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En los próximos años habrá inteligencia artificial también en los materiales, la manipulación del código genético promete revolucionarias y esperanzadoras terapias y la luz puede ayudarnos a descifrar el cerebro, una de las grandes incógnitas de la Ciencia

El futuro siempre se nos torna misterioso. Pero por encima de todo, ¡el futuro nos hace humanos! Una característica que nos distingue del resto de animales es nuestra capacidad de imaginar el futuro. Estudios científicos corroboran que cualquier otra criatura es incapaz de pensar por adelantado más allá de unos cuantos minutos. Las ardillas, por ejemplo, entierran las nueces; pero lo hacen por instinto, no porque piensen que se acerca el invierno. A los humanos, sin embargo, nada nos impide tratar de imaginar cómo será el futuro en una década o incluso en un siglo. Y no solo podemos imaginar el futuro, también podemos diseñarlo, inventarlo a través de la Ciencia y la Tecnología.

A lo largo de la última década, la sección «Ciencia en un tuit» ha brindado la oportunidad de asomarnos al futuro y compartir los avances científico-tecnológicos más relevantes. En este artículo, destacamos diez grandes tendencias que reflejan el progreso de estos años, agrupándolas en tres grandes categorías: materia inerte (tendencias 1 a 4), materia viva (tendencias 5 a 8) y materia inteligente (tendencias 9 y 10). Esta agrupación está inspirada en la evolución cósmica: primero apareció la materia inerte, después cobró vida y, posteriormente, la vida se hizo inteligente.

MATERIA INERTE

1. Universo en expansión. El universo en el que hoy vivimos mide menos que el de mañana. El motivo es que vivimos en un universo en expansión, que se agranda como un globo que se hincha y en el que las galaxias se separan unas de otras. El astrónomo Edwin Hubble fue el primero en sorprender a la comunidad científica con estos inesperados descubrimientos. Corría 1929 y obligó al propio Einstein a rectificar su teoría que conducía a un universo estático e inmutable.

A lo largo de esta década diferentes evidencias empíricas, como la luz proveniente de las supernovas (explosiones de estrellas), han permitido corroborar que el universo se expande y que, además, lo hace por igual en todas las direcciones. La responsable de esta expansión es la denominada energía oscura. Esta misteriosa energía representa aproximadamente el 73% del contenido del cosmos y empuja a las galaxias, separándolas unas de otras y aumentando así el tamaño del universo.

2. «Ver» y «escuchar» el cosmos. La «mirada» al cosmos nos ha permitido identificar exoplanetas y agujeros negros. Los exoplanetas son planetas que giran alrededor de una estrella diferente a nuestro Sol. La mayoría de ellos han sido detectados debido a sus «tránsitos», en los que al cruzar el planeta delante de su estrella bloquea parte de su luz emitida. Esta reducción en la luminosidad de las estrellas proporciona a los astrónomos información sobre el tamaño del exoplaneta y su distancia a la estrella.

En lo que respecta a los agujeros negros, Albert Einstein predijo su existencia en la teoría de la relatividad general. Según este eminente científico, se corresponden con regiones del espacio compactas y muy densas, con una atracción gravitatoria tan grande que ni la luz puede escapar; por eso precisamente son negros. Esta atracción gravitatoria tan elevada también podría curvar la luz, formando un brillante anillo alrededor del agujero negro, lo cual ha podido ser observado por primera vez en el año 2019 con ayuda de ocho telescopios ópticos perfectamente sincronizados.

Mientras que los telescopios ópticos nos permiten «fotografiar» los asombrosos paisajes cósmicos, los detectores de ondas gravitacionales, como LIGO y VIRGO, nos brindan la capacidad de «escuchar» los «susurros» del universo. En esta década, y por primera vez, estos instrumentos registraron eventos como el choque de dos agujeros negros o el choque de dos estrellas de neutrones. Estos eventos no solo confirman las predicciones de Einstein, sino que también abren una nueva era en la exploración del cosmos, ya que no solo podemos «verlo», sino también «escucharlo». ¡Prepárese a disfrutar de la fascinante y majestuosa sinfonía cósmica!

3. Lego molecular. Agrupando átomos como las piezas de un lego, la nanotecnología nos permite, por primera vez, fabricar materiales «a la carta». Piense en una escena de la película «El viaje fantástico»: una pequeña nave sumergida en la corriente sanguínea de un paciente, a la caza de células malignas, para dispararles con precisas dosis de medicinas… Solo que esto no es Hollywood, es Ciencia. La seductora promesa de entregar fármacos directamente a las células cancerígenas, dejando intactas a las sanas, es hoy una realidad mediante nanopartículas altamente selectivas. Se evitan así los devastadores efectos secundarios de la quimioterapia.

De la mano de la nanotecnología nos adentramos también en la era del diagnóstico molecular, que identifica enfermedades en sus estudios iniciales, cuando son más fáciles de tratar e incluso erradicar. La nanotecnología no solo es un gran aliado de la salud humana, sino también de la salud de nuestro planeta. Con ella es posible optimizar la captura de radiación solar, abriendo camino prometedoras aplicaciones en el sector fotovoltaico o en la generación de hidrógeno verde, un esperanzador combustible ecológico.

4. Materiales inteligentes. Los materiales inteligentes son materiales dinámicos, capaces de «dialogar» con su entorno y ofrecer respuestas específicas a necesidades concretas. Una aplicación son las ventanas inteligentes, capaces de regular automáticamente el flujo de luz y calor al interior del edificio, ahorrando así en calefacción y refrigeración. Otro avance destacado son los denominados fotofármacos, medicamentos que se activan mediante luz. Esta tecnología permite que el efecto terapéutico se concentre exclusivamente en la zona del cuerpo iluminada, logrando una altísima selectividad y minimizando el daño en las células sanas.

La vida nunca podría haber existido sin la capacidad de los organismos de curarse a sí mismos. Debido a que la mayoría de los materiales sintéticos convencionales carecen de esta propiedad, su reconstrucción tras un daño requiere de intervención humana. Pero ya se han desarrollado materiales inteligentes que pueden autorrepararse. Un gran reto es que estos sistemas puedan integrarse en el futuro en las alas de los aviones o en una nave espacial. De esta forma si experimentan una fractura podrían repararse de forma automática en pleno vuelo, revolucionando la seguridad y la durabilidad en la industria aeroespacial.

MATERIA VIVA

5. Reescribir el «libro de la vida». En el año 2000 fuimos capaces de descifrar o leer el genoma o «libro de la vida» de nuestra especie. Hoy no solo podemos leer ese libro, también entendemos muchas de sus páginas. Y lo más importante, nos hemos convertido en algo más que meros espectadores: ¡podemos reescribir el genoma y así corregir genes defectuosos, causantes de diferentes enfermedades! La denominada tecnología CRISPR, una edición genómica de alta precisión, lo hace posible. ¡Estamos ante una de las grandes revoluciones biotecnológicas de nuestro siglo!

Entre otras muchas aplicaciones, se cree firmemente que CRISPR supondrá grandes avances en la inmunoterapia contra el cáncer, un enfoque que supone un esperanzador cambio de estrategia. ¡No se ataca directamente al cáncer, sino que se estimula al ejército inmunitario para que luche con toda su artillería! Más allá de la salud humana, CRISPR encuentra aplicación en otros ámbitos, como el de la agricultura. Reescribiendo el «libro de la vida» de las plantas, es posible hacerlas más resistentes a los ataques de patógenos o a los efectos del calentamiento global.

6. Nueva generación de vacunas. Con las vacunas convencionales se expone al cuerpo a formas debilitadas de un patógeno; el sistema inmunitario reacciona entonces y fabrica anticuerpos contra el patógeno. Aunque este tipo de vacunas ha salvado muchas vidas humanas, el procedimiento no es infalible. En ocasiones, un patógeno no inactivado suficientemente ha provocado la enfermedad; además su inactivación requiere largos períodos de tiempo.

Existe una nueva generación de vacunas que solventa los mencionados problemas asociados a las vacunas convencionales. Son las vacunas génicas, en su variante de ARN mensajero o ADN. Son estas vacunas las que han empleado y se siguen empleando en la lucha contra el coronavirus, causante de la pandemia del covid-19.

En estas vacunas no se introduce el coronavirus debilitado, sino las «instrucciones» para que nuestro cuerpo fabrique las proteínas S o espículas presentes en superficie del mismo, logrando así desencadenar la respuesta inmune. Las «instrucciones» para fabricar las espículas están «escritas» en moléculas de ADN o ARN mensajero. Más allá del covid, esta tecnología nos abre también un esperanzador camino para abordar otras patologías.

7. Los ritmos de la vida. Hubo un tiempo en el que con las noches llegaba la oscuridad y disfrutábamos de un placentero y reparador sueño. En la actualidad, la exposición durante la noche a fuentes de luz artificial –en especial las luces frías o muy blancas– confunde al organismo, alterando el ciclo del sueño y los ritmos circadianos –ritmos biológicos con una periodicidad de 24 horas– con consecuencias perjudiciales para nuestra salud.

Enfermedades como el alzhéimer están ligadas a la acumulación de proteínas tóxicas, como las beta-amiloide y las tau, que no han sido retiradas del cerebro. Durante el sueño las neuronas se contraen, permitiendo así que los canales interneuronales (sistema glinfático) se expandan hasta un 60%. Por estos «conductos ensanchados» pueden ahora fluir toxinas nocivas que serán eliminadas del cerebro. Durante la noche también se producen eficientes «labores de mantenimiento y reparación» del ADN dañado, que no de ser así podría predisponer a enfermedades como el cáncer. La moraleja es clara. ¡Dormir bien contribuye a prevenir y/o retrasar diferentes patologías!

8. Vida social de los microbios. La microbiota humana es el conjunto de microorganismos (como bacterias) que habitan diferentes partes de nuestro cuerpo, entre ellas el intestino. Estos microbios nos ayudan a procesos como la digestión y son cruciales para nuestra salud. Por ello cada vez son más frecuentes los prebióticos (alimentos para favorecer el crecimiento de los microbios beneficiosos) y los probióticos (administración de microbios beneficiosos de los que carece el paciente).

Sin embargo, no todas las bacterias son beneficiosas; algunas son patógenas y han desarrollado resistencia a los antibióticos. Se comunican y toman decisiones basadas en el consenso, es lo que se conoce como «quorum sensing». Imaginemos que las bacterias quieren lanzar un «ataque», provocar una infección. Los que hacen es «contar» las bacterias a su alrededor hasta que se alcanza un umbral, una densidad bacteriana lo suficientemente alta, que les permita lanzar el ataque con éxito. Los descubrimientos sobre «quorum sensing» han generado esperanzas y un cambio de estrategia en la lucha contra las bacterias patógenas: en lugar de atacarlas directamente, se busca bloquear su comunicación mediante la inhibición de las moléculas que utilizan para coordinarse.

MATERIA INTELIGENTE

9. Cerebros «iluminados» y «conectados». Francis Crick sugirió en 1974 que los científicos deberían buscar una herramienta que permitiese activar selectivamente diferentes grupos de neuronas para así averiguar su función. Incluso se atrevió a pronosticar que la luz podría ser la herramienta adecuada. Una disciplina emergente, conocida como optogenética, hace hoy realidad el visionario sueño de Crick: neuronas modificadas genéticamente pueden ser activadas selectivamente mediante pulsos de luz. La optogenética tiene como objetivo comprender el cerebro para, en una etapa posterior, poder «repararlo» si presenta fallos.

Por otra parte, en esta era estamos empezando a conectar nuestro cerebro a las máquinas. Hoy ya no nos conformamos con las prótesis pasivas y rígidas de antaño. Queremos que interactúen con nuestros sentidos y respondan a las órdenes que dicta el cerebro. Queremos que el amputado de un brazo sea capaz de coger una taza con su prótesis artificial, llegándole la orden directamente desde su mente en forma de impulsos eléctricos. Una fascinante disciplina, conocida como biónica, lo hace posible. También hace posibles implantes cerebrales que permiten a pacientes parapléjicos controlar el teclado de un ordenador solo con pensar en ello.

10. Máquinas que «piensan» y «aprenden». AlphaGo, un avanzado sistema de inteligencia artificial desarrollado por Google DeepMind, logró un hito histórico en 2016 al derrotar al campeón mundial del juego asiático Go. Este sistema utiliza técnicas de aprendizaje automático, específicamente aprendizaje profundo (deep learning), basadas en redes neuronales que tratan de emular el funcionamiento del cerebro humano. Analizando miles de partidas, AlphaGo «aprendió» las reglas del juego, alcanzando un nivel de maestría que hizo posible la mencionada victoria.

Más allá de los juegos, la inteligencia artificial basada en redes neuronales ha posibilitado grandes gestas como la predicción de la forma o estructura tridimensional de las proteínas, un sueño largamente anhelado por la comunidad científica. La estructura tridimensional de una proteína es crucial, ya que define su función, de manera similar a cómo un trozo de acero, dependiendo de su forma, puede convertirse en una vía de ferrocarril o en un soporte estructural para una construcción. Asimismo, pequeñas alteraciones en esta estructura 3D de las proteínas implican una disfunción, con potenciales graves efectos sobre la salud. ¡Conocer la estructura tridimensional de las proteínas puede ser de gran ayuda a la hora de tratar de descifrar las claves de la salud y la enfermedad!

Amador Menéndez

Socio de Honor 2013 de CAXXI

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