuenciación del ADN o ARN no recoge la vida que no depende de ellos.

 Algunos científicos han especulado que el barniz del desierto, un peculiar revestimiento color oscuro de origen desconocido, encontrado en las rocas del desierto, podría ser un producto de una biosfera en la sombra. Benner sugiere buscar en los rincones y grietas que no soportan la vida convencional, como las zonas con temperaturas extremadamente altas, los niveles de radiación o ambientes químicos agresivos.

Felisa Wolfe-Simon, ahora en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California, y sus colegas tomaron este enfoque cuando se buscaban vida en un medio ambiente rico en arsénico del lago Mono en California. A finales de 2010, se informó sobre el descubrimiento de una forma de vida que podría usar arsénico en lugar de fósforo en su ADN y las proteínas. Pero al menos un intento de reproducir el resultado ha fallado.

Otro enfoque es buscar con base en su tamaño. Si las células fueron liberadas de su dependencia a ribosomas voluminosos y las proteínas, podrían ser mucho más pequeñas, agrega Benner, puede haber vida escondida en rocas con poros de sólo nanómetros de ancho. Esa es la razón de ser de un proyecto que Juan Atkins, un genetista molecular de la Universidad de Utah en Salt Lake City, que está llevando a cabo con Richard Herrington del Museo de Historia Natural de Londres. Planean secuenciar los contenidos de las rocas de diferentes edades y orígenes, con poros de menos de 100 nanómetros de diámetro. En la detección de secuencias de ácidos nucleicos que carecen de código para las proteínas de los ribosomas, existe la esperanza de encontrar una forma de vida libre de proteínas que tenga sus raíces en el ARN, como se conoce la vida, probablemente sí, pero que surgió de forma independiente. "El mundo de ARN se cree que se originó, en términos geológicos, de forma relativamente rápida", dice Atkins. "¿Por qué no podría haber surgido de nuevo varias veces?"

¿Cómo empezó la vida?

Aunque las formas de vida alternativas eluden a los científicos, una visión más completa de como se originó la vida en la Tierra sin duda tendría un efecto dominó en la biología.

Joyce dice que llegará un punto en el que los investigadores aprendan a sintetizar la evolución, una replicación desde cero. Llegar allí no tendrá un "monolito, la gran marcha a través de la ciencia" que ha caracterizado a la búsqueda del bosón de Higgs, advierte. Pero va a responder a una cuestión biológica clave: ¿qué se necesita para crear vida a partir de una sopa primordial? Y eso podría dar una idea de cómo la vida en la Tierra comenzó. "Nunca sabremos a ciencia cierta, pero al menos se puede probar una hipótesis plausible", dice James Collins, biólogo sintético en la Universidad de Boston, en Massachusetts.

Varios laboratorios ya han avanzado. Joyce y sus colaboradores han sido pioneros en el trabajo sobre el concepto del mundo de ARN, en el que las moléculas de ARN son capaces de codificar la información y catalizar reacciones químicas, replicando y evolucionado más rápido lo que se degradadan. El ARN es muy inestable, y la idea es que con el tiempo, este sistema dio paso a ADN, un sistema más robusto para almacenar información, y el acomodo de las proteínas de un modo más versátil de las reacciones que catalizan. "La transición al ADN y las proteínas crearon el potencial para evolucionar hacia cosas más complejas", explica Bada.

En 2009, un documento del laboratorio de Joyce informó el desarrollo de un sistema de moléculas de ARN que se sometía a un sistema auto-sostenible de evolución darwiniana. Sin embargo, las enzimas y una mano humana eran necesarias para crear secuencias de ARN para empezar la reacción, dice Joyce, y hasta ahora su laboratorio no ha encontrado las condiciones que permitan que el sistema se forme espontáneamente. "Todavía estamos un poco consternados, Pero el sistema está funcionando cada vez de forma más eficiente".

Jack Szostak y sus colegas de la Harvard Medical School en Boston, han adoptado un enfoque diferente, que encierra moléculas de ARN en vesículas de ácidos grasos, como un primer paso hacia la creación de una célula primitiva. Las vesículas crecen y se dividen de forma espontánea, pero el material genético no se replica sin la ayuda de una enzima.

 Algunos creen que el ARN puede haber tenido un precursor. Ramanarayanan Krishnamurthy en el Instituto de Investigación Scripps, está probando nuevos polímeros de productos químicos orgánicos que pudieron haberse formado en la sopa primordial, en busca de los que podrían replicarse y evolucionar. "El ARN no fue la primera entidad viviente, Es demasiado complejo. Algo tuvo que preceder el ARN, y ahí es donde esta nuestro interés en estos momentos".

¿Podemos retrasar el final?

En una revisión de 1993, Partridge, Linda y Nicolás Barton, investigadores en envejecimiento en la Universidad de Edimburgo, Reino Unido, pronunciaron "un mensaje funesto" para el campo de la gerontología. La complejidad de las redes biológicas que influyen en el envejecimiento, escribieron "es muy poco probable que la ingeniería en unos pocos genes o la intervención en un puñado de vías fisiológicas evitará que el proceso se produzca".

Las cosas han cambiado "yo podía tolerar el debate hace 20 años", dice Richard Miller, que estudia el envejecimiento en la Universidad de Michigan en Ann Arbor. "Pero ahora es un error."

Unos ocho meses después de la publicación de la revisión de Barton, Cynthia Kenyon y sus colegas de la Universidad de California en San Francisco, informaron que las mutaciones en un solo gen permite al nematodo Caenorhabditis elegans vivir más de dos veces su promedio de vida. Tres años más tarde, un grupo dirigido por Andrzej Bartke, que estudia el envejecimiento en la Southern Illinois University en Springfield, informó que los ratones con una mutación única provocaba deficiencias hormonales a la altura de un 68% que en los ratones sin la mutación.

Ambos documentos, y un montón de trabajos, han sugerido que podría ser posible reducir significativamente el envejecimiento humano y sus enfermedades asociadas. Esta intervención podría tener un tremendo impacto en la sociedad, añadiendo años de salud y la productividad económica. Y científicamente, la capacidad de retardar el envejecimiento es igual que las preguntas fundamentales sobre la vida humana: ¿Por qué envejecemos, hay vías para controlarlo, y cuáles son las consecuencias si se apaga?

Hay indicios de que estas intervenciones puedan existir. En 2010, Miller y sus colegas demostraron que la alimentación de los ratones con un fármaco llamado rapamicina alargaba su vida media en un 10% para los hombres y 18% para las mujeres. Y recortar la ingesta de calorías en un 25-40% puede prolongar la vida en ratones y otros mamíferos. Pero no hay ninguna prueba de que estos enfoques funcionan en los seres humanos y, aunque lo hicieran, tampoco es posible engancharnos a la rapamicina para suprimir el sistema inmune, y pocas personas pueden tolerar la restricción en la dieta.

Un desafío importante para el campo es demostrar que un supuesto agente de prolongación de la vida realmente funciona algo que en seres humanos podría tomar 60 años o más. Jay Olshansky, que estudia el envejecimiento en la Universidad de Illinois en Chicago, dice que el campo debe establecer un objetivo concreto: un retraso de siete años en la aparición y progresión de enfermedades relacionadas con la edad. "Si nos fijamos en el riesgo, la mayoría de las cosas van mal con nosotros a medida que envejecemos, y van relacionadas con la edad y estos problemas se duplica aproximadamente cada siete años", dice. "Si se elimina una duplicación, se reduce el riesgo de que todo a la mitad. Sería monumental".

Miller tiene una meta diferente. "Vamos a tener la respuesta cuando tengamos algo que se pueda clocar en la comida para perros extiende la vida útil del perro promedio de un 15 a un 20%", dice. Los perros ofrecen un ideal intermedio entre ratones y seres humanos, dice Miller: se les considera una especie de larga vida y viven lado a lado con los seres humanos.

Pero las observaciones de Partridge y Barton acerca de la complejidad del envejecimiento siguen vigentes. La mayoría de los investigadores reconocen que se está empezando a entender las redes moleculares que regulan el envejecimiento y sus enfermedades asociadas. "No creo que haya una causa de envejecimiento", dice Brian Kennedy, presidente del Instituto Buck de Investigación del Envejecimiento en Novato, California. "Sin embargo, existen vías que están diseñadas para modular muchas cosas a la vez. Creo que muchos de los genes y las drogas que estamos estudiando están recurriendo a ellos".

En este punto, un tratamiento que prolonga la vida parece una perspectiva mucho más distante de la confirmación del bosón de Higgs. El mes pasado, los investigadores anunciaron un bache en los datos del Tevatron, el colisionador de partículas del Fermilab en Batavia, Illinois, que es consistente con los resultados del LHC. Se ha añadido a la excitación de los físicos que están en el umbral del descubrimiento.

El envejecimiento, sin embargo, "es casi la inversa completa de la situación de la partícula de Higgs", reflexiona Thomas Kirkwood, un líder en el campo de la Universidad de Newcastle, Reino Unido. "Todo lo que estamos aprendiendo nos dice que es muy poco probable que encontremos una causa única".

Con información de: http://www.nature.com