Un viaje alucinante al interior de nuestras células ya es posible

Isaac Asimov lo llamó “Un viaje alucinante” y con razón. Poder miniaturizarse para explorar un cuerpo humano desde dentro no merece otro nombre. Del mismo modo que los corales son en realidad una infinidad de pequeños organismos viviendo en comunidad y formando estructuras complejas, nosotros somos un arrecife de diminutas células. Con ese título dio el salto a la gran pantalla y con ese mismo nombre, su novela ha pasado a la historia. Ahora, cincuenta y cuatro años después de su publicación, el sueño de Asimov se ha vuelto más real que nunca, aunque no como él imaginaba.

El verdadero nombre de esta nueva tecnología es vLUME y podría revolucionar la investigación y la docencia, desde el instituto hasta las Universidades. Lo que este nuevo programa informático ofrece es crear una reconstrucción digital en tres dimensiones de tus células, proteínas y otras moléculas. Se trata de realidad virtual biológica y fidedigna, diseñada a partir de “planos” reales, esto es: datos de la molécula y/o células originales tomados mediante técnicas de microscopía de súper-resolución. Bienvenidos a un viaje alucinante.

200 años

Eso de “cuánto hemos cambiado” es casi un leitmotiv de nuestra especie. Lo escuchamos por doquier, sobre todo ahora que la ciencia y la tecnología evolucionan a velocidades de vértigo. Es evidente que hemos cambiado muchísimo desde aquellos simios que abandonaron África hace decenas de miles de años. Pero es que, como hemos dicho, han pasado cientos de miles de años. La sorpresa viene cuando nos remontamos un poco menos en nuestra historia, apenas unos doscientos años.

A mediados del siglo XIX la Universidad Central de Madrid (ahora la Universidad Complutense) enseñaba a sus alumnos de medicina lo que a nuestro juicio es, prácticamente, brujería. El uso de sanguijuelas y cómo abrirles el apetito con el ácido de una manzana, la aplicación de un escarabajo llamado cantárida que, molido, levantaba ampollas en la piel con el propósito de extraer “los malos humores”, y todo eso por no hablar de las sangrías, donde cual cerdo en la matanza, el paciente era drenado de buena parte de su sangre, dejándole incluso más débil de lo que estaba antes de acudir al matasanos.

En ese mismo siglo, grandes mentes como Boltzmann estaban librando otra batalla, tratando de defender la existencia de los átomos y, por lo tanto, de las moléculas. La mayoría de los científicos contemporáneos entendían el concepto de “átomo” como algo totalmente superado. Lo relacionaban con ideas de tiempos más ignorantes, concretamente con el atomismo de la Grecia clásica, como Demócrito o Leucipo. Se negaban a reconocer la existencia de entidades indivisibles que se unen para formar la realidad. Como mucho podían aceptarlas como una argucia mental para entender otras propiedades de la materia, pero no como algo real.

En los doscientos años que siguieron a todo esto hemos dejado atrás las sanguijuelas y la proto-ciencia médica para diseñar fármacos capaces de luchar contra bacterias, virus, hongos, nuestro propio sistema inmunitario o incluso tumores. Hemos creado máquinas que pueden ver nuestro interior como si estuviéramos hechos de vidrio e incluso podemos reescribir el código de la vida casi como si tecleáramos en un ordenador. En cuanto a los átomos, no solo hemos dejado de acusar de idealistas a quienes los defendían, sino que sabemos que no son indivisibles, que en ellos hay otras partículas creadas a su vez de otras partículas menores. Hemos diseñado ingenios kilométricos capaces de acelerar a estas partículas y hacerlas colisionar casi a la velocidad de la luz y hemos visto nacer la teoría cuántica de campos, la teoría más precisa de la historia de la ciencia. Todo esto en solo 200 años.

¿Y ahora qué?

Desde que Zacharias Janssen inventó el microscopio en 1590 y Antonie van Leeuwenhoek descubrió el primer microorganismo a mediados del siglo siguiente, nuestro voyerismo del mundo microscópio también ha cambiado. Con las décadas, las lentes fueron mejorando, permitiendo ver cada vez cosas más pequeñas, descubriendo las estructuras que dan su función a los tejidos del cuerpo humano. Las nefronas que filtran la sangre en los riñones, los miocardiocitos que transmiten la contracción muscular a lo largo del corazón, los conductos de Havers que atraviesan nuestros huesos para nutrirlos… Todo este conocimiento de microbiología e histología sentó las bases de la medicina científica que disfrutamos hoy y que consiguió expulsar de las universidades el pensamiento mágico que había reinado durante milenios.

No obstante, las lentes tenían un límite y los microscopios tuvieron que reinventarse para no depender de la luz. Así nacieron microscopios electrónicos de barrido que nos permiten ver con magnífico detalle la expresión facial de un ácaro del polvo y microscopios de efecto túnel capaces de mostrarnos en vivo y en directo a aquellos esquivos átomos. Los científicos han ido perfilando las técnicas hasta dar a luz a la microscopía de súper-resolución. Técnicas capaces de mostrarlos los complejos procesos moleculares que ocurren en el interior de las células, pero con un problema. La cantidad de datos que ofrecen es tal que cuesta visualizar lo que representan. Son los ordenadores quienes lo analizan con gran éxito, pero parte del mundo del que hablan se escapa a nuestra intuición, al menos hasta ahora.

Eso es precisamente lo que nos ofrece vLUME, una forma de experimentar esos enjambres de datos de forma intuitiva, reconstruyendo en imágenes los procesos de los que están hablando. Se trata de un proyecto cooperativo entre el equipo del Dr. Lee formado por expertos en microscopía de súper-resolución de la Universidad de Cambridge y profesionales de la computación espacial y análisis de datos del equipo Lume. Para ser estrictos, los datos son realmente los mismos, solo que, con un aspecto más cercano a nuestra experiencia diaria, donde las cosas se ven y se palpan, así que es normal que podamos dudar si realmente esto supondrá un cambio para la biomedicina. Por suerte la duda se despeja sola, porque algunos parientes de vLUME ya lo están haciendo.

Experimentar la ciencia funciona

Fold-it es un programa donde miles de usuarios compiten por dar forma a la estructura de multitud de proteínas. Para entenderlo, podemos decir que las proteínas son las protagonistas de la mayoría de los procesos de nuestro cuerpo, desde la contracción muscular hasta la “producción” de la electricidad con la que funciona nuestro cerebro. Son como un collar de cuentas a las que llamamos aminoácidos y que, en función de cómo los ordenemos, hacen que el collar se doble adquiriendo una estructura de tres dimensiones que será la responsable de su función. Algo así como si hiciéramos papiroflexia, el papel adquiere la propiedad de planear por cómo lo hemos doblado.

Sin embargo, no es fácil intuir cómo se plegará una secuencia de aminoácidos, por lo que desconocemos la verdadera forma de la mayor parte de proteínas que hemos identificado. Una de las mejores aproximaciones que tenemos es Fold-it, donde la intuición de los jugados les ayuda a conseguir los mejores plegamientos, descubriendo posibles formas en que las proteínas están plegadas e incluso diseñando así fármacos capaces de aprovecharse de esas estructuras. Al llevar los datos al mundo visual y permitir que los manipulemos como manipulamos el resto de nuestro entorno, la forma en que abordamos los problemas cambia y se fomenta la aparición de ideas originales y útiles.

¿Qué posibilidades podría ofrecer vLUME? ¿Qué innovaciones podrían emerger de esta nueva perspectiva? Podríamos tomar una muestra de nuestra sangre, aislar de ella una célula del sistema inmunitario, tomar sus datos mediante técnicas de microscopía de súper-resolución, reconstruirla con vLUME y pasearnos por su interior usando unas gafas de realidad virtual. De hecho, esto no es una especulación, es precisamente lo que ha hecho Anoushka Handa, una estudiante de doctorado del equipo de Lee.

Por ahora vLUME se está probando con neuronas, células del sistema inmunitario y cancerosas. Y aunque los resultados parecen bastante halagüeños, es pronto para saber qué calado llegará a tener en la comunidad investigadora y docente. Aunque sea como fuere, es el desenlace perfecto para el arco narrativo de los últimos 200 años de ciencia. Las células, los átomos y las moléculas que han cincelado nuestro siglo no solo existen, sino que ahora podemos experimentarlos como solo Asimov había soñado.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Los cambios metodológicos en ciencia no ocurren de la noche a la mañana. Para implementar una nueva técnica, como la visualización con vLUME, hace falta que su uso se normalice y para eso han de desarrollarse una serie de protocolos complejos y una forma de sistematizar su uso para que sea empleado de forma comparable por científicos de distintos lugares del planeta. Mientras tanto será empleado con más o menos éxito, pero de forma marginal y poco relevante para la comunidad científica.
• Otro dato para tener en cuenta es que las reconstrucciones de vLUME no son perfectas, tan solo cuentan con la información que podamos darle. Por ese motivo, si sabemos cómo interpretar vLUME, su validez no ha de verse alterada por esta parcialidad en la información que incluye.

REFERENCIAS (MLA):

• Spark, A., Kitching, A., Esteban-Ferrer, D. et al. vLUME: 3D virtual reality for single-molecule localization microscopy. Nat Methods (2020). https://doi.org/10.1038/s41592-020-0962-1