Nanotecnología viva

Por Sonia Contera

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

• Idioma: Español
• Editorial: Arpa
• Fecha de lanzamiento: 10 may 2023
• ISBN: 9788419558169

Vista previa del libro

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

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SUMARIO

PREFACIO Y AGRADECIMIENTOS

ABREVIATURAS

INTRODUCCIÓN

Las ciencias convergen en la biología para transformar la medicina

CAPíTULO 1

La inmersión en la complejidad de la biología

CAPíTULO 2

Aprender haciendo: Nanotecnología con ADN y con proteínas

CAPíTULO 3

La nanotecnología en la medicina

CAPíTULO 4

Ingeniería de tejidos y órganos

CAPíTULO 5

Conclusiones: La vida lo cambia todo

EPÍLOGO

La 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

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