Nanotecnología viva E-Book

Sonia Contera

• Herausgeber: Arpa
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 365

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Sonia Contera, catedrática de Física en la Universidad de Oxford, ofrece una perspectiva privilegiada de la «nanoescala» —el reino infinitesimal de las proteínas y el ADN— y revela cómo la nanotecnología transformará la salud y la longevidad humanas. Basándose en su experiencia como una de las investigadoras más destacadas de la actualidad en este campo, Contera describe las apasionantes formas en que la nanotecnología permite comprender, interactuar y manipular la biología. Un avance histórico que está revolucionando la medicina de formas que tendrán profundos efectos en nuestras vidas. Desde máquinas a nanoescala que pueden dirigirse a células cancerosas y administrar fármacos con mayor eficacia, hasta nanoantibióticos que combaten bacterias resistentes, pasando por la ingeniería de tejidos y órganos para trasplantes o la investigación en farmacología. El futuro traerá consigo la fusión de la nanotecnología con la biología, la física, la medicina y campos de vanguardia como la robótica y la inteligencia artificial, lo que nos conducirá a una nueva «era transmaterial». Mientras contemplamos el poder, las ventajas y los riesgos de este avance, Contera nos invita a reflexionar sobre las oportunidades que emergen de los laboratorios para utilizar la tecnología con el fin de crear un futuro más justo y humano. La crítica ha dicho... «De lectura obligada para los interesados en la interfaz entre nanotecnología y biología». Eric Mazur, Universidad de Harvard «Una brillante introducción a esta ciencia transmaterial». Barbara Kiser, Nature «La visión de Contera es asombrosa». K. Eric Drexler, creador del concepto «nanotecnología» «Nanotecnología viva se basa en las aventuras de Contera en la ingeniería a escala molecular para anunciar el poder de la nanotecnología y su promesa de rediseñar tejidos y transformar vidas». New Scientist «Las historias que presenta son realmente fascinantes». Petra Rudolf, Universidad de Groninga

Leseprobe

NANOTECNOLOGÍA VIVA

Título original: Nano Comes to Life

© del texto: Princeton University Press, 2019

© de esta edición: Arpa & Alfil Editores, S. L.

Primera edición: mayo de 2023

ISBN: 978-84-19558-16-9

Diseño de colección: Enric Jardí

Diseño de cubierta: Anna Juvé

Maquetación: Compaginem Llibres, S. L.

Producción del ePub: booqlab

Arpa

Manila, 65

08034 Barcelona

arpaeditores.com

Reservados todos los derechos.

Ninguna parte de esta publicación puede ser reproducida, almacenada o transmitida por ningún medio sin permiso del editor.

Sonia Contera

NANOTECNOLOGÍA VIVA

SUMARIO

PREFACIO Y AGRADECIMIENTOS

ABREVIATURAS

INTRODUCCIÓNLas ciencias convergen en la biología para transformar la medicina

CAPíTULO 1La inmersión en la complejidad de la biología

CAPíTULO 2Aprender haciendo: Nanotecnología con ADN y con proteínas

CAPíTULO 3La nanotecnología en la medicina

CAPíTULO 4Ingeniería de tejidos y órganos

CAPíTULO 5Conclusiones: La vida lo cambia todo

EPÍLOGOLa biología se convierte en física: ¿Nuestra mayoría de edad como especie tecnológica?

NOTAS

ANEXOS

Para Arturo e Isadora

PREFACIO Y AGRADECIMIENTOS

La convergencia progresiva de las ciencias en el siglo XXI y, en particular, la fusión de disciplinas en la frontera de la física, la nanotecnología, la biología y la medicina, ha compuesto el paisaje de mi propia carrera científica a través de las ciencias, los continentes y las culturas. Tras un periplo de estudios y trabajo que transcurrió primero de la física a la nanotecnología y después a la biología y que me trajo de nuevo a la física, llevándome en el proceso de España a Rusia, China, Chequia, Japón, Dinamarca y el Reino Unido, en 2007 me convertí en codirectora del Instituto de Nanociencia para la Medicina, un programa de investigación en la Oxford Martin School de la Universidad de Oxford. La escuela se creó con una dotación de James y Lillian Martin para convertirse en un centro en el que todas las disciplinas académicas relevantes se reunieran con el objetivo de investigar y debatir los retos y oportunidades del siglo XXI. Animada por la vocación de la Oxford Martin School de comunicarse con el público, empecé a dar conferencias de divulgación sobre nanotecnología y el futuro de la medicina y la biología, que estaban fuertemente arraigadas en mi forma de ver el mundo desde el punto de vista de la física, que es mi profesión y mi vocación. A pesar del ritmo acelerado de la convergencia científica, la comunidad científica ha sido más lenta a la hora de reflexionar sobre cómo la fusión de disciplinas está transformando las formas de trabajar y pensar en la naturaleza, por lo que mis conferencias eran también intentos de satisfacer mis propias necesidades como profesional de la ciencia. Hablar de estos temas en público ante audiencias científicas y no científicas se ha convertido en una parte importante de mi actividad académica, y me ha llevado a reflexionar más sobre las implicaciones, historia y contexto de mi investigación. Ahora doy estas conferencias en muchos países y a una amplia variedad de audiencias. Esto me ha permitido conectar con comunidades muy diversas y darme cuenta de la gran curiosidad del público sobre estas tecnologías convergentes que tanto definen nuestro presente y muy probablemente conformarán nuestro futuro.

Así que cuando mi editora en Princeton University Press, Ingrid Gnerlich, me propuso escribir este libro, decidí hacerlo a pesar de tener una pesada carga académica y de investigación y dos hijos pequeños. Gente de todas las procedencias parece disfrutar de las historias científicas que cuento. Vivimos tiempos apasionantes; los avances en nuestra comprensión de la realidad física y biológica que nos rodea y nos rodeará se están acelerando exponencialmente. La convergencia de las ciencias está trayendo una revolución no solo en la tecnología, sino también en nuestra relación física, cultural y filosófica con el mundo material. Es el momento de pensar y hablar sobre un presente que cambia rápidamente, y de imaginar colectivamente los futuros positivos que nuestras nuevas tecnologías podrían hacer posibles. Es mi intención que este libro contribuya a la conversación de manera constructiva.

Agradezco el apoyo y la paciencia de mi familia, y el amable estímulo de mi editora; agradezco también a los amigos y colegas que han leído y comentado las primeras versiones del manuscrito: Charles Olsen, Rosario Ruibal Villaseñor, Alberto Merchante, Ibon Santiago y Lina Gálvez. También me he beneficiado de la generosidad del colectivo de artistas teamLab, que me proporcionaron imágenes e inspiraron algunas de las ideas del libro. Muchas conversaciones han sido importantes para dar forma a mi pensamiento, especialmente las mantenidas con el físico Jacob Seifert, mi director de doctorado Hiroshi Iwasaki, la directora de cine Alison Rose y la historiadora de las matemáticas Agathe Keller.

Prefacio a la edición en español

La primera edición de este libro se publicó en inglés con el título Nano comes to life: How nanotechnology is transforming medicine and the future of biology en 2019, simultáneamente en Estados Unidos y en el Reino Unido. El libro ha cambiado mi vida de muchas maneras y ha atraído la atención del público científico y no científico en muchos lugares del mundo, motivando nuevas ediciones en inglés y otros idiomas. Es una alegría para mí poder traducir el libro para Arpa Editores y conectar así con los lectores en mi lengua materna. Esta oportunidad se propició a través de una entrevista sobre el libro que me hizo Javier Salas para el periódico El País en 2022, que leyó mi editor, Joaquín Palau. Les estoy muy agradecida a los dos.

Esta edición en español es oportuna porque los temas centrales del libro, la nanotecnología en medicina y biología, la transformación de las ciencias y tecnologías que convergen con la biología en el siglo XXI y su efecto en las personas, han tomado un carácter importante desde el inicio de la pandemia de COVID-19 a principios de 2020. Cuando las nanovacunas de Moderna y BioNTech-Pfizer hicieron su aparición casi milagrosa en 2021 transformaron nuestras vidas y el futuro de la medicina para siempre. La nanomedicina es ya una realidad. Además de las nanovacunas, cuya irrupción anticipé en la primera edición del libro, se han materializado otros avances que también pronostiqué, por ejemplo, la llegada de Alphafold, la empresa de Google DeepMind que usa la inteligencia artificial para calcular la estructura de las proteínas y que también representa un avance muy transformador. Aunque la traducción es fiel al original en inglés, he añadido algunos párrafos a la edición en español para ponerla al día con estos nuevos adelantos.

Oxford, 22 de octubre de 2022

ABREVIATURAS

ADN:

ácido desoxirribonucleico

IA:

inteligencia artificial

PET:

tomografía por emisión de positrones

Unidades de longitud:

m, metro; mm, milímetro; cm, centímetro; nm, nanómetro

ARN:

ácido ribonucleico

A, C, G, T:

adenina, citosina, guanina y timina, las bases del ADN

STM:

microscopía de barrido tunneling / microscopio

AFM:

microscopía de fuerza atómica / microscopio

C:

grado Celsius (temperatura)

ATP:

trifosfato de adenosina

3-D:

tres-dimensiones

RMN:

resonancia magnética nuclear

SARM:

Staphylococcus aureus resistente a la meticilina

FDA:

Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos

INTRODUCCIÓN

LAS CIENCIAS CONVERGEN EN LA BIOLOGÍA PARA TRANSFORMAR LA MEDICINA

La biología, el estudio de la vida en la Tierra, se ha convertido en el tema más investigado por la ciencia moderna. Más allá de las perpetuas preocupaciones humanas por la salud, la mortalidad y la búsqueda de nuestro lugar e identidad en el universo, el poder oculto en la complejidad de la biología está haciendo que casi todas las ramas de la ciencia y la tecnología graviten hacia el estudio de la vida de una manera o de otra. La biología está dejando de ser territorio soberano de biólogos, bioquímicos, farmacólogos y médicos; en el siglo XXI, la física, las matemáticas, las ingenierías y las ciencias de la computación y la robótica convergen con las disciplinas biológicas más tradicionales para buscar una comprensión más profunda de la vida en todas sus multifacéticas y dinámicas estructuras, funciones y manifestaciones. En el complejo y turbulento tiempo en el que vivimos, donde los humanos nos sentimos cada vez más desorientados, el funcionamiento interno de la biología y su profunda relación con el significado de la vida y el origen de la inteligencia se han convertido en el foco de la creatividad humana, engendrando innovaciones tecnológicas, sociales y culturales que en el mejor caso contribuirán a la supervivencia y el progreso de la humanidad, o en el peor podrían llevarnos a la extinción. Como profetizaron artistas, filósofos y escritores del siglo XIX, expandir el dominio de la tecnología a la biología cambia fundamentalmente el sentido mismo de la ciencia y del científico o tecnólogo. En el siglo XXI las profecías se hacen realidad y el poder que nos permite usar la biología en nuestras invenciones tecnológicas se ha materializado, ya está aquí.

El apetito de las ciencias por la biología busca satisfacción en todas sus dimensiones espaciales (desde las moléculas de tamaño nanométrico, hasta las células que se miden en micras y los animales y plantas eucariotas que alcanzan metros de largo1) y en todas sus manifestaciones, desde la alucinante diversidad de forma y acción que existe en su inventario molecular, hasta las fuerzas y procesos que impulsan el preciso ensamblaje de una intrincada proteína, la membrana lipídica de las células o de un cromosoma de ADN. En el siglo XXI la ciencia busca conocimiento en las moléculas individuales, las células, los tejidos, los organismos y los ecosistemas; este esfuerzo e interés incluye el estudio de cómo las estructuras biológicas dan lugar a las «inteligencias» individuales y colectivas2 que permiten a los seres vivos sobrevivir en la Tierra.

Aparte de la búsqueda pura del conocimiento, el beneficio económico y la influencia o incluso la transformación social son los motores cotidianos de la ciencia y aún más de la financiación de la investigación. En el complejo contexto social en el que se desarrolla la actividad científica, la motivación de los investigadores por todo lo biológico es a menudo tecnológica. Los beneficios tecnológicos potenciales de la biología son tan diversos como las nuevas disciplinas que evolucionan a partir de los conocimientos extraídos de ella. Por ejemplo, los informáticos están muy interesados en conocer los detalles de la organización del cerebro humano para poder reflejar la conectividad en capas entre sus neuronas en la estructura de sus algoritmos; esperan que esto conduzca a una inteligencia artificial (IA) muy mejorada, así como a una mejor comprensión de nuestra propia capacidad de pensamiento. Los científicos de materiales y los roboticistas se inspiran en el montaje de estructuras biológicas para diseñar nuevos materiales y robots «bioinspirados». En los departamentos de física, los científicos estudian las proteínas responsables de la fotosíntesis en plantas y bacterias, buscando recetas biológicas que puedan adoptarse en los ordenadores cuánticos del futuro.

Por muy vigorosa y dedicada que sea la actividad de investigación biológica de estos nuevos actores, la medicina sigue ocupando el centro del escenario como principal motor intelectual, social y económico de la investigación biológica. La medicina ayuda a atraer los fondos para hacer investigación, pero fundamentalmente desempeña el papel de integradora del conocimiento. Las ciencias y tecnologías que convergen en la biología llegan por caminos diferentes y apuntan a objetivos dispares, pero la medicina disipa las barreras culturales entre disciplinas, facilitando su fusión en la búsqueda de mejores estrategias para descubrir las causas últimas de la enfermedad y mejores intervenciones para preservar y restaurar la salud.

Entender la enfermedad y curarla es un reto tan complejo que requiere trabajar en equipo, «todos a una», combinando todos los conocimientos técnicos y científicos disponibles. La investigación médica de vanguardia ya combina los últimos avances en IA, ciencia de los materiales y robótica, y sin duda utilizará los ordenadores cuánticos o neuromórficos cuando estén disponibles. Como puede atestiguar cualquiera que haya estado en un hospital moderno, la mayoría de las tecnologías humanas acaban siendo adaptadas para su uso en la clínica de un modo u otro: desde el humilde termómetro hasta la física de los positrones en los escáneres PET para obtener imágenes de tumores, las aplicaciones de los teléfonos móviles para controlar la fertilidad, y la edición de genes para erradicar enfermedades. El hospital es el medio de cultivo más propicio para que el conocimiento científico y técnico se conciba, nazca, se combine con otras ramas de la ciencia y crezca.

La diversidad, la intensidad y la velocidad de avance de la investigación actual indican inequívocamente que vivimos en tiempos prerrevolucionarios tanto en biología como en medicina. Las respuestas a las antiguas y eternas preguntas que han ocupado a los seres humanos desde sus primeros pasos, el origen y la diversidad de la vida y la procedencia de nuestra inteligencia y consciencia y nuestro papel en el universo, están todavía lejos de ser encontradas. Sin embargo, las aceleradas y cada vez más potentes fusiones interdisciplinarias nos hacen sentir que nos encontramos ante un punto de inflexión, y que pronto nos deslizaremos irremediablemente hacia el advenimiento de las tecnologías que transformarán nuestra comprensión y el control de nuestra propia biología. De manera extraordinariamente novedosa y eficaz, estas nos darán quizá los poderes para curarnos y prolongar y transformar nuestras vidas. O por lo menos con eso soñamos los que nos dedicamos a la ciencia, y las sociedades y la historia que nos empujan hacia esas visiones.

NANOTECNOLOGÍA EN BIOLOGÍA Y MEDICINA

Un paso necesario hacia esta situación prerrevolucionaria en biología fue, y sigue siendo, el desarrollo de la nanotecnología: la capacidad de visualizar, interactuar, manipular y crear materia a escala nanométrica. Esto se debe principalmente a que los principales actores moleculares de la biología, y las principales dianas de los fármacos y tratamientos en medicina (las proteínas, el ARN y el ADN) son de tamaño nanométrico. La nanotecnología es la interfaz tecnológica con la materia nanodimensional, vincula directamente el mundo macroscópico de nuestras percepciones con el mundo nanoscópico de las biomoléculas individuales. Para llegar al «paraíso médico» (el poder de restablecer la salud perfecta, si es que se puede saber lo que eso significa) necesitaríamos saber qué papel desempeñan las moléculas en un entorno específico, por qué y cómo funcionan mal en una enfermedad, y lo más importante, cómo llegar a ellas, dirigirlas, desactivarlas o activarlas para reestablecer la salud. En este sentido «espacial», la medicina es paralela a la nanotecnología: para curar, necesitamos atravesar el espectro de la escala desde el tamaño macroscópico del médico hasta la escala nanométrica de las biomoléculas, navegando a través de intrincadas estructuras biológicas del paciente, empezando por los órganos, y adentrándonos en los tejidos que los forman, para seguir haciendo zoom en las células y más allá, hasta llegar a los millones de elementos moleculares diferentes que las constituyen (se estima que una humilde célula de levadura contiene unos 42 millones de proteínas, por ejemplo). Es decir, miramos la biología a través de las escalas de espacio y tiempo, como una «estructura multiescalar», teniendo en cuenta la manera en que las partes más pequeñas se ensamblan e interactuan para crear sistemas cada vez más grandes hasta llegar a lo macroscópico. Y al revés, cómo el comportamiento macroscópico altera la estructura y la función de los constituyentes moleculares.

Uno de los principales objetivos de la nanotecnología desde sus inicios ha sido crear herramientas y técnicas que nos hagan capaces de interactuar con moléculas biológicas clave de una en una, directamente en su medio biológico real, y de este modo acercarnos al sueño médico de poder entender y controlar biomoléculas individuales en un individuo enfermo. Seguimos trabajando en ello, y este libro es, en parte, un esfuerzo por mostrar hasta dónde hemos llegado.

Además de introducir nano-herramientas que permiten nuevas investigaciones biológicas y médicas, la nanotecnología ha hecho quizás una contribución más fundamental: atraer a los físicos (como yo) a la biología. En las últimas décadas del siglo XX, principalmente desde los años ochenta, los químicos empezaron a crear nanomateriales artificiales, y, por su parte, los físicos fabricaron los instrumentos de la nanotecnología, los microscopios y los dispositivos de nanomanipulación. Gracias a estos avances, un gran número de físicos interesados en la materia a escala nanométrica empezaron a preguntarse si estos nuevos equipos serían útiles para investigar cómo y por qué la biología surgió en la Tierra utilizando bloques de construcción nanodimensionales (las biomoléculas) en el medio del agua (salada). A los físicos siempre nos motiva lo mismo, por qué y cómo el universo crea la realidad que vemos y cómo creamos nosotros maneras de entender e interpretar esa realidad tan compleja; muchos sentimos que los nuevos instrumentos que nos dejaban «ver y tocar» la nanoescala nos empujaban directos hacia la biología. Fascinados por el acoplamiento de la física y la química que da lugar a la función biológica, bastantes físicos de mi generación se centraron en utilizar los métodos de la nanotecnología para conocer el funcionamiento de las proteínas, el ADN y otras biomoléculas importantes de tamaño nanométrico. En el proceso, se convirtieron en físicos biológicos o biofísicos, buscando respuestas a preguntas científicas profundas, como por ejemplo: ¿Por qué la vida en la Tierra surgió de materia blanda, de polímeros? ¿Por qué estamos hechos de polímeros doblados en las formas específicas de las proteínas? Otros, más prácticos, vieron oportunidades para diseñar nanomateriales que pudieran utilizarse para tratar enfermedades de una manera más precisa y racional, mejorando los tratamientos farmacológicos existentes; estos últimos se convirtieron en lo que ahora denominamos científicos de la nanomedicina.

Esta actividad interdisciplinar condujo al desarrollo de herramientas construidas específicamente para estudiar los procesos biológicos y sus nanoactores en condiciones fisiológicas (agua templada y salada). A medida que los nanocientíficos pioneros ampliaron sus conocimientos sobre biología, erosionaron las fronteras entre las ciencias de los materiales, la física, la química y la biología, surgiendo así una nueva generación de investigadores que trabajan de forma natural en todas las disciplinas y ya no reconocían las barreras intelectuales o culturales para interactuar con cualquier otro campo científico.

LA NUEVA FÍSICA DE LA BIOLOGÍA

La llegada de la nanotecnología a las ciencias de la vida y de la salud contribuyó a que una cantidad creciente de físicos tomara interés por la biología, haciéndola progresivamente el centro de sus investigaciones, y aportando ojos y miradas frescos al estudio de la vida para contribuir con nuevas técnicas a la resolución de problemas persistentes y difíciles de resolver con el enfoque tradicional de las ciencias biológicas. Los experimentos de los biofísicos se diferencian de la mayoría de las investigaciones biológicas y bioquímicas en que se guían por hipótesis «mecanicistas», es decir, persiguen datos cuantitativos que ayuden a explicar el mecanismo del funcionamiento real del proceso estudiado, aunque el proceso sea complejo y tenga más de una causa. La pregunta tradicional de un científico biológico es: «¿Quién [qué molécula] hace algo y dónde?»; para un físico las preguntas son distintas: «¿Cómo y por qué lo hace, y puedo describirlo con un modelo matemático?», es decir, ¿puedo predecir un proceso biológico o no, y cuándo es posible hacerlo? Cuando se observan los sistemas biológicos a través de los ojos de un físico, se buscan los parámetros clave que sirvan para explicar cómo funciona ese sistema en el contexto global de la vida, la materia, la energía y la información: ¿es el tamaño, la temperatura, la energía, la velocidad, la estructura, la rigidez, la carga, la actividad química, o cómo maneja información sobre el ambiente?

Fundamentalmente, el objetivo último de los físicos es crear modelos matemáticos basados en la «intuición física» y/o simulaciones en ordenador de procesos biológicos que puedan utilizarse para describir esos mecanismos, aunque las matemáticas que lo describan estén por inventar… En la física no hay receta, se avanza combinando experimento, modelo, intuición, creación de nuevos instrumentos y… se vuelve a empezar. Como explicó el filósofo de la ciencia Paul Feyerabend, «no hay método» que lleve a un modelo físico de la realidad con éxito por un camino fijo. Si el modelo matemático reproduce e incluso predice la biología del proceso, entonces empezamos a conocer las cantidades y fuerzas fundamentales reales que lo impulsan. El mérito de este enfoque cuantitativo de la biología es que crea un poder formidable: modelos matemáticos precisos y contrastados experimentalmente se pueden usar para predecir el comportamiento de sistemas biológicos específicos en el ordenador o, en la jerga científica moderna, in silico, sin necesidad de experimentos. Esto significa que, si tienen éxito, los modelos matemáticos pueden utilizarse para abandonar progresivamente los métodos de ensayo y error de las ciencias biológicas, médicas y farmacológicas tradicionales. Estos suelen ser penosamente lentos y costosos y, como demuestra a menudo el desarrollo de nuevos fármacos, ineficaces. El enfoque de la modelización por ordenador ya se utiliza por ejemplo en la ingeniería civil moderna, la aeronáutica y la arquitectura, donde las simulaciones por ordenador combinadas con el conocimiento cuantitativo de las propiedades mecánicas (por ejemplo, elasticidad, viscosidad, resistencia, rigidez) de los materiales utilizados en la construcción son empleadas de forma rutinaria por los ingenieros para probar la viabilidad de los diseños in silico antes de realizar cualquier trabajo de construcción real, abaratando los costes y evitando accidentes. Aunque parezca un sueño inalcanzable, este enfoque ya está haciendo su entrada en la medicina y empresas farmacéuticas como Nektar Therapeutics, Genentech, Novartis, Pfizer, Merck, Takeda y Amgen están usando ya modelos matemáticos en sus ensayos preclínicos de medicinas. Además, la agencia norteamericana de regulación de medicamentos (FDA) tiene un programa específico (Model-Informed-Drug-Development) para regular estos modelos matemáticos y también para alentar a las empresas a que inviertan en esta área específica.

Sin la invención de técnicas capaces de monitorizar cuantitativamente la biología en toda su complejidad dinámica y jerárquicamente estructurada, desde la escala nanométrica de las proteínas y el ADN hasta las células y los tejidos de los cuerpos vivos, la adopción de este enfoque cuantitativo en medicina era totalmente imposible. Actualmente estas técnicas se usan sobre todo para obtener información sobre biomarcadores (moléculas que permitan monitorizar el progreso de una enfermedad o el efecto de un fármaco). Pero en el futuro serán capaces de ir más allá e interrogar las causas de la aparición de esos biomarcadores, y de extraer los parámetros físicos y químicos clave que permitan desarrollar modelos matemáticos correctos para hacer viable un modelo informático cada vez más poderoso.

Una vez que se disponga de información experimental a escala nanométrica de moléculas individuales, podrá utilizarse para construir modelos que describan el funcionamiento de, por ejemplo, las proteínas o el ADN en su entorno natural y en la enfermedad. La capacidad de modelar moléculas individuales se integrará progresivamente con la aparición de técnicas capaces de extraer y acumular cantidades enormes de datos sobre esas moléculas en entornos biológicos complejos y en tiempo real. Además, los algoritmos de IA (como los del aprendizaje automático o «machine learning» en inglés) se utilizarán cada vez más para el análisis de los big data (grandes cantidades de datos) biológicos.3 La integración de la física biológica con los big data biológicos y los modelos de IA dará lugar a modelos de la vida cada vez más precisos e inteligentes. Sin embargo, la física del siglo XX nos enseña que, en los sistemas muy complejos e interconectados, conocer el funcionamiento de los bloques de construcción no es suficiente para predecir el comportamiento del conjunto: a grandes escalas, los organismos muestran comportamientos que sus componentes más pequeños no tienen, o que no pueden explicarse a partir de las relaciones entre sus bloques de construcción moleculares. Esto se debe a que la materia organizada de forma compleja presenta fenómenos colectivos que surgen de las interacciones cooperativas entre los bloques de construcción o, como decimos en física, estas propiedades emergen. Algunos ejemplos de fenómenos emergentes en la biología en la escala de las células (que son típicamente de tamaño de 50-100 micras, aunque hay mucha variabilidad y pueden llegar a varios metros de largo) son los movimientos y la división celulares y el potencial de acción en las neuronas, y en la escala macroscópica las ondas eléctricas en el cerebro, y todos los comportamientos de los organismos vivos como comer, sentir y hasta pensar. Ninguno de estos fenómenos puede predecirse a partir del mero conocimiento de las moléculas que constituyen una célula o un organismo determinado. Esto significa que, en términos prácticos, a medida que nos alejamos de la nanoescala a la microescala, los modelos matemáticos de nanoescala tienen que adaptarse para poder integrarse y ser coherentes con los modelos que describen correctamente el comportamiento celular emergente de la actividad a escala micrométrica.

Del mismo modo, el nivel celular debe integrarse en los modelos de los niveles tisular y de todo el organismo. Un ejemplo sería un modelo matemático de un tumor que fuera capaz de relacionar su forma, tamaño y patrón de crecimiento con las propiedades de las células individuales del tumor; en el siguiente nivel de tamaño, el modelo debería incorporar cómo las propiedades celulares están conectadas con su actividad molecular y genética. En principio, este modelo podría utilizarse para diseñar un tratamiento «multimodal», es decir, un régimen de tratamiento que se dirigiera a las moléculas individuales tanto directa como indirectamente. Por ejemplo, la combinación de la administración de fármacos de nano-precisión con un tratamiento físico, como la aplicación de señales eléctricas o mecánicas al tumor, permitiría a la vez apuntar a moléculas específicas y también interaccionar con todo el tumor a través de los fenómenos físicos y químicos que vinculan las diferentes escalas espaciales y temporales de su estructura. En otras palabras, permitiría controlar simultáneamente la biología del tumor a nivel molecular, celular y tisular. La dificultad para llegar a este tipo de tratamiento es formidable, pero las herramientas que lo harían posible se están ya desarrollando en centros de investigación y empresas biomédicas.

Podemos establecer algunos paralelismos con el pasado. A principios del siglo XX, la llegada de técnicas que hacían posible el estudio de los átomos condujo al desarrollo del campo de la Mecánica Cuántica.4 Esto, a su vez, llevó a la creación de los modelos matemáticos sobre los que se basó el desarrollo de la Física Teórica del Estado Sólido (que es un área de especial relevancia histórica en la física española, aunque esa historia no es para este libro), que logró explicar con éxito cómo las propiedades macroscópicas de los sólidos cristalinos5 surgían del orden, la simetría y la naturaleza de sus átomos. En última instancia, estos modelos matemáticos corroborados por experimentos sentaron las bases teóricas de la electrónica moderna presente en nuestros teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos, y que está basada en semiconductores como el silicio y otros materiales cristalinos.

Aunque la biología es inmensamente más compleja que los sólidos cristalinos, las tendencias actuales de la investigación en todas las ciencias que convergen en la biología indican sin asomo de duda que la tarea colosalmente ardua de construir modelos físicos de organismos vivos ya está en marcha. Estamos avanzando, todavía lentamente, pero a un ritmo inexorable, hacia la descripción cuantitativa y matemática de los fenómenos biológicos —en otras palabras, la física de la vida—. Esto no significa que los físicos pensemos que la vida sea un proceso determinístico que se puede predecir en su totalidad, al contrario, este enfoque abre más preguntas sobre lo que se puede y no se puede predecir en la salud y en la enfermedad de los seres vivos y en qué circunstancias.

En este nuevo horizonte biológico, la visión reduccionista de la generación anterior, que se esforzaba por presentar a los organismos como meros ordenadores bioquímicos que ejecutaban un programa, un algoritmo codificado en los genes, ha sido puesta en tela de juicio. Frente a la mirada a menudo escéptica de los biólogos moleculares y los bioquímicos, los científicos expertos en nanotecnología, ingeniería, física y matemáticas están desplegando lentamente sus planes para investigar e interpretar los procesos genéticos, químicos y físicos que subyacen a la vida y la salud, y para predecir o explicar matemáticamente la biología que subyace a las enfermedades y los traumatismos usando combinaciones de sus armas favoritas tradicionales y otras de más moderna invención: la intuición humana, las simulaciones matemáticas y la IA basada en algoritmos como las redes neuronales artificiales. Es bastante probable que interpretar la biología sea tan complejo que los modelos matemáticos que la describan no sean viables en ordenadores digitales tradicionales, y que en el futuro se usen combinaciones de computaciones digitales y analógicas (por ejemplo, en ordenadores neuromórficos) e incluso en computadores cuánticos. La biología cambiará la física y sus herramientas, incluidas las matemáticas, porque la biología no funciona como un computador digital.

En la medicina moderna, la personalización del tratamiento para cada individuo es cada vez más prioritario, ya que cada paciente responde a terapias y tratamientos de manera distinta, lo que dificulta mucho la labor de los médicos. Si se quiere lograr este objetivo es necesario tener en cuenta muchos factores biológicos y ambientales específicos de cada paciente. La única manera de entender cómo todos estos factores y marcadores biológicos se pueden usar para determinar si un tratamiento es efectivo o no en un paciente pasa por el uso de modelos matemáticos y simulaciones capaces de relacionar datos específicos del paciente con el tratamiento que mejor se le adapta. En la actualidad, los medicamentos y su uso se determinan en la mayoría de casos mediante interminables y costosas rondas de ensayos de prueba y error, y ensayos clínicos que buscan recetas y protocolos que funcionen para una mayoría aceptable de pacientes, y que no tengan reacciones adversas inaceptables. Las nuevas tecnologías y su capacidad para monitorizar marcadores biológicos, información genética, población del microbioma intestinal, además de otros factores fisiológicos como el peso, la temperatura, etcétera, tendrán la capacidad de generar muchos datos sobre cada paciente. El reto será tener cada vez más modelos que nos ayuden a interpretar todos esos datos y a usarlos de manera efectiva en el tratamiento. Muchas empresas y centros de investigación están empezando a usar la IA para entender mejor los diferentes perfiles de cada paciente, pero la cantidad de datos y la complejidad de la biología son tales, que es improbable que la IA por sí misma sea capaz de llevarnos en todos los casos a la medicina personalizada. En los casos más complejos necesitaremos una combinación de modelos mecanísticos, quizá llevados a cabo en computadores analógicos, que incluyan hipótesis sobre las causas últimas de la enfermedad, con la capacidad de la IA de identificar los patrones de los datos.

LA TRANSFORMACIÓN DE LA BIOLOGÍA Y LA MEDICINA

En este libro intento exponer y dar sentido a la realidad que estoy viviendo y presenciando como física que trabaja entre disciplinas. Dada la trayectoria de mi propia carrera científica, me encuentro en una buena posición para contar la historia de cómo los esfuerzos combinados de los científicos físicos y matemáticos, ayudados por el auge de la nanotecnología y de las nuevas técnicas experimentales y teóricas cuantitativas, están transfigurando la biología y construyendo lentamente la capacidad de identificar y combatir los principales desafíos de la medicina moderna. Hacer medicina significa ocuparse del intrincado, dinámico, tortuoso y jerárquico ensamblaje de una miríada de bloques de construcción de tamaño nanométrico que constituye un organismo vivo. Para curar, necesitamos llegar a células, proteínas y ADN específicos con concentraciones optimizadas de agentes terapéuticos diseñados con precisión; para curar y regenerar, necesitamos comprender y reproducir el entorno a nanoescala de las células sanas en los tejidos y órganos. Estos son los temas en los que la nanotecnología (y las ciencias y tecnologías que los hacen posibles) está actualmente cambiando la práctica de la medicina y que forman el núcleo de este libro.

El capítulo 1 describe cómo el despliegue de la nanotecnología y los métodos cuantitativos en biología están ampliando el ámbito de la ciencia para abarcar la vida en toda su complejidad. Intento reunir algunos de los logros más significativos para esbozar un mapa del paisaje cambiante de la investigación biológica. Este nuevo paisaje surge, en parte, de la constatación de que los retos médicos actuales no se resolverán si nos quedamos en la esperanza optimista de la generación científica que nos precede, de que la vida podría reducirse a un problema «digital» de genes y moléculas siguiendo el «algoritmo de la vida». De forma paradójica, cuanto más usamos la computación digital para entender el «algoritmo de la vida» más nos damos cuenta de que la biología tiene elementos digitales (los genes, las proteínas), que interactúan con comportamientos analógicos (las ondas eléctricas del cerebro, o la emoción) y que ambos aspectos son importantes para entender y tratar la enfermedad. Como el resto del universo, la biología existe en una tensión entre lo discreto y lo continuo, una tensión que ha ocupado a la física y la filosofía desde la Antigüedad. Al sumergirnos en la complejidad de la biología en el siglo XXI arrastramos toda esta historia intelectual, y aunque somos conscientes de que el objetivo final de explicar la vida en todos sus detalles es actualmente inalcanzable, confiamos en que los nuevos métodos y herramientas a disposición de los investigadores serán útiles para dar solución a problemas concretos y prácticos de la ciencia y de la medicina modernas. La resolución más o menos exitosa de estos problemas nos ayudará a encaminarnos hacia las teorías y los modelos que nos llevarán en el futuro a entender más profundamente la biología y su funcionamiento. En el primer capítulo ilustro este panorama con ejemplos de cómo se están utilizando los métodos de la biología cuantitativa para investigar las funciones, estructuras e interacciones de moléculas biológicas clave, y para comprender cómo las acciones concertadas de estas moléculas dan lugar a estructuras subcelulares que integran su actividad en la nanoescala para dar lugar al funcionamiento emergente de células y organismos completos.

Como complemento a este enfoque, y en respuesta a la ansiedad que nos genera la complejidad de la biología («¿Cómo sabemos realmente que nuestros modelos y teorías son correctos?»), otros han adoptado una estrategia más pragmática, basada en el espíritu de ingeniería de los nanotecnólogos y los biofísicos. Esta estrategia se resume en la frase del influyente y controvertido físico Richard Feynman: «Lo que no puedo crear, no lo entiendo»; en otras palabras, aprender haciendo. Sabemos, por ejemplo, que la teoría cuántica de los materiales de estado sólido es correcta porque nuestros teléfonos móviles funcionan como queremos usando los principios de esta teoría aplicada a los semiconductores que ejecutan las órdenes codificadas en el software de los dispositivos. Si los dispositivos y aplicaciones que diseñamos no funcionan, es señal inequívoca de que algo falla en la ciencia y la teoría que pretendemos aplicar. La aplicación en tecnología o en medicina es la prueba definitiva de si una teoría científica funciona o no en el mundo real.

La aplicación de este principio en la interfaz de la nanotecnología y las ciencias biológicas está conduciendo a una transformación de la forma en que se construyen los materiales fabricados por las personas y los usos que les damos. Los capítulos 2 a 4 repasan cómo la nanotecnología se está utilizando para crear nanoestructuras y nanomáquinas inspiradas por la biología («biomiméticas») y para integrar estas nanoestructuras en estrategias destinadas a resolver problemas médicos específicos.

En el capítulo 2, resumo el desarrollo de las disciplinas que tratan de construir nanoestructuras artificiales utilizando tanto moléculas biológicas como principios organizativos de la biología. Esta actividad comenzó con la aparición de la nanotecnología con ADN que está ya madurando como un campo de investigación independiente conocido en inglés como «DNA nanotechnology». Paralelamente, el campo de la nanotecnología con proteínas intenta alcanzar los mismos objetivos utilizando proteínas naturales o artificiales; se trata de una tarea más ardua que la fabricación de nanoestructuras con ADN, pero puede dar lugar a muchas más aplicaciones. Uno de los ejemplos más llamativos de la integración de las ciencias y del poder de los enfoques cuantitativos en biología ha sido la llegada de las proteínas de diseño. Estas tecnologías han hecho posible la realización de uno de los sueños de los pioneros de la nanotecnología: el despliegue de ensambladores moleculares capaces de construir cualquier forma con precisión atómica siguiendo un diseño racional, un plan previamente ensayado en un ordenador.

El capítulo 3 da cuenta de un aspecto clave del nuevo arsenal multidisciplinar de la nanomedicina: la utilización de la nanotecnología para mejorar la eficacia de las quimioterapias contra el cáncer desarrollando estrategias de administración de fármacos que se dirigen específicamente a los tumores y a las células cancerosas. Además, exploro cómo la nanotecnología se está uniendo a la búsqueda multidisciplinar de nuevas formas de combatir la resistencia antimicrobiana. También doy una breve visión general de cómo la nanotecnología está mejorando cada vez más en la creación de nanodispositivos biosensores capaces de detectar sustancias químicas específicas en el organismo, con lo que nos acercamos progresivamente al objetivo de responder a los desequilibrios químicos en tiempo real mediante la liberación de fármacos cuando y donde se necesitan.

Tal vez una de las contribuciones más fascinantes que la nanotecnología puede hacer a la medicina es asociarse con la investigación biológica que se realiza actualmente sobre las inmunoterapias (un tipo de tratamiento contra el cáncer que refuerza el sistema inmunitario del cuerpo para combatirlo). Estos esfuerzos combinados tienen el potencial de acelerar la ciencia de controlar y mejorar la capacidad innata de nuestro sistema inmunitario para detectar y combatir la enfermedad desde dentro. En este capítulo, anticipo cómo la convergencia de las ciencias puede conducir a planes para crear el «sistema inmunitario humano supermejorado» del futuro.

En el capítulo 4, intento recopilar la ciencia de uno de los campos científicos más potencialmente transformadores: la ingeniería de tejidos. La ingeniería de tejidos está surgiendo no solo como el campo que puede permitir la reparación e incluso la sustitución de órganos dañados o enfermos, sino también como un ámbito en el que se producirán avances fundamentales en la ciencia básica que sustenta la biología y la medicina. «Aprender creando» modelos de juguete de las partes del cuerpo e incluso intentar conectarlos en el laboratorio será útil para construir modelos mecanicistas que cada vez se acerquen más a la complejidad de los organismos reales. La optimización de biosensores y de simulaciones computacionales de los tejidos que vinculen la biología molecular con su comportamiento macroscópico serán sin duda las contribuciones más importantes de este campo. Los modelos de ingeniería tisular también son muy útiles para comprender y modelar la administración de fármacos dirigidos, y se espera que tejidos y órganos artificiales creados en el laboratorio (e incluso en el ordenador) acaben sustituyendo a los animales en los ensayos preclínicos de medicamentos.

Este libro pretende tanto describir la nueva ciencia que surge de la convergencia de disciplinas sobre la biología y la salud humana como reflexionar sobre cómo y por qué están convergiendo las ciencias. Por ello, cada capítulo cuenta con una breve introducción histórica en la que se esboza el camino que nos ha traído a la situación actual. Espero que esto contribuya a mi propósito: invitar al lector a mirar hacia atrás para ver de dónde viene la ciencia, con el fin de prever las rutas que pueden llevarnos desde aquí hacia el futuro.

FUTUROS «TRANSMATERIALES»

Gran parte de la ciencia que he esbozado brevemente en esta introducción conduce a una inexorable atenuación de la distinción entre ciencias biológicas y ciencias de los materiales: una nueva ciencia transmaterial está en estado embrionario. Con un control cada vez mayor de la materia a escala nanométrica y un mejor conocimiento de los trucos de construcción y la maquinaria de la biología, en el futuro se podrán construir materiales artificiales para regenerar tejidos y órganos, o para mejorar las respuestas del sistema inmunitario. Paralelamente, los dispositivos híbridos bio-inorgánicos que imitan la biología se utilizarán en nuevos ordenadores analógico/digitales y dispositivos electrónicos. A medida que la biología se vuelve cuantitativa y adquirimos el poder de las matemáticas y la física para utilizar las reglas que la rigen para diseñar nuevas aplicaciones, se crea una capacidad colosal de innovación, no solo en medicina sino en la mayoría de las tecnologías creadas actualmente por el ser humano, desde la energía hasta la electrónica pasando por la informática y los materiales. Al perfeccionar cada vez más nuestra capacidad de aprender biología utilizando los métodos de la física, estaremos de hecho destilando las recetas del universo para fabricar y ensamblar materia desde la escala nanométrica, y adquiriremos un gran poder que nos permitirá quizá revolucionar la tecnología y la medicina humanas.

Predecir las consecuencias de la convergencia de las ciencias más allá de la medicina queda fuera del alcance de este libro. Sin embargo, he incluido un epílogo que ofrece mi perspectiva de científica sobre cómo navegar por las oportunidades de mejora y también sobre los peligros que entraña un futuro en el que tendremos un poder creciente sobre todo tipo de materia, biológica y no biológica. Además, exploro brevemente las consecuencias para la identidad humana (desde mi propia perspectiva de científica) de la fusión entre las ciencias materiales y biológicas. Al leer algunos de los relatos predictivos sobre la cuarta revolución industrial que se han convertido en best sellers internacionales en los últimos años, no puedo evitar pensar que estos libros (más o menos) invitan involuntariamente a un peligro adicional, al menos tan poderoso como los efectos de la tecnología en la sociedad: corren el riesgo de desatar el miedo a la tecnología, y así socavar el poder que también tiene la ciencia para crear una sociedad más justa y equitativa. Gran parte de las previsiones se basan en un conocimiento insuficiente del estado actual de las ciencias y, lo que es más importante, en un desconocimiento de los propios científicos, su creciente sentido de compromiso con la sociedad, y su vocación para formar alianzas democráticas que permitan transformaciones positivas y prácticas de la sociedad usando la ciencia en beneficio de todos. En el siglo XXI la ciencia se ha convertido en un pilar fundamental de la democracia; su capacidad para cambiar la realidad, para crear igualdad o desigualdad, destrucción o un futuro mejor para todos, no puede dejarse en manos de intereses privados o encerrada en centros de investigación desconectados del resto de la sociedad y dominados por decisiones políticas más o menos informadas, transparentes o bienintencionadas.

En el siglo XXI, muchos científicos buscan apasionadamente formas de crear plataformas y marcos de colaboración con el público, los reguladores y los desarrolladores industriales de tecnologías para imaginar futuros mejores, más democráticos. Gran parte de lo que se escribe sobre la tecnología en el siglo XXI olvida que los científicos, más que nadie, comprenden el poder del conocimiento que crean, y que se esfuerzan cada vez más por modular las fuerzas sociales y económicas que conforman su desarrollo y explotación. Los científicos son una pieza fundamental en la maquinaria que vincula la tecnología con la equidad en la sociedad. Si bien es cierto que la búsqueda del conocimiento puro motiva a muchos de nosotros, y que una gran proporción de científicos usa la ciencia para construir carreras exitosas que les proporcionen premios, estatus social y dinero, la realidad es que la mayoría de los científicos soportan largas horas en el laboratorio o en el ordenador en pos de una profunda y genuina pasión por mejorar la vida para todos.6 Este empeño es en realidad una de las principales razones por las que las tecnologías convergen en la medicina: contribuir a mejorar la salud parece a menudo la vía más directa (o la única posible) para los científicos que quieren mejorar el bienestar de sus conciudadanos y que ven que sus esfuerzos a menudo no dan los frutos que esperan en el mundo real.

Este libro es mi intento de transmitir la emoción de los nuevos mundos que las ciencias en esta interfaz de la biología, la física y la medicina están descubriendo, y de compartir y reflexionar con el lector sobre las oportunidades que ahora emergen de nuestros laboratorios para utilizar la tecnología con el fin de crear colectivamente un futuro más justo y humano. Como introduzco en el capítulo 1, y reflexiono con más detalle en el epílogo, la incorporación de la biología (incluida la inteligencia) al ámbito de la física facilita un cambio cultural profundo y potencialmente transformador porque sitúa el estudio de la vida en el contexto más amplio posible: el estudio de las reglas que rigen el cosmos. Quiero revelar este nuevo contexto para estudiar la vida y el potencial de avance humano que permite. El mensaje más poderoso de este libro es que en el siglo XXI la vida ya no puede considerarse solo el producto bioquímico de un algoritmo escrito en los genes (que potencialmente puede modificarse a conveniencia de los intereses de un individuo o sector de la sociedad), sino una compleja y magnífica realización de las leyes que crearon el propio universo. Esto significa que, a medida que la física, la ingeniería, la informática y la ciencia de los materiales se fusionan con la biología, en realidad están ayudando a reconectar la ciencia y la tecnología con las preguntas profundas que los seres humanos se han planteado desde el principio de la civilización: ¿qué es la vida?, ¿qué significa ser humano cuando podemos manipular e incluso explotar nuestra propia biología? Hemos llegado a un punto de la historia en el que estas preguntas surgen de forma natural de la práctica de la ciencia, lo que cambia necesariamente la relación de las ciencias con las sociedades y las culturas.