investigación y ciencia 273 - junio 1999

7/22/2019 Investigación y ciencia 273 - Junio 1999

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ILUSION DE UN ESPACIO INFINITO • ALAN TURING • BIOCATALIZADORES • NUEVOS TELESCOPIOS

JUNIO 1999

800 PTA. 4,81 EURO

I

N F O R M

E E S PEC I A L

FORMACIONDE NUEVOS

ORGANOS



¿Es finito el espacio? Jean-Pierre Luminet, Glenn D. Starkman y Jeffrey R. Weeks

Puede que el universo parezca infinitamente grande, pero quizá no sea másque una ilusión. Si el espacio se plegara sobre sí mismo a la manera de unarosquilla, carecería de límites y la luz se ovillaría sin fin por el cosmos. Losastrónomos están buscando configuraciones del campo estelar que abonen lainfinitud del espacio.

Un Alan Turing desconocido B. Jack Copeland y Diane Proudfoot

Las redes neuronales y la hipercomputación constituyen ideas de máximanovedad que pretenden trascender los límites de la computación algorítmicatradicional. Es poco sabido, sin embargo, que ambas ideas fueron propuestashace más de sesenta años por Alan Turing, genio británico más recordadopor haber echado los cimientos de la inteligencia artificial.

Una nueva ventana se abre al cosmosGary Stix

Para construir el enorme telescopio Géminis Norte tuvieron los técnicosque fabricar un espejo y otros componentes ópticos con unas toleranciasinimaginables y luego subir todo ello cuidadosamente por la empinadaladera de un volcán hace mucho inactivo. Un reportaje de primera manosobre esta maravilla astronómica.

Fabricación de un circuito integradoCraig R. Barrett

El dispositivo en que se fundamenta el mundo digital es el circuitointegrado, un cuadrado diminuto de silicio que alberga millones

de transistores. Se trata, probablemente, del artefacto más complejo jamás creado por la inteligencia del hombre. Pero, ¿cómo se fabricanesas miniaturas?

Estabilidad de los biocatalizadoresFrancisco J. Plou, Miguel Alcalde y Antonio Ballesteros

Los catalizadores aceleran una reacción y se recuperan regenerados al finalde la misma. Abundan en el mundo inerte y en el orgánico. Los catalizadoresbiológicos –enzimas, ribozimas y anticuerpos catalíticos— son estructuras lábiles.Su estabilización resulta fundamental en aplicaciones industriales, médicas y

analíticas.

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Junio de 1999 Número 273

CH3

CH3

Cterminal

Ntermin

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CH2S

S

O

OO–

O–

O

C

C

H

NH3+

α–hélice



INFORME ESPECIALEl futuro de la ingeniería de tejidos

Páncreas, hígados y riñones “bioartificiales”, piel fresca que se puedecomprar por metros cuadrados, trama de colágeno para la reconstrucciónde la mama tras una mastectomía, implantes en la columna vertebralde esferas forradas con plástico, con células en su interior que tratanel dolor crónico. No es ciencia ficción: es la ingeniería de tejidos,cuyos promotores afirman que está cambiando la vida de las personas.

Neoformación de órganos David J. Mooney y Antonio G. Mikos

Células madre embrionarias en medicina Roger A. Pedersen

Implantes celulares Michael J. Lysaght y Patrick Aebischer

Piel bioartificial:Así nació Organogenesis

Nancy Parenteau

Bioingeniería de la dermisGail Naughton

Ingeniería de tejidos: urdimbre polimérica Robert S. Langer y Joseph P. Vacanti

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Edición española de

SECCIONES

4 HACE...

28 PERFILES

30 CIENCIAY SOCIEDAD

86 JUEGOSMATEMÁTICOS

¡Retorcida topología!

38 DE CERCA

84 TALLER Y LABORATORIO

88 NEXOS

90 LIBROS

96 IDEAS APLICADAS

Simetría bilateral.



INVESTIGACION Y CIENCIA

DIRECTOR GENERAL Francisco Gracia GuillénEDICIONES José María Valderas, director ADMINISTRACIÓN Pilar Bronchal, directoraPRODUCCIÓN M.a Cruz Iglesias Capón Bernat Peso InfanteSECRETARÍA Purificación Mayoral MartínezEDITA Prensa Científica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a – 08021 Barcelona (España) Teléfono 93 414 33 44 Telefax 93 414 54 13

SCIENTIFIC AMERICAN

EDITOR IN CHIEF John RennieBOARD OF EDITORS Michelle Press, Managing Editor ; Philip M. Yam, News Editor ; Ricki L. Rusting, Senior Associate Editor ; Timothy M. Beardsley y Gary Stix, Associate Editors; W. Wayt Gibbs, Senior Writer ; Kristin Leutwyler, On-Line Editor ; Mark Alpert, Carol Ezzell, Alden M. Hayashi, Madhusree Mukerjee, George Musser, Sasha Nemecek y Glenn Zorpette, Editors;

Marguerite Holloway, Steve Mirsky y Paul Wallich, Contributing Editors

PRODUCTION Richard SassoCHAIRMAN AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER John J. HanleyCO-CHAIRMAN Rolf GrisebachPRESIDENT Joachim P. Rosler

PROCEDENCIADE LAS ILUSTRACIONES

Portada: Bryan Christie

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Fuente

Bryan ChristieBryan Christie; fuente: JeffreyR. WeeksBryan Christie; fuente: Jean-PierreLuminetBryan Christie; fuente: JeffreyR. Weeks

Jeffrey R. WeeksW. Heffer and Sons Ltd.,Cambridge, InglaterraTom Moore (dibujos); King´sCollege Modern Archives,Biblioteca de la Universidad deCambridge (arriba); Peter Arnold,Inc. (abajo, derecha)Princeton Archives (izquierda);Tom Moore (dibujos)Andy RyanAndy Ryan (izquierda ycentro); Peter Michaud, GeminiObservatory (derecha)Barry RossFrancisco J. Plou, Miguel Alcaldey Antonio BallesterosAnita KunzGrant JerdingPrasad Shastri e Ivan Martin,Instituto de Tecnología deMassachusettsAdvanced Tissue Sciences, Inc.(arriba); Laurie Grace (a y f ),Keith Kasnot (b-e)Keith KasnotCynthia TurnerJames A. ThomsonYorgos Nikas (micrografía); LaurieGrace (dibujo)Jason Burns Phototake

Michael G. Klug y Loren J. FieldTerrence DeaconRoberto OstiCytotherapeuticsCirce Biomedical (máquina); SamOgden (detalle); Roberto Osti

(dibujo)Sam Odgen ( fotografías); LaurieGrace (siluetas); Dispositivoscortesía de Patrick Aebischer(microcápsulas), Theracyte(macrocápsula superior );Cytotherapeutics (macrocápsulainferior ); Circe Biomedical ( flow-Through device)Patrick AebischerRichard HuntOrganogenesis, Inc.Advanced Tissue Sciences, Inc.Sam OgdenGordana Vunjak-Novakovicy Lisa Freed, M.I.T. (arriba);Ulrich A. Stock (abajo)Daniels & DanielsMatt Collins

Dusan PetricicGeorge Retseck

COLABORADORES DE ESTE NUMERO

Asesoramiento y traducción:

Juan Pedro Campos: ¿Es finito el espacio?; Luis Bou: Un Alan Turing desconocido,Fabricación de un circuito integrado y Juegos matemáticos; Terence Mahoney: Una nuevaventana se abre al cosmos; José M.ª Valderas Martínez: Neoformación de órganos, Célulasmadre embrionarias en medicina y Nexos; Esteban Santiago: Implantes celulares; Ana M.ªRubio: Piel bioartificial: Así nació Organogenesis y Bioingeniería de la dermis; Juan CarlosRodríguez Rubio: Ingeniería de tejidos: urdimbre polimérica; J. Vilardell: Hace..., Taller y la-boratorio e Ideas aplicadas; Angel Garcimartín: Perfiles.

Copyright © 1999 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017.

Copyright © 1999 Prensa Científica S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (España)

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Difusión

controlada



4 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, junio, 1999

...cincuenta años

TÉCNICA NEUROLÓGICA. «Dos fisió-

logos de la Universidad de Chicago,Ralph W. Gerard y Robert T. Tschirgi,han conseguido mantener viva y activala médula espinal de una rata fueradel cuerpo del animal. Introducidaen una cubeta tras la disección, sela alimenta con sangre o con unnutriente artificial a través de suspropias arterias espinales. Gerard yTschirgi han descubierto cinco sus-tancias que suministran energía a lasneuronas. (Hasta ahora se considerabaa la glucosa como la única fuenteenergética.) Han demostrado asimismo

que la función de la médula espinal(en contraste evidente con las teoríasaceptadas acerca de la función cere-bral) puede restablecerse transcurridosincluso 30 minutos de privación deoxígeno o glucosa.»

LA ESCLAVITUD EN LA ANTIGÜE-DAD. «Con toda razón, desde hacesiglo y medio el mundo civilizado havenido considerando la esclavitud unadegradación de los valores humanos,además de una estupidez económicay social. Pero, por otro lado, a lolargo de los 3000 años precedentesa la era cristiana no se planteó nin-gún escrúpulo ético en la legislaciónestablecida para controlar los siste-mas esclavistas, fuera en laantigua Babilonia, entre loshititas, los asirios o entre loshebreos del Antiguo Testa-mento. En la ilustración sereproduce un bajorrelieve dela tumba del faraón Harm-hab, que vivió en torno al1350 a.C. En él se muestra aun grupo de cautivos negroscustodiados por soldados

egipcios. A la derecha unescriba lleva la cuenta delos prisioneros, capturadospor Harmhab tras una desus expediciones militarespor los países vecinos.»

...cien años

MENTE Y MEDICINA. «El eminente alienista deNueva York doctor EdwardC. Spitza acaba de ofrecerejemplos extraordinarios del

poder de la sugestión mental. ‘Enlos casos más graves de histeria’,afirma, ‘cuando la mitad exacta del

cuerpo pierde la sensibilidad, puededepositarse un trozo de papel tintadosobre la mitad sensible; entonces, alsugerir que se trata de un emplastode mostaza, sobre el lugar correspon-diente del lado insensible aparece unazona enrojecida.’ En casos similares,tales ampollas han dejado cicatri-ces perennes. Es muy posible que laprofesión médica no sea conscientede cuánto podría beneficiarse de lasugestión mental.»

TIEMPO, TRANSPORTE Y BENE-

FICIOS. «Una comparación auténticade los costos relativos de explotaciónde la tracción por cable, eléctrica yequina en los tranvías urbanos revela lanotable superioridad de la electricidadsobre el caballo y sobre el cable, nosólo en capacidad de transporte sinotambién en economía. El uno de enerode 1893 toda la red de tranvías deNueva York funcionaba con tracciónequina. Los informes más recientesmuestran que la compañía explotael 27,2 por ciento de su kilometrajepor el sistema de cable, el 33,7 porciento por tracción equina y el 39,1por ciento está electrificado, con unosgastos de explotación por kilóme-tro de 10,97, 11,18 y 6,29 centavos

respectivamente. Ello invalida la ideatan asentada de que la economía dela tracción eléctrica hay que buscarla

en la mayor velocidad que imprimea los coches.»

MEDICINA MESOPOTÁMICA. «Hastano hace mucho, las únicas pruebasacerca de los conocimientos médicosen la Babilonia y la Asiria de laantigüedad se limitaban a las tabletascuneiformes de magia, conjuros con-tra las enfermedades y los demoniosque se suponían las provocaban. Sinembargo, el doctor Christopher John-ston ha descubierto, procedentes dela biblioteca de Asurbanipal, varias

cartas escritas por médicos. Una deellas, muy interesante, podría describiruna erisipela facial [una infecciónestreptocócica]: ‘Los ojos enfermosde este pobre hombre mejoran. Lehabía aplicado un vendaje cubriéndolela cara. Ayer, al deshacer la vendaque lo sujetaba, retiré el apósito.Hallé pus del tamaño de la puntade un meñique. Todo está bien. Queel corazón de mi Señor el Rey seregocije.’»

...ciento cincuenta años

OPOSICIÓN AL ROZAMIENTO. «Losseñores R. L. y B. F. Stevens hanconstruido una nave de hierro que

actualmente se encuentra enNueva York para comprobarel fundamento de su nuevainvención, que han paten-tado. La idea consiste enaplicar aire a la superficiesumergida de una embar-cación en movimiento y deese modo interponer, sea porabastecimiento continuo o in-termitente, una capa de aire

entre la superficie sumergidadel barco y el agua, conel propósito de reducir elrozamiento del agua.»

ROPAS DE VIDRIO. «Enel Instituto Politécnico deLondres se exhibe una librade vidrio, hilada por vaporhasta una longitud de másde 6400 km y que se hatejido con seda para conse-guir unas hermosas prendasy tapices.»

HACE...

La esclavitud en un bajorrelieve egipcio



En una noche clara, mirando el cielo, nos parece que no tiene fin lo que podríamos ver, estrellas y galaxias sin cuento. Se nos aparecería radiante

de luz la oscuridad que hay entre ellas, si la contem-plásemos con un telescopio sensible. Cierto es que laedad del universo y la velocidad de la luz limitan elvolumen observable. Pero con tiempo suficiente, ¿nopodríamos ir viendo cada vez más lejos, percibiendonuevos fenómenos, nuevas galaxias?

Quizá no. Igual que en una sala de espejos, a lomejor es un engaño la aparente infinitud del universo.El cosmos podría ser finito. La ilusión de infinidad sedebería a que la luz rodease el espacio entero, más de

una vez quizás, y creara así múltiples imágenes de cadagalaxia. La Vía Láctea no sería una excepción; por raroque parezca, en los cielos habría copias de la Tierratal y como era en épocas anteriores. Con el transcursodel tiempo los astrónomos irían observando la evoluciónde las galaxias y buscando nuevos espejismos. Pero al

¿Es finito el espacio?Suele darse por sentada

la infinitud del cosmos.Podría ésta ser mera ilusión.

Próximas mediciones

resolverán, a buen seguro,

un problema muy viejo

en la historia del pensamiento

y la ciencia

Jean-Pierre Luminet,Glenn D. Starkmany Jeffrey R. Weeks

1. LA “CAJA DE INFINITO” nos dauna idea de cómo un cosmos finito puedeparecer que no tiene fin. La caja contienesólo tres bolas, pero los espejos que tapizansus paredes producen un número infinito

de imágenes. En el universo real no hayfrontera que refleje la luz. La multiplicidadde imágenes se produciría al rodear, unay otra vez, los rayos de luz el universo.A partir del patrón de imágenes repetidaspodría deducirse el tamaño y configuraciónreales del universo.

6



final no entraría nuevo espacio en su campo visual. Lohabrían visto ya todo.

Una de las disputas más antiguas en filosofía gira entorno a la finitud o infinitud del universo. Es un errorfrecuente creer que se ha zanjado ya en favor de lainfinitud. El razonamiento que se esgrime y repite enlos manuales saca una conclusión indebida de la teoríageneral de la relatividad. Según ésta, el espacio es unmedio dinámico que se curva de una forma, entre tresposibles a tenor de la distribución de materia y energía

en su seno. Puesto que estamos inmersos en el espacio,no podemos ver la flexión directamente, sólo percibirlaa través de la atracción gravitatoria y la distorsión geo-métrica de las imágenes. Para determinar cuál es, deesas tres, la geometría del universo, se recurre a ladensidad de la materia y energía del cosmos. Pareceque es demasiado baja para que arquee el espacio ylo cierre sobre sí mismo (para que su geometría sea“esférica”). Por tanto, el espacio ha de tener, bien lageometría euclídea que nos es familiar, la de un plano,bien una “hiperbólica”, la de una silla de montar. Laprimera impresión es que un universo así se extiendesin fin.

Ante esta conclusión podría sostenerse que el universo

fuera esférico pero tan grande, que la parte observablepareciese euclídea, a la manera en que una parte pe-queña de la superficie terrestre se nos antoja plana. Demayor alcance es el problema de que la relatividad seauna teoría local. Predice la curvatura de cada pequeñovolumen de espacio —su geometría— a partir de la




materia y de la energía que contenga.Ni la relatividad ni las observacio-nes cosmológicas corrientes dicennada acerca de cómo se unen esosvolúmenes y le dan al universo suconfiguración global, es decir, sutopología. Las tres geometrías cósmi-cas verosímiles son compatibles conmuchas topologías distintas. Así, larelatividad describiría un toro (una

forma de rosquilla) y un plano conlas mismas ecuaciones, pese a queel toro sea finito y el plano infinito.La determinación de la topologíarequiere tener en cuenta físicamentealgo más que la relatividad.

Suele aceptarse que el universo es,al igual que un plano, “simplementeconexo”, lo que quiere decir quela luz dispone de un solo caminodirecto para ir de una fuente a unobservador. Un universo, euclídeo ohiperbólico, simplemente conexo seríainfinito. Cabe, sin embargo, que el

universo sea “múltiplemente conexo”,como un toro; habría entonces muchoscaminos diferentes. Un observadorvería imágenes múltiples de cadagalaxia y sería muy fácil que lasinterpretase equivocadamente comogalaxias distintas en un espacio sinfin, tal y como el visitante de unasala de espejos sufre la ilusión deque está viendo una gran multitud.

Un espacio múltiplemente conexono es mero capricho matemático.Algunas teorías de la unificación de las fuerzasfundamentales de la naturaleza hasta lo prefieren.Por ahora no lo contradice ninguna observación. Enlos últimos años han florecido las investigacionessobre la topología cósmica. Las nuevas observacionesquizás ofrezcan una respuesta definitiva.

Muchos esperan que el universo sea finito. En parte por comodidad. A la mente le cuesta

menos abarcar lo finito que lo infinito. Dos líneasde argumentación apoyan la finitud; la primeraguarda relación con un experimento mental con-cebido por Isaac Newton y retomado por GeorgeBerkeley y Ernst Mach. Abordando las causas dela inercia, Newton imaginó dos cubos medio llenosde agua. El primero está quieto, lisa la superficiedel agua. El segundo gira deprisa, la superficie es

cóncava. ¿Por qué?La respuesta ingenua atribuye el fenómeno a lafuerza centrífuga. Pero, ¿cómo sabe el segundocubo que está girando? En concreto, ¿qué defineel sistema de referencia inercial, respecto al cual elsegundo cubo gira y el primero no? La respuestade Berkeley y de Mach es que toda la materia deluniverso proporciona en su conjunto el marco dereferencia. El primer cubo está en reposo con res-pecto a las galaxias lejanas; por eso, su superficiepermanece plana. El segundo gira con respecto aesas galaxias, así que su superficie es cóncava.Si no hubiese galaxias remotas, no habría razónpara preferir un marco de referencia a otro. La

superficie de ambos cubos debería permanecer lisay, por tanto, no haría falta una fuerza centrípetaque mantuviera la rotación. En pocas palabras: nohabría inercia. Mach infirió que la magnitud de lainercia que experimenta un cuerpo es proporcionala la cantidad total de materia del universo. Ununiverso infinito causaría una inercia infinita. Nadapodría moverse.

Además del argumento de Mach, hay unos trabajospreliminares de cosmología cuántica que pretendendescribir la formación espontánea del universo apartir de la nada. Algunas de estas teorías predicenque un universo de volumen reducido es más pro-bable que otro de volumen grande. La probabilidadde que llegase a existir un universo infinito seríanula. Hablando sin demasiada precisión: su ener-gía sería infinita, y ninguna fluctuación cuántica

podría reunir tanta.Históricamente, la idea de un universo finitochoca con un obstáculo. Parece que ha de tenerun borde. Aristóteles arguyó que el universo esfinito porque para fijar un marco de referenciaabsoluto, que era importante en su concepcióndel mundo, hacía falta una frontera. Quienes lecriticaban se preguntaban qué pasaba en el borde.No hay borde sin que haya otro lado. Así que¿por qué no redefinir “el universo” de maneraque incluyese el otro lado? Georg F. B. Riemannresolvió este quebradero de cabeza a mediadosdel siglo XIX . Propuso como modelo del cosmosla hiperesfera: la superficie tridimensional de una

EUCLIDEO

HIPERBOLICO

ESFERICO

2. LA GEOMETRIA LOCAL del espacio puede ser euclídea, esférica ohiperbólica, únicas opciones compatibles con la simetría observada delcosmos. Los ángulos de un triángulo suman exactamente 180 grados en elplano euclídeo, más de 180 en la superficie esférica y menos en la hiper-bólica (silla de montar). La geometría local determina el movimiento de losobjetos, pero no describe el mecanismo de conexión entre volúmenes paradar al universo su configuración global.



bola tetradimensional, lo mismo que una esferacorriente es la superficie bidimensional de unabola tridimensional. Fue el primer ejemplo de unespacio que, siendo finito, carece de la proble-mática frontera.

Cabría aún preguntarse qué hay fuera deluniverso. Pero esta pregunta presupone que larealidad física definitiva ha de ser un espacioeuclídeo de cierto número de dimensiones. Esdecir, presupone que, si el espacio es una hi-

peresfera, habrá de alojarse en un hiperespacioeuclídeo tetradimensional desde cuyos extramurospodríamos mirarlo. Ahora bien, la naturaleza notiene por qué amoldarse a esa hipótesis. Seríaperfectamente aceptable que el universo fueseuna hiperesfera y no estuviese inmerso en unespacio de más dimensiones. Puede que sea di-fícil visualizar semejante objeto porque estamosacostumbrados a ver las formas desde fuera. Nadaobliga a que haya un “exterior”.

Para finales del siglo XIX los matemáticos habíandescubierto diversos espacios finitos sin fronteras.En 1900 Karl Schwarzschild llamó la atenciónsobre su interés. En un anexo a un artículo que

publicó en Vierteljahrschrift der AstronomischenGesellschaft retó a sus lectores:

Imaginen que a consecuencia de una expe-riencia astronómica enormemente ampliada seviese que el universo entero consiste en unnúmero incontable de copias de nuestra VíaLáctea, que el espacio infinito podía dividirseen cubos, cada uno de los cuales conteníauna copia exacta de la Vía Láctea. ¿Nosaferraríamos al supuesto de que se trataría

de una infinidad de repeticiones idénticasdel mismo mundo?... Seríamos mucho másfelices concibiendo que esas repeticiones eranilusorias, que el espacio tenía unas propie-dades conectivas peculiares, de manera quesi saliésemos de un cubo cualquiera por unlado volveríamos de inmediato a entrar en élpor el opuesto.

El ejemplo de Schwarzschild ilustra la cons-

trucción mental de un toro a partir del espacioeuclídeo. En dos dimensiones se empieza con uncuadrado y se identifican los lados opuestos comouno solo. (Ocurre eso en muchos videojuegos, elvenerable Asteroides por ejemplo, donde una naveespacial sale por el lado derecho de la pantalla yreaparece en el izquierdo.) Aparte de las interco-nexiones entre los lados, el espacio es igual queantes. Los ángulos de los triángulos suman 180grados, los haces paralelos de rayos láser no secortan nunca, etcétera; se cumplen las reglas dela geometría euclídea. A primera vista, el espacioparece infinito a quienes viven en él, porque nohay límites observables. Si no rodea el universo y

vuelve a encontrar los mismos objetos, la nave nopodría decir si está en un toro. En tres dimensionesse empieza con un bloque cúbico de espacio yse pegan sus caras opuestas para formar un torotridimensional.

El toro bidimensional euclídeo es topológicamenteequivalente a la superficie de una rosquilla. Perono puede residir en nuestro espacio euclídeo tridi-mensional. Las rosquillas sí, porque se las doblade manera que por fuera tengan una geometríaesférica y alrededor del agujero, una hiperbólica.

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, junio, 1999 9

Scientific American April 1999 9

1

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3. EL ESPACIO EN FORMA DE ROSQUILLA, más apropiadamente denominada toro-2

euclídeo, es un cuadrado plano cuyos lados opuestos están conectados ( 1). Cualquier cosa quecruce un lado reaparece por el opuesto. Aunque esta superficie no puede existir dentro denuestro espacio tridimensional, puede construirse una versión distorsionada pegando el ladode arriba y el de abajo ( 2) y doblando el cilindro resultante hasta convertirlo en un anillo( 3). A los observadores de la galaxia roja que se ha pintado aquí el espacio les pareceráinfinito porque su línea de visión no acaba nunca ( abajo). La luz de la galaxia amarillales llegará a lo largo de varios caminos diferentes, así que verán más de una imagen deella. Un toro-3 euclídeo se construye a partir de un cubo, no de un cuadrado.



Sin esa curvatura no podríamos percibir desdefuera la rosquilla.

Cuando Albert Einstein publicó su primer mo-delo relativista del universo en 1917, lo asoció ala hiperesfera de Riemann. En aquellos años latopología del espacio constituía un tema de confron-tación. Aleksander Friedmann generalizó enseguidael modelo de Einstein para que incluyera universosen expansión y espacios hiperbólicos. De sus ecua-ciones siguen viviendo los cosmólogos. Señaló que

las ecuaciones de su modelo hiperbólico valían lomismo para universos finitos que para el infinitoordinario, observación desconcertante, pues no seconocían en aquel entonces ejemplos de espacioshiperbólicos finitos.

Cómo puede ser finito un espacio hiperbólico constituye, sin duda, la cuestión más correosa

de cuantas se abordan en topología cósmica. Porsimplicidad, imagínese un universo bidimensional.Repitamos el procedimiento de construcción de untoro-2, pero empecemos con una superficie hiper-bólica. Recórtesele un octógono regulare identifíquense pares de lados opuestos,

de forma que lo que salga del octógonopor un lado vuelva por el opuesto. Sirvetambién una pantalla de Asteroides octo-gonal. Este es un universo múltiplementeconexo, cuya topología equivale a la deuna rosquilla con dos agujeros. Un obser-vador situado en el centro del octógonovería las imágenes más próximas de símismo en ocho direcciones diferentes. Seproduce la ilusión de un espacio hiper-bólico infinito, aunque la verdad es quese trata de un universo finito. En tresdimensiones son posibles construccionessimilares, pero cuesta más representarlasvisualmente. Una consiste en recortar unpoliedro sólido de un espacio hiperbólicotridimensional y pegar pares de caras, demanera que cualquier objeto que salga poruna retorne por el punto correspondientede la opuesta.

Hay que fijarse bien en los ángulosdel octógono. En una superficie plana,los ángulos de un polígono no dependende su tamaño. Grande o pequeño, todooctógono regular tiene ángulos interioresde 135 grados. En una superficie cur-vada, en cambio, los ángulos varían conel tamaño. En una esfera crecen con elpolígono, mientras que en una superficie

hiperbólica decrecen. La anterior construc-ción requiere un octógono del tamaño justopara que los ángulos tengan 45 grados yal identificar los lados opuestos los ochovértices se encuentren en un solo puntoy el ángulo total sea de 360 grados. Estasutileza explica por qué la construcciónno vale para un octógono plano; en lageometría euclídea ocho vértices de 135grados no pueden encontrarse en un solopunto. El universo bidimensional obtenidoal identificar los lados opuestos de unoctógono ha de ser hiperbólico. La to-pología determina la geometría.

El tamaño del polígono o poliedro se mide enrelación a la única escala de longitud geométri-camente significativa en el espacio: el radio decurvatura. Una esfera, por ejemplo, puede adquirircualquier tamaño físico (en metros, digamos), perosu superficie valdrá siempre 4π veces el cuadradode su radio, es decir, 4π radianes al cuadrado.El mismo principio se aplica al tamaño de unatopología hiperbólica; para ella también se defineel radio de curvatura. La topología hiperbólica

más compacta, descubierta por uno de nosotros(Weeks) en 1985, puede construirse identificandopares de caras de un poliedro de 18 caras. Suvolumen es de aproximadamente 0,94 radianescúbicos. A partir de poliedros mayores se generanotras topologías.

El universo puede, a su vez, medirse en radianes.Diversas observaciones astronómicas coinciden enque la densidad de materia del cosmos es sóloun tercio de la necesaria para que el espacio seaeuclídeo. Ahora bien, o una constante cosmológicaaporta la diferencia o el universo presenta una


TESELA 1

TESELA 2

4. EL ESPACIO HIPERBOLICO FINITO se forma con un octógono cuyos ladosopuestos están conectados. Cualquier cosa que cruce un lado volverá a entrarpor el opuesto ( arriba a la izquierda). Topológicamente, el espacio octogonales equivalente a una rosquilla con dos agujeros ( arriba a la derecha). Unosobservadores que viviesen en la superficie verían una red octogonal infinitade galaxias, que sólo puede dibujarse en una variedad hiperbólica, extrañasuperficie combada en la que cada punto adopta la geometría de una sillade montar ( abajo).



geometría hiperbólica cuyo radio de curvatura esde 18.000 millones de años luz. En el último casoel universo observable tiene un volumen de 180radianes cúbicos, que es sitio bastante para 200 delos poliedros de Weeks. En otras palabras, si eluniverso tiene la topología de Weeks, su volumenserá sólo un 0,5 por ciento de lo que parece. Amedida que el espacio se expande uniformemente,sus proporciones no cambian y, por tanto, la to-pología permanece constante.

Casi todas las topologías requieren geometríashiperbólicas. En dos dimensiones un espacio euclídeofinito ha de tener la topología de un toro-2 o lade una botella de Klein; en tres dimensiones sólohay 10 posibilidades euclídeas, el toro-3 y nuevevariaciones simples de él (por ejemplo, pegar lascaras opuestas con un cuarto de giro o con unareflexión, en vez de hacerlo de manera directa).Hay, por contra, innumerables topologías posiblespara un universo hiperbólico tridimensional.

Pese a la plétora de posibilidades, los cosmólo- gos de los años veinte se sintieron incapa-

citados para medir directamente la topología deluniverso. Acabaron desinteresados por la cuestión.Entre 1930 y 1990 el problema quedó postergadobajo un manto de obscuridad. La mayoría de los

manuales de astronomía repetían que el universohabía de ser una hiperesfera, un espacio euclídeoinfinito o un espacio hiperbólico infinito. Lasdemás topologías se dejaban de lado. Pero losaños noventa han asistido a la recuperación dela cuestión. Se han escrito tantos artículos sobretopología cósmica en los tres últimos años comoen los ochenta precedentes. Y lo más apasionante,se busca determinar la topología a través de laobservación.

La prueba más sencilla para establecer la topologíaes la observación de la disposición de las galaxias.Si se alojaran en una red rectangular, repitiéndosela imagen de una misma galaxia en puntos equiva-

lentes de la red, el universo sería un toro-3. Otrospatrones revelarían topologías más complicadas. Nosería fácil buscar esos patrones, pues las distintasimágenes de una galaxia mostrarían momentosdiferentes de su historia. Los astrónomos tendríanque reconocer la misma galaxia pese a los cambiosde aspecto o posición con respecto a las galaxiascercanas. A lo largo de los últimos 25 años, DmitriSokoloff, Viktor Shvartsman, J. Richard Gott III yHelio V. Fagundes han buscado sin éxito imágenes

repetidas entre las galaxias situadas a menos demil millones de años luz de la Tierra.

Boudewijn F. Roukema y otros han rastreadola existencia de patrones entre los cuásares. Aun-que estos objetos reciben su energía de agujerosnegros instalados en el centro de las galaxias,brillan; cualquier patrón que formen se percibirádesde muy lejos. Los observadores identificarontodas las agrupaciones de cuatro o más cuásares.Examinando las relaciones espaciales en el seno decada grupo, comprobaron que algún par de gruposno era uno, visto desde dos direcciones diferen-tes. Roukema halló dos casos posibles; quizá noalcanzan significación estadística.

Roland Lehoucq, Marc Lachièze-Rey y uno delos firmantes (Luminet) se han esforzado por hallarotros caminos. Con el método de la cristalografíacósmica que hemos elaborado, podemos detectarla presencia de patrones en un universo euclídeo,sin tener que reconocer que unas galaxias seanimágenes de otras. Si las imágenes de las galaxiasse repitiesen periódicamente, el histograma de to-das las distancias entre ellas exhibiría máximos aciertas distancias, que representarían el tamaño realdel universo. No hemos encontrado todavía ningúnpatrón; quizá sea por la escasez de datos sobre lasgalaxias que están a más de 2000 millones de añosluz. La Inspección Digital Sloan del Firmamento,un proyecto estadounidense-nipón para levantar unmapa tridimensional de buena parte del universo,producirá un conjunto de datos mayor y del quese valdrán estas investigaciones.

Por último, otros grupos de investigadores seproponen abordar la topología del universo pormedio de la radiación del fondo cósmico de mi-croondas, el débil resplandor remanente de cuandoel plasma primordial de la gran explosión (“bigbang”) se condensó en hidrógeno y helio gaseosos.La radiación se distingue por su notable homoge-neidad. Su temperatura e intensidad son iguales entodas las regiones del cielo casi en una parte en100.000. Pero hay ligeras ondulaciones, descubiertasen 1991 por el satélite Explorador del Fondo de

Microondas (COBE). Hablando sin mucha precisión,el fondo de microondas lleva en sí las variacionesde densidad del universo primitivo que serían lassemillas de estrellas y galaxias.

Estas fluctuaciones son la clave de la solución deuna gavilla de problemas cosmológicos, topologíaincluida. Los fotones de las microondas que lleganaquí empezaron su viaje hace aproximadamente elmismo tiempo y a una misma distancia de la Tierra;sus puntos de partida forman, pues, una esfera,denominada “última superficie de dispersión”, cuyocentro es la Tierra. Así como un disco de papel lobastante grande se montará sobre sí mismo si conél envolvemos la estilográfica, la superficie final


5

4

3

2

1

00 2,5

SEPARACION DE LOS PARES (MILES DE MILLONES DE AÑOS LUZ)

N U M E R O D

E P A R E S ( M I L E S )

5

2,5

00 5

5. LAS DISTANCIAS entre los cúmulos de galaxias no mues-tran el patrón que se esperaría si el universo fuese finito einterconectado: unos picos muy finos a distancias relacionadascon el tamaño real del cosmos ( recuadro). Pero los autoressólo estudiaron los cúmulos que están a menos de unos dosmil millones de años luz de la Tierra. El universo podría estarincluso interconectado a escalas mayores.



de dispersión se cortará a sí misma si, en razónde su tamaño, rodea por completo el universo. Laintersección de una esfera consigo misma es unacircunferencia de puntos.

Observada desde la Tierra, veríamos dos cir-cunferencias en el cielo con el mismo patrón devariaciones de la temperatura. Esas dos circunfe-rencias son, en realidad, una sólo en el espacio,percibida desde dos perspectivas. Serían como las

imágenes múltiples de una vela en una habitacióncon espejos, cada uno de los cuales la muestradesde un ángulo distinto.

Starkman y Weeks, firmantes del ar- tículo, trabajan con David N. Spergel

y Neil J. Cornish en la esperada detec-ción de esos pares de circunferencias. Almétodo no le afectan las incertidumbresde la cosmología contemporánea. Se basaen la observación de curvatura constantedel espacio, pero no presupone nadaacerca de la densidad de la materia, lageometría del espacio o la presencia deuna constante cosmológica. El problemaprincipal estriba en identificar las circun-ferencias, pese a las fuerzas que tiendena distorsionar sus imágenes. Por ejemplo,a medida que las galaxias se aglutinanejercen una atracción gravitatoria variableen la radiación durante su viaje hacia laTierra y modifican su energía.

El COBE no estaba capacitado pararesolver estructuras de una escala an-gular menor de 10 grados. Tampocoidentificaba lugares calientes o fríos;todo lo que podía decirse con seguridadera que estadísticamente algunas de lasfluctuaciones eran reales, no artefactos

espurios de origen instrumental. Los apa-ratos han ido ganando en resolución ynitidez. Algunos hacen ya observacionesen laboratorios terrestres o aerostáticos,pero no abarcan el cielo entero. La Sondade las Anisotropías de la Radiación, quelanzará la NASA a finales del año 2000,y el satélite Planck , programado por laAgencia Espacial Europea para el 2007,harán las observaciones cruciales.

Las posiciones relativas de las circun-ferencias coincidentes, si es que exis-ten, revelarán la topología específicadel universo. Si la superficie final de

dispersión apenas alcanza a rodear el universo, sólointersecará sus imágenes ilusorias más cercanas.Si es mayor, llegará más lejos e intersecará lasimágenes más cercanas siguientes. Si la superficiefinal de dispersión es bastante grande, cabrá esperarcientos, si no miles, de pares de circunferencias.Se apreciará una notable redundancia en los da-tos. Las circunferencias mayores determinarán latopología del espacio y la posición y orientaciónde los menores. La coherencia interna de los pa-

trones, pues, no sólo verificará la corrección delos hallazgos topológicos, sino también la de losdatos del fondo de microondas.

Otros equipos acarician planes diferentes paralos datos. John D. Barrow y Janna J. Levfin, dela Universidad de Sussex, Emory F. Bunn, delColegio Bates, y Evan Scannapieco y Joseph I.Silk, de la Universidad de California en Berkeley,no descartan un examen directo del patrón de loslugares calientes y fríos. Ya han construido mapasde muestra que simulan el fondo de microondaspara topologías concretas. Han multiplicado la tem-peratura en cada dirección por la temperatura entodas las demás, y han generado así un inmenso

mapa tetradimensional de la función de correlaciónde dos puntos. Los mapas proporcionan una maneracuantitativa de comparar topologías. J. RichardBond, Dmitry Pogosyan y Tarun Souradeep están

JEAN-PIERRE LUMINET, GLENN D. STARKMANy JEFFREY R. WEEKS han intervenido en el augede la topología cosmológica. Luminet, que estudialos agujeros negros en el Observatorio de París, haescrito varios libros científicos. Starkman, tras pasarpor el Instituto de Estudios Avanzados de Princetony el Instituto Canadiense de Astrofísica Teórica deToronto, ha recalado en la Universidad de la Reser-va Occidental Case. Weeks, el matemático del trío,elabora programas informáticos destinados a la inves-

tigación, subvencionado por la Fundación Nacionalde la Ciencia.

TIERRATIERRA

6. SI RODEASE el cosmos,la luz crearía patrones enel cielo. Toda la luz reci-bida en la Tierra procedentede un momento o de unadistancia determinados —laradiación de microondas delfondo cósmico remanente de

la gran explosión, por ejem-plo— define una esfera. Siésta es mayor que el universose cortará a sí misma, loque definirá a su vez unacircunferencia, formada porlos puntos que vemos dosveces, a la izquierda y a laderecha ( derecha). Una vendacircular enrollada alrededorde un dedo es un ejemploen dos dimensiones.





7. TRES UNIVERSOS POSIBLES, grande, mediano y pe-queño ( fila de arriba), producirían patrones característicosen la radiación de microondas del fondo cósmico, tal y comose simula aquí ( fila de abajo). Cada uno de estos universostiene la topología de un toro-3 y aparece repetido seis vecespara sugerir la red regular que vería un observador. En eluniverso grande la esfera de la radiación de fondo no se

monta sobre sí misma, ni, por tanto, se generan patrones.En el mediano la esfera se corta a sí misma una vez porcada dirección. Puede verificarse si la lectura en el sentidodel reloj alrededor de la esfera descubre la misma secuenciade colores que si se hace en sentido contrario. Por último,en el universo pequeño la esfera se corta a sí misma muchasveces y se produce un patrón más complejo.

aplicando nuevas técnicas, relacionadas con laanterior, a los datos del COBE, que podrían serbastante precisos como para identificar los espacioshiperbólicos menores.

Más allá de la satisfacción intelectual, el descubrimiento de la topología del espacio

acarrearía profundas consecuencias para la física.Aunque la relatividad no entra en la topología deluniverso, otras teorías que se están desarrollandopredirán la topología o al menos asignarán proba-bilidades a las distintas posibilidades. Hablamos deteorías necesarias para explicar la gravedad en losprimeros momentos de la gran explosión, cuandolos efectos mecanocuánticos encerraban interés. Lasteorías del todo, como la de cuerdas, se hallan enpañales. Pero las teorías acabarán por predecir latopología del universo a gran escala.

Los intentos empeñados en la búsqueda de launificación de la física han engendrado la sub-especialidad de la cosmología cuántica. Hay treshipótesis básicas para el nacimiento del universo,defendidas, respectivamente, por Andrei Linde,Alexander Vilenkin y Stephen W. Hawking. Unadiferencia sobresaliente entre ellas es el volumen

que esperan tenga un universo recién nacido: muygrande en las de Linde y Vilenkin, muy pequeñoen la de Hawking. Quizá los datos topológicosdistingan entre estos modelos.

Si las observaciones descubriesen que el universoes finito, podría tal vez avanzarse en la resolu-ción del problema de la homogeneidad generaldel universo. La necesidad de explicar semejanteuniformidad condujo a la teoría de la inflación,pero ésta se ha visto después en apuros porque,en su formulación común, exige que la geometríacósmica sea euclídea, en manifiesta contradiccióncon la densidad observada de la materia. Ante esaaporía, se han propuesto formas ocultas de energía

y modificaciones de la inflación. Otra posibilidades que el universo sea menor de lo que parece.Si fuese así, la inflación podría haberse detenidoprematuramente —antes de engendrar una geome-tría euclídea— y aun así habría homogeneizado eluniverso. Igor Y. Sokolov y otros se han valido delos datos de COBE para descartar dicha explicaciónsi el espacio es un toro-3. Pero sigue siendo viablesi el espacio es hiperbólico.

Desde la noche de los tiempos las culturas sehan preguntado cómo empezó el universo y si esfinito o infinito. Mediante una combinación deagudeza matemática y de observación cuidadosala ciencia de este siglo ha respondido en partela primera pregunta. El siguiente podría comenzarcon una respuesta de la segunda.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

CIRCLES IN THE SKY: FINDING TOPOLOGY WITH THE MICROWAVE BACKGROUND RADIATION. Neil J. Cor-nish, David N. Spergel y Glenn D. Starkman, en

Classical and Quantum Gravity, vol. 15, n.o

9,págs. 2657-2670; septiembre de 1998. Prepublicaciónen xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9801212 en la WorldWide Web.

RECONSTRUCTING THE GLOBAL TOPOLOGY OF THE UNIVERSITY FROM THE COSMIC MICROWAVE BACK-GROUND. Jeffrey R. Weeks, en Classical and QuantumGravity, vol. 15, n.o 9, págs. 2599-2604, septiembrede 1998. Prepublicación en xxx.lanl.gov/ abs/astro-ph/9802012 en la World Wide Web.

En las direcciones de la World Wide Web www.geom.umn.edu/software/download y www/northnet.org/ weeks pueden encontrarse programas de orde-nador gratuitos para el estudio de la topología.



Alan Turing a los 35 años, en la épocaen que escribió “Intelligent Machinery”




Alan Mathison Turing concibió la máquina computadora moderna en 1935. Todos los ordenadores hoy en servicio son, a la postre, “má-

quinas de Turing”. Matemático, precursor y pionerode la inteligencia artificial, propuso el criterio o testde Turing, como medio para determinar si un ordena-dor, adecuadamente programado, es capaz de pensar.Durante la Segunda Guerra Mundial, intervino en ladesencriptación del código alemán Enigma, integradoen una operación británica ultrasecreta que, según los

historiadores, adelantó dos años el final de la guerra.A su muerte, a los 41, Turing estaba emprendiendolos primeros trabajos sobre lo que ahora se llamaría“vida artificial”, simulando los procesos químicos deldesarrollo biológico.

Pese a su sobresaliente carrera, nunca mostró especialinterés en dar difusión a sus ideas. Y así, aspectosimportantes de su trabajo no han recibido la atencióndebida o han sido olvidados con el paso de los años.En concreto, son pocos, incluso en las ciencias de cóm-puto, los familiarizados con las fascinantes previsionesde Turing en el conexionismo, es decir, en la compu-tación mediante redes neuronales. También han sidodespreciadas sus nociones teoréticas en el apasionante

campo de la “hipercomputación”, en el que abrierontierras vírgenes. A decir de algunos, las hipercomputa-doras podrían algún día resolver problemas hasta ahoratenidos por inabordables.

Los ordenadores digitales son excelentes trituradores de números. Pidámosles que pronostiquen la tra-

yectoria de un cohete o que calculen los parámetrosfinancieros de una firma multinacional y nos facilita-rán la respuesta en segundos. En cambio, acciones enapariencia sencillas, que todos realizamos sin esfuerzo,como reconocer rostros o leer textos escritos a mano,han resultado diabólicamente difíciles de programar. Talvez las redes de neuronas que constituyen nuestro cerebroposean una facilidad natural para realizar estas tareas,facultad de la que carecen los ordenadores normales.De ahí el interés por las computadoras inspiradas enel cerebro humano.

El conexionismo estudia la computación mediante redesde neuronas artificiales. Los investigadores suelen remedarlas neuronas y sus interconexiones programándolas enordenadores digitales ordinarios (al igual que los inge-nieros crean modelos virtuales de rascacielos o de alasde aviones). Un algoritmo de entrenamiento, instalado enel ordenador, ajusta las conexiones entre las neuronas,afinando la red hasta convertirla en una máquina espe-cífica y dedicada a una función determinada, como lapredicción de los mercados internacionales de divisas.

Para los conexionistas modernos, el fundador de su

metodología es Frank Rosenblatt, quien publicó en 1957el primero de muchos artículos sobre este tema. Pocossaben, sin embargo, que Turing había investigado yalas redes conexionistas en 1948, en un artículo titulado“Intelligent Machinery”, apenas conocido.

El manuscrito, preparado mientras trabajaba para elLaboratorio Nacional de Física de Londres, no obtuvoel beneplácito de esta institución. Sir Charles Darwin,nieto del naturalista, que dirigía el laboratorio como sifuera un colegio, desdeñó el trabajo, calificándolo de“ensayo de escolar”. En realidad, este artículo, de largasmiras, constituía el primer manifiesto en el campo dela inteligencia artificial. En ese trabajo, inédito hasta1968, pasados catorce años de la muerte de Turing,

Un Alan Turing

desconocido

Este británico genial, célebre

por la máquina, el test y la tesis

que llevan su nombre, fue también

precursor de las redes neuronales

y de la “hipercomputación”

B. Jack Copeland y Diane Proudfoot




no sólo establecía los fundamentosdel conexionismo, sino que introdu-cía también muchos conceptos quemás adelante constituirían nocionesprincipales en inteligencia artificial,en algunos casos, tras reinvenciónpor otros.

En el artículo, Turing ideaba unasuerte de red neuronal a la que dio

el nombre de “máquina inorganizadade tipo B”. Consistía en neuronasartificiales y dispositivos que modifi-caban las conexiones entre ellas. Lasmáquinas de tipo B pueden conte-ner neuronas conectadas atendiendoa una configuración cualquiera, conla condición de que cada conexiónentre neuronas haya de pasar por undispositivo modificador.

Todos los modificadores de co-nexión tienen dos fibras de entrena-miento. La aplicación de un impulsoa una de ellas sitúa al modificador enel “modo de paso”, en el cual unaentrada —sea un 0 o un 1— atraviesael modificador sin sufrir perturba-ción y se convierte en la salida. Encambio, la aplicación de un impulsoa la otra fibra hace entrar al modifi-cador en “modo de interrupción”, enel cual la salida es siempre 1, conindependencia de la entrada. En esteestado, el modificador destruye toda lainformación que trate de pasar por laconducción a la que está ligado.

Definido su estado, cada modifica-dor mantendrá su función (sea la depaso, sea la de interrupción) hasta que

reciba un impulso por la otra fibrade entrenamiento. La presencia deestos ingeniosos modificadores de co-nexión hace posible el entrenamientode una máquina inorgánica de tipo Bmediante lo que Turing denominaba“interferencia adecuada, que remedela educación”. Para Turing, “la cor-teza cerebral infantil constituye unamáquina inorgánica, susceptible deorganización mediante un entrena-miento interfirente adecuado”.

Cada una de las neuronas del mo-delo de Turing cuenta con dos fibras

de entrada, y la salida de la neuronaes una función lógica sencilla de susdos entradas. Cada neurona de la redejecuta una misma operación lógica, lanegación de la conjunción; es decir,“no-y” o NAND en la jerga. En ella,la salida es 1 si al menos una de lasentradas es 0. Si ambas entradas son1, entonces la salida es 0.

Turing optó por la operación NAND

porque cualquier otra operación lógica(o booleana) puede realizarse por gru-pos de neuronas NAND. Demostró,además, que los propios modificadoresde conexión pueden construirse a partirde neuronas NAND. Especificó, pues,una red constituida exclusivamente porneuronas NAND y sus fibras de co-nexión, el modelo más sencillo posiblequizá de la corteza cerebral.

Rosenblatt, en 1958, definió la base teórica del conexionismo en un

sencillo enunciado: “La información

almacenada adopta la forma de nuevasconexiones, o canales de transmisiónen el sistema nervioso (o la creaciónde condiciones que son funcionalmenteequivalentes a nuevas conexiones).”Dado que la destrucción de conexionesexistentes puede ser funcionalmenteequivalente a la creación de otrasnuevas, podemos construir una reddestinada a realizar determinada tareapartiendo de otra que tenga un excesode conexiones y destruyendo selecti-vamente algunas de ellas. Estas dosacciones —destrucción y creación— seemplean en el entrenamiento de lostipos B de Turing.

En el instante inicial, los tipos Bcontienen conexiones interneuronalesaleatorias, cuyos modificadores se hanajustado al azar ora en modo de paso,ora de interrupción. Durante el entre-namiento, se destruyen las conexionesindeseadas, haciendo pasar sus co-rrespondientes modificadores al modode interrupción. Recíprocamente, secrea una conexión con el cambio deestado de un modificador, llevándolode interrupción a paso. Mediante estaentresaca selectiva de conexiones, la

red, inicialmente aleatoria, se adaptay convierte en una red organizadapara una tarea dada.

Turing deseaba investigar máquinasinorgánicas de otros tipos. Anhelabasimular una red neuronal y su régimende entrenamiento valiéndose de un or-denador digital ordinario. Se proponíadejar “que el sistema completo fun-cionase durante un período apreciable,y después entrar en él, a la manerade un ‘inspector de enseñanza’, y verqué progresos se habían realizado”.Pero acometió su trabajo sobre redes

neuronales antes de la introducción delos primeros ordenadores electrónicosde uso general. (Hasta 1954, año dela muerte de Turing, no consiguieronBelmont J. Farley y Wesley A. Clarkhacer funcionar la primera simulacióncomputarizada de una pequeña redneuronal, en el MIT.)

A Turing, sin embargo, le bastaronlápiz y papel para demostrar que una

red neuronal de tipo B, de cierto ta-maño, puede ser configurada (merceda sus modificadores de conexión) paraasí constituir un ordenador de usosgenerales. Este descubrimiento iluminauno de los problemas fundamentalesde la cognición humana.

En la cognición, vista en superes-tructura, participan procesos secuen-ciales complejos, muchas veces, conel concurso del lenguaje o de otrasformas de representación simbólica,como en los cálculos matemáticos.Mas, considerada de abajo arriba, la

cognición es un disparo de neuronas.La ciencia de la cognición se enfrenta

B. JACK COPELAND y DIANEPROUDFOOT dirigen el Proyecto Tu-ring en la Universidad neozelandesa deCanterbury, que se propone desarrollary aplicar las ideas de Turing mediantetécnicas modernas. Además del estudiológico de las hipermáquinas y la si-mulación de redes neuronales de tipoB, los autores están investigando losmodelos computarizados de crecimiento

biológico en los que trabajaba Turingantes de morir.

En un artículo que permaneció

inédito hasta 14 años después

de su muerte (arriba ) Alan Turing

describía una red de neuronas

artificiales conectadas al azar. En

esta “máquina inorgánica de tipo

B” (abajo, izquierda ), cada conexión

pasa por un modificador ajustado,

sea para dejar que los datos fluyan

inalterados (fibra verde ), sea para

destruir la información transmitida

(fibra roja ). Cambiando los estados

de los modificadores, por conmu-

tación de sus modos, se puede

adiestrar a la red. Observemos que

cada neurona tiene dos entradas

(recuadro inferior ) y ejecuta una

operación lógica sencilla, la negación

de la conjunción (“no-y”, o NAND):si ambas entradas son 1, la salida

es 0; si no, la salida es 1.

En la red de Turing las neuronas

se interconectan libremente. En las

redes modernas (abajo, centro ) se

restringe el flujo de información de

una capa de neuronas a la siguiente.

Los conexionistas ambicionan simu-

lar las redes nerviosas del cerebro

(abajo, derecha ).

Turing, precursor

del conexionismo



al problema de reconciliar estas dosperspectivas, tan diferentes.

El descubrimiento de Turing ofrece una posible solución: la corteza

cerebral, por ser una red neuronalque actúa como un ordenador deusos generales, está capacitada paraefectuar el procesamiento secuencialy simbólico discernido en el examen

superestructural. Esta hipótesis, muypor delante de su tiempo cuando laformuló en 1948, continúa siendo unade las mejores conjeturas de uno delos problemas más difíciles de lasciencias de la cognición.

Turing concibió en 1935 el dis-positivo abstracto que denominamos“máquina universal de Turing.” Constade una memoria ilimitada, donde sealmacenan programa y datos, y de unescáner, que avanza y retrocede porla memoria, examinándola símboloa símbolo, leyendo la información y

escribiendo símbolos adicionales. Cadauna de las acciones fundamentales de

la máquina es muy sencilla; son ope-raciones como “identificar el símbolosituado bajo el escáner”, “escribir un‘1’” o “desplazar el escáner un lugarhacia la izquierda”. La complejidad seconsigue concatenando estas accionesbásicas. Pese a su simplicidad, unamáquina universal de Turing puedeejecutar cualquier tarea factible porel más potente de los ordenadores

de nuestros días. En verdad, todoslos ordenadores digitales modernosse reducen a estas máquinas uni-versales.

En 1935 se proponía idear una má-quina —lo más sencilla posible— ca-paz de realizar cualquier cómputo queefectuara un matemático humano ope-rando según un método algorítmico,sin limitación de tiempo, energía, pa-pel y lápiz, y con una concentraciónperfecta. El calificativo “universal”,aplicado a una máquina de Turing,significa que la máquina es capaz de

efectuar todos esos cálculos. Comoescribió el propio Turing, “las compu-

tadoras electrónicas tienen la finalidadde llevar a cabo cualquier procesodefinido y rutinario que pudiera serrealizado por un operador humano quetrabajase de forma disciplinada, perosin [hacer uso de su] inteligencia”.

Tan poderosos dispositivos de cóm-puto suscitan una cuestión sugestiva:¿es posible idear máquinas capacesde lograr más todavía? La respuesta

es que tales “hipermáquinas” admi-ten descripción sobre el papel, perohasta el momento nadie sabe si seráposible construir una. El campo de lahipercomputación está atrayendo cadavez a mayor número de científicos.No faltan quienes especulen que elpropio cerebro humano —el proce-sador de información más complejoque se conoce— es en realidad unejemplo de hipercomputadora que seda en la naturaleza.

Antes de la reciente oleada de inte-rés por la hipercomputación, toda tarea

de procesamiento de información quese supiera demasiado difícil para las


[... ser considerado por un hombre como organizada y por otro, como inorgánica.Un ejemplo típico de máquina inorgánica sería como sigue. La máquina está formada por N, un número

bastante grande de unidades similares. Cada unidad tiene dos terminales de entrada; posee un terminal desalida que puede conectarse a los terminales de entrada de otras (0 o más) unidades. Podemos imaginarque, para cada entero r, 0 ≤ r ≤ N, se eligen al azar dos números i(r) y j(r)...]



máquinas universales de Turing era des-cartada, considerada “no computable.”En este sentido, una hipermáquinacomputa lo no computable.

Podemos hallar ejemplos de tareastales en las parcelas más sencillasde la matemática. Sean, por ejem-plo, enunciados aritméticos tomadosal azar; una máquina universal deTuring puede no ser capaz de de-terminar en todos los casos cuálesde ellos son teoremas (verbigracia,“7 + 5 = 12”) y cuáles no lo son (porejemplo, “todo número par es sumade dos números pares”). Otro tipo deproblema no-computable proviene dela geometría. Se dice que un conjuntode losetas —cuadrados de diversostamaños y bordes de distintos co-

lores— es “teselante” si es posiblerecubrir perfecta y completamente elplano euclídeo con reproduccionesde las losetas, sin traslaparlas nidejar rendijas, y de modo que loslados adyacentes sean siempre delmismo color. William Hanf y DaleMyers han descubierto un conjuntode losetas que pavimenta el plano,pero sólo según configuraciones de-masiado complicadas para que unamáquina universal de Turing puedacalcularlas. En el campo de lasciencias de cómputo, una máquina

universal de Turing no es siemprecapaz de pronosticar si un determi-nado programa dará fin o si conti-nuará funcionando eternamente. Estehecho se enuncia a veces diciendoque ningún lenguaje de programa-ción de uso general (Pascal, BASIC,Prolog, C y demás) puede tener undepurador de errores absolutamenteinfalible: no puede existir un útilinformático capaz de detectar todoslos fallos capaces de provocar elatasco de la máquina, sin olvidarlos errores que conducen a buclesde procesamiento infinitos.

El propio Turing fue el primeroen explorar la idea de una máquinacapaz de realizar tareas matemáticasexcesivamente difíciles para las má-

quinas universales de Turing. En sutesis doctoral (1938), defendida enPrinceton, describió “una máquina denuevo tipo”, la “máquina-O”.

Una máquina-O es el resultadode ampliar una máquina universalde Turing con una caja negra, un“oráculo”, que es un mecanismo parallevar a cabo tareas no computables.En los demás aspectos, las máquinas-O son similares a los ordenadoresactuales. La máquina, alimentada conun programa codificado digitalmente,produce a partir de la entrada una

salida digital sirviéndose de un pro-cedimiento de aplicación paso a pasode las operaciones básicas de la má-quina, una de las cuales consiste entrasladar datos al oráculo y registrarsu respuesta.

Turing no facilitó ninguna indica- ción sobre el posible funcio-

namiento de un oráculo. (Ni tam-poco explicó de qué modo podríantener lugar las operaciones básicasde una máquina universal de Turing;por ejemplo, “identificar el símbolodel escáner”.) Pero no resulta difícilimaginar mecanismos nocionales quecumplan las especificaciones de la cajanegra de una máquina-O. En principio,incluso una red neuronal de tipo B

adecuada es capaz de computar loincomputable, siempre que la actividadde las neuronas no esté sincronizada.(Cuando un reloj central se encargade marcar el paso de las neuronas,el funcionamiento de la red puedesimularse con exactitud por una má-quina universal de Turing.)

En la exótica teoría matemáticade la hipercomputación, tareas comola de distinguir los teoremas de losno-teoremas dejan de ser incomputa-bles. Cabe, en principio, un depuradorcapaz de determinar si un programa


100001...001111

REPRESENTACION BINARIADEL PROGRAMA

PROGRAMA DE ORDENADOR

Alan Turing demostró que su máquina universal —y por extensión, los ordenadores más potentes de

nuestros días— jamás podrían resolver ciertos problemas.Por ejemplo, una máquina universal de Turing no puededeterminar en todos los casos si determinado programainformático dará fin o si continuará funcionando eternamente.

En algunos casos, lo más que la máquina universal puedehacer es ejecutar el programa y esperar —eternamente, talvez— a que concluya. Pero en su tesis doctoral (abajo ),Turing sí imaginó que una máquina equipada con un“oráculo” especial podría llevar a cabo esta y otras tareas“no computables”. He aquí un ejemplo del modo en que,en principio, podría funcionar un oráculo.

Imaginemos un máquina hipotética ideada para resolverel formidable problema del “programa concluyente” (arriba ).

Un programa de ordenador puede representarse medianteuna secuencia finita de unos y ceros. Esta secuencia dedígitos puede considerarse también como la representa-ción binaria de un número entero, al igual que 1011011es el equivalente binario de 91. El trabajo del oráculopuede reformularse así: “Dado un entero que representaun programa (para cualquier ordenador que pueda sersimulado por una máquina universal de Turing), emitirun ‘1’ si el programa llega a término; emitir un ‘0’, encaso contrario.”

El oráculo consiste en un dispositivo medidor perfectomás un almacén, o memoria, que contiene un valor preciso

—llamémoslo τ, en honor de Turing— de cierta magnitudfísica. (La memoria podría parecerse a un condensador

El cómputo de lo incomputable:el oráculo

CITA TOMADA DE LA TESIS DE TURING



cualquiera, escrito en C, por ejemplo,entrará en un bucle infinito.

Si fuera posible construir hipercom-putadoras —y el condicional tienemucho de improbable— se abriríanenormes posibilidades de desventrarproblemas lógicos y matemáticos hastaahora considerados inabordables. Dehecho, las ciencias de cómputo podríanestar acercándose a uno de sus avancesprincipales desde que, hace decenios,se ensambló la primera concreciónelectrónica de una máquina universalde Turing. Por otra parte, el trabajoen hipercomputadoras puede irse algarete a falta de algún modo dematerializar un oráculo.

La búsqueda de fenómenos físicos,químicos o biológicos idóneos está enmarcha. Quizá la solución se encuen-

tre en moléculas complejas o en otrasestructuras que se concatenen segúnconfiguraciones como las descubier-tas por Hanf y Myers. O que, deacuerdo con lo sugerido por Jon Doyle,aparezcan de forma natural sistemasequilibrantes con espectros discretosde los que se pueda considerar querealizan, en principio, tareas incom-putables, que produzcan una salidaidónea (1 o 0, por ejemplo) tras serbombardeados con entrada.

Extramuros de la lógica matemá-tica las máquinas-O de Turing han

caído en el olvido, suplantadas por unmito. Según esta narración apócrifa,Turing demostró a mediados de losaños treinta la imposibilidad de lashipermáquinas. A Turing y a AlonzoChurch se les atribuye erróneamentela formulación de un principio alefecto de que una máquina universalde Turing pueda simular exactamenteel comportamiento de cualquier otramáquina de procesamiento de infor-mación. Esta proposición, amplia peroincorrectamente conocida por tesisde Church-Turing, implica que nin-guna máquina puede llevar a cabo unprocesamiento de información situadomás allá del alcance de una máquinauniversal de Turing. La verdad es queChurch y Turing se limitaron a afirmarque una máquina universal de Turing

puede igualar el comportamiento decualquier matemático humano quetrabaje con lápiz y papel según unmétodo algorítmico —afirmación hartomás débil, que ciertamente no excluyela posibilidad de las hipermáquinas.

Las contribuciones teoréticas deTuring, a pesar de su carácter pio-nero, permanecen ignoradas hasta porquienes se afanan en la construcciónde hipercomputadoras. Los expertoshablan de llevar el procesamiento deinformación “más allá del límite deTuring” y dicen de sí mismos que

están tratando de “romper la barrera deTuring”. Un examen de este campo enemersión, recientemente publicado en New Scientist , afirma que las nuevasmáquinas “trascienden la concepciónde Turing” y son “computadoras deun tipo jamás contemplado por Tu-ring”, como si el genio británico nohubiera concebido ya tales artilugioshace más de medio siglo. Diríase que

lo ocurrido respecto a las ideas deTuring sobre el conexionismo tornaa repetirse.

Aprincipios de los años cincuenta, próximo al final de su vida,

Turing se asomaba al estudio de lavida artificial. Se proponía simularun mecanismo químico merced alcual los genes de un óvulo fecundadodeterminaran la estructura anatómicadel futuro animal o planta. Investiga-ción que, a su entender, “no estabaenteramente desconectada” del estu-

dio de las redes neuronales, porque“la estructura cerebral ha de ser...conseguida por el mecanismo em-briológico genético, y esta teoría enla que estoy trabajando puede dejarmás claro cuáles son las restriccionesque esto entraña”. Era el primeroque se internaba en la exploraciónasistida por ordenador de sistemasdinámicos no lineales. Su teoría sevalía de ecuaciones diferenciales nolineales para expresar la química delcrecimiento.

Pero a mitad de estas investigacio-nes, que roturaban nuevos territorios,murió envenenado con cianuro, sui-cidándose quizá. El 8 de junio de1954, poco antes del que hubierasido su cuadragesimosegundo cum-pleaños, Turing fue hallado muerto ensu dormitorio. Había dejado una granpila de notas manuscritas y algunosprogramas de ordenador. Transcurri-dos decenios, no se ha desentrañadotodavía ese valioso arsenal.


INTELLIGENT MACHINERY. Alan Turingen Collected Works of A. M. Turing: Mechanical Intelligence. Compila-ción de D. D. Ince. Elsevier SciencePublishers, 1992.

ON ALAN TURING’S ANTICIPATION OF CONNECTIONISM. B. Jack Copelandy Diane Proudfoot en Synthese, vol.108, n.o 3, páginas 361-377; marzode 1996.

TURING’S O-MACHINES, SEARLE,PENROSE AND THE BRAIN. B. JackCopeland en Analysis, vol. 58, n.o 2, páginas 128-138; 1998.


8.735.439

QUIVALENTE DECIMALDEL NUMERO BINARIO

ORACULO

0

ELPROGRAMA

NO DARA

FIN

MEMORIA DEL ORACULO. CONTIENE τ = 0.00000001101...

que almacenase una cantidad exacta de carga eléctrica.) El valor de τ es unnúmero irracional; su representación escrita consiste en una secuencia infinitade números binarios, como 0,00000001101...

La propiedad crucial de τ estriba en que sus dígitos individuales representancon precisión los programas que terminan y cuáles no. Así, por ejemplo, siel entero que designa un programa fuera 8.735.439, el oráculo podría obtenerpor medición el 8.735.439-ésimo dígito de τ (contando de izquierda a derechadesde la coma decimal). Si ese dígito fuera un 0, el oráculo concluiría que elprograma proseguiría eternamente.

A falta de τ el oráculo no serviría de nada, y es muy posible que resulteimposible hallar en la naturaleza alguna variable física que tome este valor exacto.Por ello se está buscando alguna forma practicable de materializar un oráculo.De ser hallada, el impacto sobre las ciencias de cómputo podría ser enorme.

—B.J.C y D.P.




Una nueva ventana se Diez años de odisea llegarán a su culminación cuando un telescopio,

que podría superar a los observatorios espaciales, reciba su primera luz

en la cumbre más elevada del Pacífico

Gary Stix




Desde el cerro de ceniza rojiza que les servía de mirador los espectadores observaban. Su-

bía el convoy, cauteloso, a una velo-cidad imperceptible, por la carreteraescarpada y serpentina. La procesiónhabía tardado tres días en recorrer loscien kilómetros escasos que había deallí al mar. Salió del puerto, atravesósembrados ondulantes y campos de

lava negra y dejó atrás la residenciade los astrónomos, situada a unaaltura de 2800 metros. Y enfiló poruna carretera angosta de las inestablesy empinadísimas laderas del volcán,inactivo hace mucho. A paso ligerohubiéramos adelantado a la guardiade honor de todoterrenos que escol-taban a la enorme estructura plana.Dos camiones de 450 caballos, uni-

dos por una soga de 10 centímetrosde diámetro, remolcaban un cajónde acero hexagonal que contenía undisco de vidrio demasiado frágil parasoportar su propio peso de 22 tone-ladas. A pesar de varias capas dematerial amortiguador construido conlas técnicas más avanzadas, se corríael riesgo de que un choque de variosg (la fuerza sufrida al caer desde una

abre al cosmos

1. CAZAESTRELLAS, un espejo de 8,1metros de diámetro. Protegido por un

embalaje, camina hacia su emplazamientodefinitivo, la plateada cúpula abierta ( abajo)del observatorio Géminis Norte en la cum-bre del Mauna Kea.




bor, the glass wonder needed

to complete this monument toa secular religionWould the old

gods be angered by this sacrile-

gious incursion? Perhaps; if you

climb the catwalks to the top of

that lustrous rotating hemisphere

and stretch out your arms, you

can proclaim yourself king of

the world. At that moment, the

top of your head will mark the

highest point in the entire Pacific

11 9 9

2 2

3 3 7 7

4 4 6 6 5 5

8 8

El ensamblaje

En los últimos meses, el equipo del Géminis ha emprendido

el ensamblaje de los componen-tes principales del telescopio. Afinales de junio del año pasadocamiones especiales transporta-ron el espejo desde el puertode la bahía de Kawaihae (1) por

carreteras de montaña (2

) hastala cúpula del Géminis (3 ), en lacumbre del Mauna Kea. El día 11de diciembre el espejo salía dela cámara de revestimiento (4 ),verdadero quebradero de cabeza.Una grúa elevó el reflector y lodepositó en su celda (5 ).

Los 120 “actuadores” de lacelda aplican, controlados porordenador, presiones al discode vidrio de 20 centímetros degrosor para que adopte la formaadecuada. Estas correccionescompensan las pequeñas defor-

maciones causadas por el viento,la temperatura o la orientacióndel telescopio. Los ajustes evitanque la forma de la superficie delespejo sufra anomalías del tipode las que padeció el telescopioHubble . Cuando se ajustan losactuadores la superficie enteradel espejo deviene uniforme conuna exactitud de 100 a 200 na-nómetros.

Una vez trasladado el espejoa su celda, el ingeniero opto-mecánico Eric Hansen instalóun sensor dentro de ésta (6 ).

Días después se adosó el es-pejo, gracias a un aerodeslizadorneumático que hacía de elevador(7 ), a la estructura del telescopio,(8 ). Este bastidor se mantienea la misma temperatura que elaire de fuera gracias en partea unas aberturas de 10 metrosde ancho en el tambor de lacúpula (9 ) por las que salen losremolinos calientes y fríos quedegradarían la calidad de las imá-genes. —G.S.



altura de alrededor de medio metro)lo dañase. Un desperfecto hubierahecho que se perdiesen millones dedólares y se retrasase varios años laconstrucción de este telescopio gigan-tesco, en cuyo proyecto y ejecuciónse había invertido un decenio.

El cajón de acero sobresalía de labase de ruedas del vehículo. En cadarevuelta ahorquillada se escondía el

peligro de un deslizamiento de lapreciosa carga contra la pared deceniza volcánica que se levantaba aun lado o de que cayese al preci-picio que había al otro. Si el sitioayuda, la técnica invita al vuelo delespíritu. Allí, entre las cenizas salidasde las entrañas del Mauna Kea, anteuna vista diáfana del océano, parecíaengendrarse una confluencia elemen-tal del aire, la tierra, el fuego y elagua. El convoy adoptó la forma deuna cruz gigantesca al acercarse a lacumbre, considerada en la antigua

religión de la Big Island del archi-piélago hawayano el hogar sagrado dela diosa de las nieves. Una recua defords Explorer y toyotas 4Runner erael tronco del emblema; el embalaje deacero tan peligrosamente sobresalientedibujaba los brazos. Arriba, en mediode un paisaje lunar, a 4200 metrosde altura, la cúpula plateada del ob-servatorio Géminis Norte esperaba enla luz severa del Sol de junio a quele llegase la maravilla de cristal quecompletaba ese cuadro.

¿Se enojarían los dioses del lugarcon esta invasión de la técnica? Talvez. Quien suba por el pasadizo quelleva a la cima de ese hemisferio gira-torio y brillante y extienda los brazospodrá proclamarse rey del mundo. Sucabeza será el punto más elevado detoda la cuenca del Pacífico.

La entrega del espejo en la cum-bre cerraba una de las etapas másarriesgadas del proyecto Géminis.Pero iniciaba seis meses de trabajofrenético. El calendario dictaba quelos ingenieros habrían de conectar ycomprobar los sistemas principalesdel telescopio en medio año para

que el observatorio viese la “primeraluz” —es decir, tomase unas prime-ras instantáneas cósmicas— antes deNavidad del año pasado.

Lo apretado del plazo se debía a laslimitaciones presupuestarias; también,a un sentido agudo de la rivalidad.Desde mayo de 1998, y en un in-tervalo de 10 meses, iban a captarsu primera luz, además del Géminis,otros instrumentos colosales, el GranTelescopio del Observatorio Europeodel Sur , en el norte de Chile, y elObservatorio Astronómico Nacional

japonés. El telescopio nipón, Subaru (nombre japonés del cúmulo estelarde las Pléyades), emerge de otrocono de cenizas salpicado de rocasque se levanta a sólo unos cientosde metros.

El Géminis Norte no será el mayortelescopio de la última generaciónde colectores de luz. Y carecerá delequipo de cámaras y espectrógrafos

ópticos e infrarrojos que poseen al-gunos de los rivales. Pero sus cons-tructores están empeñados en superara la competencia a la hora de tomarimágenes en la parte infrarroja delespectro electromagnético, el intervaloharto inexplorado donde los astróno-mos buscan las regiones de formaciónestelar ocultadas por el polvo, queabsorbe la luz visible. También esen esas longitudes de onda dondese encuentran las primeras galaxiasporque, como se alejan de nosotrosa velocidades inimaginables, su ra-

diación se corre a ese extremo delespectro.

Amediados de diciembre podía ya discernirse en el observatorio,

entre las piezas de este mecano paratitanes, algunas de las cuales yacíantodavía en el suelo de acero, la ca-racterística que distingue al Géminis Norte. Mientras resonaba el eco de losgolpes del metal contra el metal bajola cúpula de 36 metros de diámetro,Matt Mountain, director del programa,miraba la parte superior del telescopio,a unos 20 metros de altura, donde elespejo secundario, de un metro dediámetro, enfocará en un estrecho yconstante haz la luz captada por elespejo primario de 8,1 metros dediámetro. Allí arriba, entre el primarioy el cielo, donde la mayoría de lostelescopios exhibe un grueso armazónlleno de instrumentos especiales, sólohabía dos ligeras varillas de aceroentrecruzadas. Semejan una araña depatas arqueadas. “La araña emite ra-diación directamente hacia el haz deltelescopio”, dice Mountain, la mismaque hace que el acero frío brille en

un detector de infrarrojos como unmorillo caliente y que aquí ahogaríala débil señal interestelar. “Cuantomás fina sea la araña, tanto menorserá la emisión.”

Mountain enumeró una lista de lascaracterísticas del diseño para reducirla emisión infrarroja, entre ellas elrevestimiento plateado del espejo. Laplata y otras medidas deberían dejaren un 3 o 4 por ciento la radiacióninfrarroja de fondo originada en elpropio telescopio, menos de la quintaparte de la cifra típica en los ob-

servatorios terrestres. A continuaciónexplicó los rudimentos del diseño delos telescopios avanzados. Contó queunas aberturas que se abren y cierrancomo unos enormes labios de aluminioexpulsan las corrientes turbulentas deaire, los remolinos producidos porla diferencia de temperatura entreel telescopio, la cúpula y el airecircundante, que distorsionan la ima-

gen dentro de la cúpula: “Podemoslograr que 300 toneladas de acerono difieran en más de un grado dela temperatura ambiental.”

Gracias a este cuidado con losdetalles el Géminis debería poderdiscernir en el infrarrojo cercanorasgos de sólo siete centésimas desegundo de arco, resolución mayorque la del telescopio espacial Hubble, que tiene una apertura hasta ciertopunto pequeña de 2,5 metros. Unsegundo de arco es 1/3600 de ungrado. Con la resolución más fina

del Géminis un astrónomo podría enteoría leer el logotipo de la NASA enla Estación Espacial Internacional auna distancia de 350 kilómetros (siemitiera infrarrojos).

Mountain, astrónomo de forma- ción, ha dedicado buena parte

de su carrera profesional a la cons-trucción y perfeccionamiento de instru-mentos infrarrojos. Antes del Géminishabía construido en Mauna Kea elespectrómetro del vecino UKIRT (Te-lescopio Infrarrojo del Reino Unido).Más tarde se encargó de las primerasetapas de una mejora de la óptica deese telescopio.

La noche antes de subir a la cum-bre, Mountain estuvo levantado hastapasadas las doce cuidando a su hijode un año, enfermo de tos ferina. Loshábitos nocturnos de un astrónomohabían preparado bien a Mountainpara ser padre, y esa inclinación alinsomnio le iba ser de gran utilidaden las próximas semanas, cuando laprimera luz marcase un nacimientode otra índole. De 42 años de edad,este inglés alto, entrado en carnes

y pelo castaño en rizos, tiene untrato amable y campechano, que lecualifica para mediar y desenvolverseentre los participantes en el pro-yecto, científicos caprichosos unos,burócratas gubernamentales de sietenaciones otros.

Cuando faltaba poco más de unasemana para las Navidades, Moun-tain veía que el Géminis no sacaríasus primeras imágenes infrarrojas delfirmamento hasta mediados de eneropor lo menos. Una pequeña manchaen el programa establecido más de




cuatro años antes. En realidad niMountain ni el jefe del proyecto, JimOschmann, sabían exactamente cuántotrabajo quedaba por hacer antes deque pudiera descorrerse la aberturade observación de la cúpula y seapuntara el gigante de 342 toneladashacia un punto estelar.

L

a expectación invadía la cúpula mientras ingenieros y técnicos,

embutidos en monos marrones, sesuspendían como simios de la es-tructura del telescopio para repa-rar los pliegues de acordeón de lacubierta metálica del primario. Lostécnicos instalaban fibras ópticas ycables eléctricos mientras padecían elaire helado de la cúpula sin calefac-ción. “Necesito un par de pulmonesmás”, exclamaba un electricista delobservatorio, Andrew Gushiken, quereaccionaba así al poco oxígeno, un40 por ciento menos que el que dis-frutaban los bañistas unos kilómetros

más bajo. Los obreros hicieron losúltimos ajustes, internos y externos,de la celda del espejo, la gigantescaestructura cilíndrica que sostiene aéste y le da, bajo el control de unosordenadores, la forma adecuada. Enuna pizarra blanca estaba escrita unaadvertencia para los que disfrutasende un descanso: “No Observar en laPlataforma de Observación”.

“Un retraso de la primera luz deun mes es aceptable, pero no pode-mos permitirnos más aplazamientos”,recalcó Mountain. “La credibilidad de

este programa y de los que vengandespués depende de ello.” Que lafecha prevista se aplazara aún máspodría retrasar el plan de trasladar elequipo de ingenieros al norte de Chile,donde, como se deduce del nombreGéminis, un telescopio gemelo abrirásu ventana al universo antes de que suhermano del hemisferio norte cumplados años. Con los Géminis Norte ySur los astrónomos podrán elaborar unprograma de observaciones que abar-cará todo el cielo, desde las regionesde formación estelar de las NubesMagallánicas hasta las galaxias delCampo Profundo del Hubble.

Otra razón de que el tiempo co-rriese deprisa para Mountain y suequipo era el carácter público dela obra. No sólo proporcionará unpanorama celeste más amplio, sinoque dará tiempo de observación amás astrónomos que cualquier otrogran telescopio de los Estados Unidos.Los Géminis se convertirán en los

Telescopios del Pueblo, los obser-vatorios nacionales con espejos de 8metros de EE.UU., el Reino Unido,Canadá, Australia, Argentina, Brasil yChile. En contraste con los telesco-pios construidos con fondos privados,los Géminis estarán a disposición decualquier astrónomo de estos paísesque convenza de los méritos de supropuesta a la comisión que asignalos tiempos de observación.

El gobierno de los Estados Unidosse ha comprometido a financiar lamitad del coste del proyecto Géminis,

pero con la condición de que noexceda de 88 millones de dólares.Una demora en el telescopio del nortepodría aumentar los costes y dificultarla solicitud de fondos destinados aequiparlo con una instrumentacióncompleta en los próximos años.

El proyecto ha sufrido estrecheces financieras. Las características

minimalistas del diseño son, segúnMountain, un monumento a los ri-gores de la contabilidad, no menosque al ingenio técnico. La espartanaparte superior del telescopio limitael ruido infrarrojo, pero a costa deprescindir de una cámara de campoancho que muchos astrónomos de-seaban para cartografiar una zonaamplia del cielo. El sacrificar estey otros aparatos útiles permitió queel equipo del Géminis mantuvierael coste del telescopio dentro delpresupuesto, que ahora es de 184millones de dólares. El único desvío

ascendió a 8 millones de dólares, enconcepto de mejores sensores y unoscomponentes empleados para revestirel espejo con plata en Chile.

Japón, por el contrario, ha gas-tado 350 millones de dólares en suúnico telescopio; no han escatimadodinero en su afán de asumir un pa-pel prominente en la astronomía devanguardia.

La preocupación de Mountain porcumplir las fechas y costes previstosnacía también de las controversiasque persiguieron al proyecto en sus


2. VOLVER REFLECTORA una lámina de vidrio fue latarea que les incumbió a cuatro ingenieros y técnicos delGéminis. En el vecino Telescopio Francocanadiense de Hawai(CFHT) (izquierda), trasladaron el espejo a mano desde

la sala de lavado hasta la cámara de vacío. Esta evaporó

una lámina muy fina de aluminio sobre la superficie deldisco de vidrio ( centro). Luego John Filhaber, del Géminis,y Barney McGrath, experto en revestimientos del CFHTque sostiene la linterna, inspeccionaron la pátina altamente

reflectora ( derecha).



primeros años. Pocos meses después

de que Mountain fuera contratado en1992 (ascendió al puesto de directoren 1994), el proyecto por poco sevino abajo. La Universidad de Arizonaimpugnó la decisión de conceder elcontrato de la colada del espejo a Cor-ning, la compañía que había ofrecidoel precio más bajo. En el Laboratoriode Espejos de ese centro, encabezadopor J. Roger Angel, “creían”, segúnMountain, “que el contrato les per-tenecía por derecho”.

El equipo de Angel objetó quelas pequeñas ráfagas de viento delinterior de la cúpula flexionarían esalentilla gigantesca —de ocho metrosde ancho, aunque de un grosor de sólo20 centímetros— y la luz estelar sedistorsionaría. Según la universidad,con ese diseño el espejo no aguan-taría tanto como con el suyo, unasuperficie de poco grosor sostenidapor un “panal” rígido de cristal deborosilicato. En el debate intensoque siguió, un comité independiente,convocado por la Fundación Nacio-nal de la Ciencia, recomendó queel contrato pasase a la Universidadde Arizona.

Durante los 11 meses siguientes, elequipo del Géminis tuvo que justificarhasta los puntos más insignificantesdel diseño. Por fortuna, otro comité re-visor del diseño —esta vez convocadono sólo por la Fundación Nacionalde la Ciencia, sino también por laAsociación de Universidades para laInvestigación Astronómica— refrendóla opción inicial del equipo Géminisy permitió que el programa siguiesesu rumbo original.

Mountain había dejado la sede delGéminis en la ciudad portuaria de

Hilo y subido al Mauna Kea para

presenciar uno de los muchos pasosen el camino hacia la primera luz.El grupo de ingenieros que trabajabaen la cumbre había ido tachandoobjetivos cumplidos de la lista detareas pendientes. Habían alumini-zado el espejo primario y lo ha-bían instalado en su celda cilíndrica.Ahora llegaba el momento de ponerel conjunto del primario en su lugardefinitivo y adosarlo a la estructuradel telescopio.

M

ientras avanzaba el trabajo, Moun- tain y Oschmann, situados en

la plataforma de servicio del bastidordel telescopio, tenían a la vista, másabajo, a un lado de la cúpula, unareluciente superficie cóncava de metalque descansaba sobre una plataformay que desde allí recordaba a una pis-cina. En el andamio que había juntoal espejo Larry Stepp, el encargadode la parte óptica del proyecto, y elingeniero opto-mecánico Eric Hansenapretaban las tuercas que asegurabanel espejo de tal modo de que ni si-quiera un terremoto pudiese sacarlode su celda.

“Os digo que no es ésta precisa-mente la parte que mejor impresiónme cause”, decía Stepp a Mountainy Oschmann, lamentando que hubieseque hacer ajustes mecánicos sobre lasuperficie del espejo. En el equipo delGéminis, Stepp había asumido el papelde protector del espejo, el que instabaen todo momento que se siguiese elcamino más cauteloso para que estacristalina joya de más de 10 millonesde dólares siguiera intacta.

El espejo es una obra maestra,trabajada con suma simetría. A lo

largo del diámetro de su superficie

no varía, de pico a depresión, enmás de 16 nanómetros (milmilloné-simas de metro); es decir, alrededorde la mitad de lo especificado enel contrato con REOSC. Ningúnpunto está a más de 140 nanóme-tros de la lisura absoluta. “Si seestirase este espejo hasta igualarla extensión del Atlántico”, aseguraMountain, “la ola más alta tendría30 centímetros.”

La superficie del espejo es puntode referencia para los nuevos tele-scopios. Cuando se pulió el espejodel Géminis un científico del Subarullamó para pedir información sobrelos resultados. La calidad del es-pejo del Subaru, una vez concluido,superó a la del Géminis en cuatronanómetros. A su vez, el proyectoGéminis entregó los resultados delSubaru a REOSC mientras se pulíael espe jo del Géminis Sur, de CerroPachón.

Trasladar el espejo sólo unos metrospor el suelo de la cúpula no deberíahaber llevado más que unos minutos,pero se tardó hora y media. Las 80toneladas de la celda descansaban

sobre una suerte de aerodeslizadorneumático que vibraba vacilantementehacia delante. Tropezaba una y otravez con un vano que había entre elsuelo de la cúpula y la plataformacentral giratoria en la que se asientael telescopio. Dos obreros se turnabanpara tensar un cable y tirar así dela celda. Otro saltaba sobre el cable,aportando su peso al esfuerzo.

Hubo que improvisar docenas desoluciones de este estilo para quela obra saliera adelante. Dos díasantes, John Filhaber, el encargado de




integrar las miríadas de sistemas delGéminis, había ayudado a tres colegasa arrastrar el espejo secundario, undisco de vidrio de alrededor de 60kilogramos de peso, por el suelo dehormigón de un observatorio vecino.Vestidos con máscaras blancas decirujano y gorras, batas y botas desala blanca, los cuatro hombres car-garon con el espejo como si fuese

un mueble.Filhaber hubiese preferido evitar

este traslado arriesgado, pero la cá-mara de revestimiento del Géminis,según la publicidad del proyecto lamás avanzada jamás construida, sehabía averiado diez días antes en unasesión maratoniana que duró toda unanoche. La cámara contiene un mag-netrón; este aparato arranca átomosde aluminio de una hoja metálicamediante un plasma de iones de ar-gón y los deposita como una películareflectora ultrapura sobre el espejo de

vidrio. (Para cubrir el espejo enterode ocho metros de diámetro bastó conla cantidad de aluminio que lleva unlata de cerveza.)

El Observatorio Real de Greenwichhabía construido la cámara. A la quefue institución científica más antiguade Inglaterra, parece que acosadapor los problemas presupuestarios lepreocupaba más su defunción inmi-nente que el contrato con el proyectoGéminis. “La construyeron en susúltimos días de existencia, y se nota”,se quejaba Filhaber.

Para principios de diciembre Fil-haber llevaba luchando meses porconseguir que la máquina de reves-timiento funcionara correctamente ytenía abandonada la coordinación delos múltiples sistemas del Géminis. Nopodía aplazarse más el revestimientodel espejo primario. Por eso, un largodía él y tres técnicos tuvieron quetirarse siete horas con los ojos pega-dos a los contadores que medían lacorriente que pasaba por el magne-trón. “Nunca había funcionado tantotiempo sin averiarse”, dijo Filhaber.“Ni respirábamos.”

Justo entonces, cuando faltabansólo 20 minutos para acabar y unsolo segmento de cristal por cubrir,el voltaje bajó a cero y la corrientesubió por las nubes. Un cortocircuitohabía apagado la máquina. Se temiólo peor. El magnetrón podría habercortado la superficie del espejo. Volvera arrancar la máquina causaría unaondulación en el revestimiento; quizáhasta tendrían que retirar el aluminioy empezar de nuevo. “Se nos vinoa la mente la resolución del Apolo13 en su viaje de vuelta de la Luna.

Nuestras vidas no corrían peligro, peroel espejo sí, y era nuestra vida.”

Filhaber, de 35 años de edad, con-fiesa, al hilo de lo manifestado, quees un tanto temerario. De estudianteen Columbia organizaba escaladasnocturnas en los puentes de Bro-oklin y de George Washington. Vio elcontratiempo como un reto. Se pusoa alinear el magnetrón a ojo paraterminar el revestimiento. Lo logrócon su equipo, dejando el espejocon un revestimiento adecuado pararecibir la primera luz.

Con la máquina del Géminis todavíaaveriada, el grupo de Filhaber pidióprestada la cámara de revestimientodel vecino Observatorio del TelescopioFrancocanadiense de Hawai; coloca-ron en su interior el espejo secundariosin problemas. A finales de eneroFilhaber dejó el proyecto.

E l hito de la primera luz es puro formalismo. En el caso delGéminis no significaba que el tele-scopio se encontrase en condicionesde ser entregado a los astrónomospara que éstos pudiesen mirar elfirmamento las noches claras. Másbien quería decir sólo que a juiciodel director, dos de los científicosy el encargado de las relacionespúblicas del proyecto Géminis ibana poder enseñar varias de las mu-chas imágenes que se había sacadocon una cámara infrarroja prestada

sin correr el riesgo de recibir unalluvia de críticas de la comunidadastronómica.

La verdadera primera luz se recibióa finales de diciembre, y tuvo uninquietante aire a experimento decolegio. La luz estelar reflejada enel gran paraboloide de vidrio relucíapor encima de éste en una cartulina,un punto de unos pocos milímetrosde diámetro. El punto —un reflejode Júpiter— permitió que se calibraseel gran espejo.

A finales de diciembre y a lo largode enero el proyecto fue superandolentamente otras pruebas con las quese iba comprobando si merecía elimprimátur de la primera luz. Noobstante, debido a problemas mecáni-cos y de la programación informáticase sobrepasó la fecha prevista demediados de enero. Sin embargo, enla noche del 29 de enero el Géminis

estaba listo para apuntar al cielo ypasar un nuevo rito de primera luz:tomar una serie de imágenes conlos espejos primario y secundarioya instalados.

A las nueve y media de la nochereinaba la oscuridad en la cúpula delGéminis, salvo por el verde resplandorde la pantalla de un ordenador. Lacompuerta de la abertura de la cúpulase corrió y el interior se iluminó conla luz de la luna llena. El telescopiose puso firme, apuntado al cenit; cu-riosamente dio con Cástor y Pollux,





E l público lo asocia al juego “Vida”. Muy pocos saben de su destreza en encontrar teore-

mas velados bajo sencillos acertijos.Entrar en el despacho que John H.Conway ocupa en la Universidad dePrinceton es como sumergirse en unmundo de atracciones matemáticas.Cual globitos destellantes en un salónde baile, cuelgan del techo docenasde poliedros hechos de cartulinasde colores. Aquí, una botella deKlein construida de malla metálica;

allá, junto a la ventana, modelosde redes cristalinas. Del suelo sealza una pirámide de pelotas detenis. En medio de esa barahúnda,Conway, reclinado en su sillón, conla cara semioculta tras las gafas yuna poblada barba gris. Atodas luces, este eclécticomatemático de 61 años seencuentra en su elemento.

“¿Qué día naciste?”, mepregunta tras el saludo derigor.

“El 19 de abril de 1961”,respondo.

“¡Martes!”, apostilla. Yse corrige. “¡No, córcho-lis! ¡Miércoles!” Levementecontrariado por el fallo, meexplica que hace tiempose le ocurrió un algoritmopara determinar el día dela semana correspondientea una fecha cualquiera. Sellama la Regla del Día delJuicio. Muy sencillo, le per-mite hacer los cálculos dememoria. No suele tardarni dos segundos en extraer

la respuesta correcta. Paramejorar en rapidez, se ejer-cita con el ordenador. Cadavez que lo pone en marcha,la máquina le reta a botepronto con fechas al azar,según un programa que leha pergeñado.

¿Para eso le paga unsueldo la Universidad dePrinceton? La verdad esque, a lo largo de los úl-timos treinta años, Conwayha realizado algunas de sus

mayores contribuciones a la teoríamatemática analizando sencillos acer-tijos. “A mí me resulta imposibleir al despacho y decir: ‘Hoy voy aescribir un teorema’”, admite. “Habi-tualmente tengo una docena de cosasen la cabeza, entre ellas juegos yadivinanzas. De vez en cuando, sime remuerde la conciencia, trabajoen algo útil.” El trabajo útil deConway abarca desde teoremas so-bre nudos y empaquetamientos deesferas hasta el descubrimiento de

una clase de números totalmentenueva, denominados con buen tinonúmeros surrealistas.

Nacido en Liverpool en 1937, mos-tró un talento temprano. A la edadde cuatro años, según su madre,

recitaba las potencias de dos. LaLuftwaffe bombardeaba por enton-ces la ciudad inglesa. Guarda unimborrable recuerdo de uno de losataques. “Cierta noche, mientras mipadre nos llevaba al refugio, miréal cielo. Se veían las luces de losreflectores sobre nuestras cabezas ylas bombas cayendo de los aviones.Se precipitaban en ristras, arremo-linándose. Era tan bonito que dije:‘¡Mira, papá! ¿A que es lindo?’”.

Conway se matriculó en la Uni-

versidad de Cambridge, donde es-tudió teoría de números y lógicay acabó por obtener una plaza enel departamento de matemáticas. Ensu tiempo libre se aplicó con avi-dez al juego del backgammon. “En

Cambridge solía jugar albackgammon en la sala derecreación”, recuerda. “Miscolegas, más sosegados,venían de vez en cuandoa tomar un café o un té,pero yo me pasaba allí eldía entero.” No salió de lamedianía hasta finales delos sesenta, cuando quedóintrigado por una red teó-rica que se extiende en 24dimensiones. Reflexionandosobre la figura, descubrió unnuevo grupo finito, que esel conjunto de simetrías deun objeto geométrico. Uncubo, por ejemplo, tiene 24simetrías: existen 24 mane-ras de girarlo y dejarlo enla misma posición. Pero elgrupo de Conway, como sellamó, tiene más de 1018

simetrías, lo que supo-nía el mayor grupo finitoconocido en el momentode su descubrimiento. (Mástarde le quitó esa prerroga-tiva el grupo Monstruo, conmás de 1053 simetrías.)

Más o menos por enton-ces, le daba vueltas a laidea de un constructor uni-versal, estudiado por Johnvon Neumann en los añoscuarenta. Un constructoruniversal es una máquina

PERFILESMark Alpert

JOHN H. CONWAY: Algo más que diversión

Reflexionando sobre un poliedro: el matemático

John H. Conway ha realizado importantes contribuciones a la

geometría, la teoría de números, la teoría de grupos y la topología




hipotética que puede construir copiasde sí misma, algo que sería muy útilpara colonizar planetas remotos. Esematemático norteamericano creó unmodelo matemático para una má-quina así, basándose en unos ejescartesianos (en esencia, una cuadrí-cula ampliada). Conway simplificó elmodelo, y se convirtió en el ahorafamoso juego “Vida”.

El juego arranca con una serie defichas, que representan las células“vivas”, dispuestas sobre el tablero.Se van luego eliminando las fichasque sólo tengan a su alrededor otraficha o ninguna y las que tengan másde cuatro vecinas (las células repre-sentadas “mueren” así de aislamientoo a causa de la superpoblación). Lasfichas que se rodean de dos o tresvecinas permanecen en el tablero.Además, “nacen” nuevas células: seañade una ficha en cada casilla vacíaque presente exactamente tres casi-

llas vecinas ocupadas. Por iteraciónde las reglas, se puede crear unasorprendente variedad de formas deVida, como “planeadores” y “navesespaciales” que se mueven sin cesarpor el tablero.

Conway le enseñó el juego de Vidaa su amigo Martin Gardner, quiendurante mucho tiempo escribiera lasección “Juegos Matemáticos” deScientific American (mantenida por Investigación y Ciencia desde suaparición en octubre de 1976). Enoctubre de 1970 Gardner describióel juego en Scientific American, yobtuvo un éxito inmediato. Informáti-cos entusiastas escribieron programasque permitían crear formas de Vidaaún más complicadas. Incluso hoy,pasados más de 30 años, sigue reci-biendo cuantiosos mensajes electró-nicos sobre Vida. “El juego hizo deConway una celebridad de la noche ala mañana”, comenta Gardner. “Perotambién abrió una nueva disciplina enla investigación matemática, el campode los autómatas celulares.”

Conway, sin embargo, se dedicóa otros menesteres. Algunos de sus

colegas de Cambridge eran hábiles jugadores de Go, un antiguo pasa-tiempo. Observándolos, se propusodesarrollar una representación ma-temática del mismo. Advirtió que,hacia el final de una partida típica,cuando el tablero está cubierto porserpenteantes líneas de fichas negrasy blancas, el juego se asemeja ala suma de varios juegos menores.Conway cayó en la cuenta de quealgunos juegos se comportan en rea-lidad como los números. Esta percep-ción le llevó a formular una nueva

definición de losnúmeros que com-prendía no sólolos ya familiares(enteros, racio-nales, reales ydemás) sino tam-bién los númerostransfinitos, querepresentan los ta-

maños de conjun-tos infinitamentegrandes.

Sabían los ma-temáticos desdehacía tiempo quehabía más de untipo de infinito.El conjunto delos enteros, aun-que infinitamente grande, es menorque el conjunto de los reales. Ladefinición de Conway abarcaba to-dos los números transfinitos y, lo

que era aún mejor, permitía quelos matemáticos les aplicaran todaslas operaciones algebraicas. Fue unaproeza teórica: poniendo los númerosfinitos y transfinitos en la mismacesta, Conway aportó una fundamen-tación lógica de todos los números.Donald E. Knuth, informático de laUniversidad de Stanford, quedó tanimpresionado por los progresos deConway que escribió una singularnovela, titulada Números Surrealis -tas , para explicar la teoría. En elrelato, Conway asume el papel deDios (la voz de uno de los carac-teres, llamado “C”, retumba desdeel cielo). Pese a la desmesura dela comparación, Conway reconoceque la modestia no es su fuerte.“Tras realizar un descubrimiento, missentimientos son un poco ambiguos”,dice. “Admiro la belleza de lo quehe descubierto, de cómo encaja todo.Pero también admiro mi propia des-treza al descubrirlo.”

El interés de Conway por los jue-gos culminó en 1982 con la publi-cación de Winning Ways for Your Mathematical Plays, una obra en dos

volúmenes que escribió con ElwynR. Berlekamp, de la Universidad deCalifornia en Berkeley, y Richard K.Guy, de la Universidad de Calgary.El libro se ha convertido en obra dereferencia de la matemática recrea-tiva; describe docenas de juegos quedesafían la mente, la mayoría inven-tados por los autores, con nombresextravagantes como Sapos y Ranas.Pero el principal propósito del libro,insiste Conway, no es la diversión.“Me interesa la teoría que subyacebajo el juego, no éste. Se me ocurrió

la teoría de números surrealistas anali-zando el Go, pero yo realmente nuncaeché una partida.” El backgammon,su pasatiempo preferido, desafía el

análisis matemático porque involucrael ingrediente del azar.Desafortunadamente, la vida perso-

nal de Conway no es tan ordenadacomo sus teorías matemáticas. Hasufrido fases de depresión y un ata-que al corazón. A mediados de losochenta se trasladó de Cambridgea Princeton, y desde entonces granparte de su trabajo se ha centradoen la geometría. Sigue investigandolas simetrías de las redes cristalinas,lo que explica los modelos prendidosen el despacho. No olvida el “pro-yecto ambicioso”, una revisión de losaxiomas fundamentales de la teoríade conjuntos. Se lamenta de pérdidade vigor. “Antes solía pasar por esasfases encendidas en las que no podíadejar de pensar en un problema”,admite. “Pero ahora ya no son tanfrecuentes. Hace un montón de tiempoque no tengo ninguna.”

Sea como fuere, la matemática lereserva un lugar en la historia. “Esdifícil predecir cuál de sus resulta-dos ejercerá mayor influencia en losmatemáticos del futuro”, dice MartinKruskal, de la Universidad Rutgers,

que ha investigado durante añoslos números surrealistas. Al propioConway le preocupa que el éxitode sus trabajos en juegos vele susaportaciones más significativas, comoel descubrimiento de los númerossurrealistas y el grupo de Conway.No duda, empero, de que los diver-timentos mentales pueden llevar ala matemática más seria. “A veces,algo que se consideraba frívolo puederesultar que es un profundo problemaestructural. Y eso es lo que provocael interés de los matemáticos.”

1 2 3 4

5 6 7 8

Una disposición de fichas del juego de la Vida:el gato de Cheshire, que se transforma en una sonrisa

(7) y finalmente en la huella de una zarpa (8)



Simetría bilateral

Primeros organismos

No parece la sistemática zoológica, a estas alturas del desarrollo de

la ciencia, proclive a sufrir grandesconvulsiones. O no lo parecía. Tales quizás una de las primeras deri-vaciones de la investigación que hallegado a la conclusión de que losPlatelmintos acelos son los primerosorganismos con simetría bilateral.

Lo dice su propio nombre: Bilateriao bilaterales son metazoos, organis-mos multicelulares, con simetría bi-

lateral. Poseen, pues, un plano únicoque divide su cuerpo en dos partessimétricamente iguales, una derechay otra izquierda. Dichos organis-mos presentan un eje anteroposterior(cabeza-cola) y un eje dorsoventralmuy definidos; además, el sistemanervioso se halla concentrado en laregión cefálica.

Antes de que surgieran los or-ganismos bilaterales, los metazoosexistentes (esponjas, cnidarios, cte-nóforos) tenían simetría radial; eranorganismos diblásticos, lo que signi-fica que constaban sólo de dos capasembrionarias, a saber, ectodermo yendodermo.

La aparición de la simetría bilateralrepresentó un gran avance evolutivorespecto a la simetría ra-dial. Sucedió paralelamentea una mayor definición deleje anteroposterior, a la apa-rición del eje dorsoventraly a una clara cefalización.Todo ello dio lugar a lalocomoción unidireccionalfrente a los hábitos sési-les, multidireccionales, de

la mayoría de los organis-mos de simetría radial.Hubo más. Coincidió

ello en el tiempo con otragran innovación evolutiva:la formación de una ter-cera capa embrionaria, elmesodermo. Los animalescon simetría bilateral son,pues, organismos triblásti-cos, que poseen ectodermo,endodermo y mesodermo.Del mesodermo deriva lamayoría de los órganos in-

ternos del cuerpo; junto al ectodermo,da lugar a toda la gama de apéndices(extremidades, alas, aletas, etcétera),

sólo presentes en organismos bilate-rales, que facultan conductas locomo-toras eficaces y novedosas.

Gracias a esa serie de nove-dades evolutivas, los organismosbilaterales aumentaron en tamañoy complejidad, lo que amplió susposibilidades de explorar nuevosnichos ecológicos. Prueba evidentede ello es que, de los 35 phy la deMetazoos existentes hoy en día, másdel 90 por ciento son bilaterales ytriblásticos.

El registro fósil muestra que los

phyla bilaterales aparecieron y sediversificaron de manera repentina(desde el punto de vista paleonto-lógico, es decir, en un intervalo de10 a 20 millones de años) duranteel inicio del período Cámbrico, fenó-meno al que se ha denominado, porsu rapidez, Explosión Cámbrica.

La súbita aparición de organismosbilaterales triblásticos en el Cámbricoha impedido saber cuál fue y cómoera el primer organismo bilateral,qué tipo de desarrollo y ciclo vitalpresentaba o qué hábitos ecológicosmostraba. Durante casi 150 años mor-fólogos y embriólogos han debatidointensamente acerca de su naturaleza,sin llegar a una solución admisiblepor todos.

Entre las hipótesis sobre la adqui-sición de la bilateralidad más acepta-das destaca la basada en un aumento

paulatino de complejidad a lo largode la evolución, desde organismostriblásticos sencillos (acelomados),pasando por pseudocelomados decomplejidad creciente, hasta llegara los celomados. En consecuencia,los phyla de organismos acelomados,principalmente el phylum Platelmintos(gusanos planos), serían los descen-dientes actuales más próximos a losprimeros bilaterales.

Frente a esa hipótesis se esgrimela llamada teoría del arquicelomado.Propone que los primeros bilaterales

serían ya organismos complejos, pro-bablemente segmentados y celomados;los acelomados y pseudocelomadosprocederían del grupo “arquicelo-mado” por simplificación.

La limitada capacidad de resolu-ción de la morfología y embriologíacomparadas y del registro fósil seha visto equilibrada por el uso cre-ciente, desde los años ochenta, demétodos moleculares aplicados a lafilogenia. Dichos métodos se basan enuna premisa básica: la acumulaciónde substituciones en la molécula delADN es un proceso “más o menos”constante a lo largo del tiempo. Estaacumulación de cambios permite, me-diante la comparación de las secuen-cias de organismos actuales, deducir

la historia evolutiva de losdistintos grupos animales.

En 1993 nuestro equipode taxonomía y filogeniadel Departamento de Gené-tica de la Universidad deBarcelona, introdujo méto-dos moleculares para com-probar si los Platelmintoseran o no los bilaterales

más primitivos. Para ellosecuenciamos el gen quecifra el ARN ribosómico18S (ADNr 18S) de un grannúmero de especies perte-necientes a este phylum, ylo comparamos con secuen-cias de un amplio espectrode phyla de metazoos.

Los resultados que ob-tuvimos demostraban quelos Platelmintos no eran ungrupo basal dentro de losBilateria, sino un grupo em-


CIENCIA Y SOCIEDAD

1. Paratomella rubra , uno de los acelos utilizados en esteestudio, procedente de las playas de Sitges (Barcelona). Longitud, aproximadamente 1 milímetro




parentado con los protóstomos Spiralia(que abarcan moluscos y anélidos,entre otros).

Pero había un orden de Platelmintosmuy simples, los acelos, que aparecíanen los análisis separados del resto delos Platelmintos e instalados en unaposición basal respecto a los demásbilaterales. De ello se deducía que losacelos podían ser los descendientes

directos de los primeros bilateralesy que el phylum Platelmintos seríapolifilético.

Los resultados mencionados pre-sentaban una importante dificultadmetodológica. Los acelos secuencia-dos hasta entonces (dos especies)mostraban un ritmo de acumulaciónde cambios en su ADN muy superioral de la mayoría de los metazoos.Cuando se produce ese fenómeno,los organismos implicados se agrupanentre sí y se ubican en posicionesbasales, más ancestrales, de las que

en realidad les corresponde. ¿Sucedíaeso con los acelos?Para averiguarlo, decidimos en

otoño de 1996 secuenciar el máximonúmero posible de especies de acelos.Buscábamos dar con uno, o con varios,que experimentara una tasa de cambiosimilar al resto de los metazoos ynos permitiera, por tanto, establecercomparaciones. Si lo encontrábamos,podríamos acotar su posición real enel árbol filogenético.

Secuenciamos 18 especies diferen-tes de acelos. Hallamos una, Para-tomella rubra, con una tasa de cambiosimilar al resto de los metazoos.Esta especie se tomó como objeto dereferencia en un exhaustivo análisisfilogenético que incluía representan-tes de todos los phyla de metazoos;incluidos, por supuesto, los phyla propuestos también como posiblesancestros de los Bilateria (Mesozoos,Gnatostomúlidos, Quetognatos, Gastro-tricos, y Nemátodos).

Los análisis moleculares confirma-ron que los acelos no pertenecen alos Platelmintos. Indicaron, asimismo,que son descendientes directos de

los primeros metazoos con sime-tría bilateral, anteriores al resto delos Bilateria. Se trata, pues, de unlinaje puente entre los organismosdiblásticos (radiales) y los triblásticos(bilaterales). Constituyen, en resumen,un primer experimento de simetríabilateral anterior a la explosión delCámbrico.

Pasemos del nivel molecular alembriológico y morfológico. Tambiénéstos apoyan la separación de losacelos del resto de los Platelmintosy de los Protostomados Spiralia. En

primer lugar, los acelos presentanuna segmentación de tipo espiral enduetos, claramente distinta de la típicaen cuartetos. En segundo lugar, la mo-dalidad de formación del mesodermoen acelos es endomesodérmica, noecto– y endomesodérmica simul-táneamente. Por último, el sistemanervioso de los acelos es mucho mássimple; carece de neuropilo, así como

de la clásica distribución ortogonal

de fibras nerviosas longitudinales ytransversales.

El considerar a los acelos los or-ganismos existentes más cercanos alsupuesto precursor de los bilateralescomporta consecuencias de interés.En primer lugar sugiere que, antesde la Explosión Cámbrica, habríaorganismos triblásticos dotados desimetría bilateral y originados durante

un período, más o menos prolon-

DEUTEROSTOMOS

PROTOSTOMOS

DIBLASTICOS

PLATELMINTOS

Simetría bilateral

Simetría radial

DEUTEROSTOMOS

PROTOSTOMOS

DIBLASTICOS

ACELOS

PLATELMINTOS

Simetría bilateral

Simetría radial

2. Dos hipótesis filogenéticas sobre los primeros organismos con simetríabilateral. De acuerdo con la hipótesis clásica (a) , los acelomados delphylum Platelmintos serían los primeros organismos con simetría bilateral.Con posterioridad, habrían aparecido organismos más complejos, pseudo-celomados y celomados, formando las dos grandes agrupaciones de phyla denominadas Protóstomos y Deuteróstomos. Según la nueva hipótesis filo-genética propuesta por los autores (b) e inferida a partir de las secuen-cias del gen ribosómico 18S, los acelos no pertenecen a los Platelmintos,sino que son los descendientes directos de los primeros bilaterales. A suvez, el resto de los Platelmintos aparecen como un grupo, seguramente basal, de organismos protostomados

a

b




gado, de cladogénesis; esa idea seinfiere de las estimaciones fundadasen divergencias moleculares. Resulta,sin embargo, más que probable quela mayoría de estos linajes esténextinguidos.

En segundo lugar, tal ubicación enel árbol de la vida obliga a explorara fondo los yacimientos precámbricos,como los descritos recientemente en

China y Rusia, para detectar la pre-sencia de fósiles correspondientes apresuntos bilaterales.

Por último, el hecho de que losacelos sean acelomados apoya, denuevo, la teoría que defiende queel primer bilateral fue acelomadoy no, como sostiene la teoría delarquicelomado alternativa, celomadoy probablemente segmentado.

Las secuencias del gen ADNr 18S ysu exhaustivo análisis ulterior aportanpleno respaldo a la idea de conceder alos acelos la primacía de la bilaterali-

dad. Lo que no nos exime de buscarnuevas pruebas. Con este propósito,estamos analizando la organización delos genes del genoma mitocondrialde acelos y otros platelmintos, asícomo la presencia de los genes Hox y ParaHox en los acelos y, si halugar, su organización en complejosgénicos. En el caso de que talesdatos apoyaran la posición basal delos acelos, este orden de Platelmintoshabría de elevarse taxonómicamente ala categoría de nuevo phylum .

JAUME BAGUÑÀ,IÑAKI RUIZ TRILLOy MARTA RIUTORT

Departamento de GenéticaUniversidad de Barcelona

La espectrometría alfa

Naturaleza y aplicaciones

En la desintegración radiactiva de ciertos isótopos de elementos

pesados se producen partículas alfa,es decir, núcleos de átomos de heliodotados de dos protones y dos neu-trones. Llamamos espectrometría alfaa la técnica que permite determinarcualitativa y cuantitativamente los nu-cleidos emisores de partículas alfa.

La técnica en cuestión se basa enla ionización que las partículas alfaemitidas por un nucleido o grupode nucleidos producen en un me-dio, o sistema detector. La ionizacióndebe ser proporcional a la energíade las partículas alfa. Tras colectar

los iones formados y pasar los im-pulsos eléctricos que se generan porla electrónica asociada al detector, elresultado será un espectro de partícu-las alfa o representación del númerode partículas detectadas en funciónde su energía.

Al ser una técnica de medida ra-diométrica, la espectrometría alfapermite determinar concentracionesmuy bajas de isótopos de elementosdifíciles de determinar por otras téc-nicas habituales en el análisis, comola espectrometría de masas. Resulta desumo interés en el análisis de trazas.La naturaleza discreta de la radiaciónalfa y el escaso número de emisiones,salvo excepciones, de los radionu-cleidos permiten la identificación delos emisores alfa contenidos en una

muestra. Necesitamos para ello de unequipo de medición con un sistemade detección adecuado; precisamostambién infraestructura radioquímicapara preparar fuentes radiactivas decalidad espectrométrica a partir dela muestra a analizar.

Los sistemas de detección quepresentan mayores ventajas son losdetectores de semiconductor y lascámaras de ionización con reja. Otrosdetectores válidos son los de cente-lleo, los contadores proporcionales oespectrómetros magnéticos.

Los detectores de semiconductor,y dentro de ellos los de implanta-ción iónica, son los más utilizadosen espectrometría alfa. Se obtienencon ellos excelentes resoluciones enenergías, aunque adolecen de un bajorendimiento en el contaje.

Las fuentes radiactivas consisten enun depósito fino y homogéneo sobreun soporte adecuado. Deben evitarseproblemas de autoabsorción o pér-dida de energía de las partículas alfaprocedentes de los átomos emisores.Para obtener fuentes de calidad seaplican procedimientos radioquímicosque permitan separar los emisoresalfa del conjunto de los componentesde la muestra; ello exige un buennivel de descontaminación y separar,por elementos, los emisores alfa para

que no se produzcan interferenciasespectrales.Antes de realizar estas separaciones

se procede al pretratamiento previode las muestras, distinto según ha-blemos de aguas, sólidos inorgánicos,vegetales o biológicas. Se quiere conese paso disponer de la muestra ensolución y en un volumen adecuadopara la separación química.

Los métodos de separación quese emplean en la determinación deemisores alfa son la coprecipitación,extracción líquido-líquido, cromatogra-

Espectro alfa de uranio natural con trazador 232U obtenido a partir deuna muestra geológica

N º D E

C U E N T A S

Nº DE CANAL

238U

234U

232U

235U




fía de cambio iónico y cromatogra-fía de extracción. Lo mismo en elpretratamiento que en esta etapa deseparación es imprescindible conocerel nivel exacto de recuperación delos radioelementos, es decir, conocerel rendimiento químico. Para elloestán los trazadores radioquímicos.Deben éstos añadirse a la muestradesde el comienzo del análisis con

la garantía de que a lo largo delprocedimiento seguido no exista frac-cionamiento entre el trazador y losnucleidos de interés.

Una vez obtenidas las fraccionespurificadas de los emisores alfa sepreparan las fuentes radiactivas. Delos muchos procedimientos que exis-ten se prefiere, por su sencillez yóptimo resultado, la electrodeposición.Los radionucleidos, contenidos en unelectrolito adecuado, se depositan so-bre un soporte metálico que actúacomo cátodo del sistema.

La espectrometría alfa encuentraaplicación en todas las áreas de trabajoen que intervienen los emisores alfa,naturales o artificiales. Los primeros,pertenecientes a las series radiactivasnaturales del uranio, torio y actinio,son componentes comunes de la cor-teza terrestre y objeto de numerososestudios. Destacan entre éstos losdedicados a conocer los mecanis-mos que provocan la movilización,transporte y ruptura del equilibrioentre los componentes de una serie.Son importantes también los trabajosque tratan de evaluar el impacto querepresentan estos radionucleidos natu-rales en aquellas zonas donde, debidoa procesos de lixiviación natural oa la actividad humana, se presentanen cantidades muy superiores a losvalores promedio.

Con el desarrollo de la industrianuclear, la espectrometría alfa ha ha-llado un ámbito notable de aplicación

en la caracterización de los residuosprocedentes de las centrales y en ladeterminación de los emisores alfa ar-tificiales, isótopos de elementos transu-ránidos (neptunio, plutonio, americioy curio), que se han introducido ennuestro entorno como consecuenciade vertidos, explosiones nucleares yaccidentes.

En los últimos años han cobrado

especial desarrollo los métodos deanálisis numérico de espectros alfa,cuyo empleo, unido a la mejora enla resolución de los detectores y aldiseño de nuevas cámaras de medida,permite aplicar la espectrometría alfaa la obtención de parámetros nuclearesy a la resolución de los problemasde interferencias entre las distintasemisiones de un espectro alfa.

Mª TERESA CRESPO VÁZQUEZMetrología de Radiaciones

Ionizantes. CIEMAT.

Vacuna contra el cáncer

Primeros tanteos

Afinales de los años cuarenta y principios de los cincuenta se

descubrió la existencia de antígenostumorales asociados al trasplante.Llámanse antígenos las sustancias que,introducidas en el organismo, inducenuna respuesta inmunitaria; tumoralesson los antígenos que sólo se encuen-tran en células cancerosas.

La utilización de cepas endogámicasde ratones genéticamente idénticaspermite demostrar que el rechazo detumores en experimentos de trasplanteno se debe a diferencias de compatibili-dad tisular, sino a antígenos presentesen los tejidos cancerosos. Pero hasta

hace poco se desconocía la estructuramolecular de dichos antígenos.

A mediados de los ochenta se de-muestra que los linfocitos T distinguenlo propio de lo extraño gracias aciertos receptores expresados en sumembrana. Estos reconocen pépti-dos de nueve aminoácidos situadosen el interior de las moléculas dehistocompatiblidad presentes en la

mayoría de nuestras células. Los pép-tidos en cuestión se comportan comoantígenos; estimulan a los linfocitossi éstos los consideran extraños almostrar alguna mutación en su se-cuencia o al no haber sido expuestosa las células T durante el desarrolloembrionario.

El conocimiento de la presentaciónde péptidos ante el sistema inmunita-rio constituye uno de los principalesavances de la biología contemporá-nea. Los péptidos proceden de laproteolisis celular. En el interior de

las células, las proteínas sufren unadegradación y procesamiento ince-sante y se exponen en superficie, adonde llegan transportadas por mo-léculas de histocompatibilidad; éstas,que se comportan como mensajeros,enseñan a los linfocitos “lo propio”y lo “potencialmente extraño”.

Siempre que ocurra una mutacióngénica o una integración de ADNo ARN exógeno en virtud de unainfección vírica o parasitaria, loslinfocitos T podrán advertir la alte-ración mediante el reconocimiento depéptidos modificados presentados porlas moléculas de histocompatibilidadque posee un individuo.

Los antígenos tumorales específi-cos que los linfocitos T reconocenlo mismo en tumores experimentalesinducidos en animales que en tumoresespontáneos humanos son tambiénpéptidos de nueve aminoácidos pre-sentados por moléculas de histo-

FASE I

CELULA CANCEROSA HLA+++

PEPTIDO

HLA

RECEPTOR RECEPTOR

LINFOCITO T CELULA ASESINA

(NK)

CELULA CANCEROSA HLA –

FASE II

En la fase I se produce el ataque del linfocito T a la célula cancerosa. Observamos en la fase II, el escape dela célula cancerosa a la respuesta de los linfocitos T. Por fin, el encuentro con las células NK




compatibilidad. Se han identificadoya péptidos diversos con capacidadpara comportarse como antígenos entumores humanos; los presentan mo-léculas HLA.

Dando un paso más, varios inves-tigadores se han decidido a utilizarpéptidos procedentes de proteínascifradas por genes humanos o deproteínas víricas para estimular a los

linfocitos T de pacientes con cáncer.Buscan en ello una respuesta clínicainequívoca.

Los péptidos empleados son recono-cidos por linfocitos T de pacientes condeterminado tumor; dicha metástasisse había adaptado, de antemano, a uncultivo in vitro y luego se identificóla proteína y el gen que la cifra. Laepidemiología molecular ha identifi-cado otros tumores que expresan elmismo péptido antigénico. Aunque es-tos péptidos experimentales estimulanin vitro a los linfocitos de pacientes

con cáncer, las respuestas clínicasde regresión de lesiones metastásicasocurren en casos muy determinados.

Las células cancerosas utilizan me-canismos de escape muy diversospara evadir la respuesta inmunitaria.Recurren a ellos con suma frecuencia.Uno de tales mecanismos, común entretumores distintos, es la ausencia deexpresión de moléculas de histocom-patibilidad en la membrana (moléculasHLA en el hombre). La pérdida totalo parcial de estas proteínas impideque los linfocitos T reconozcan lospéptidos que potencialmente se com-portarían como antígenos tumorales, alfaltar la molécula que los vehicula.

La importancia de este mecanismode escape se ha refrendado con eldescubrimiento de que existen otrascélulas del sistema inmunitario queestán especializadas en reconocer laausencia de moléculas HLA o, loque es lo mismo, que están inhibidaspor la expresión de dichas moléculas.Nos referimos a las células asesinas(NK), que constituyen una segundalínea de defensa a la que tendríanque enfrentarse las células cancerosas

carentes de HLA. Desconocemos cómologran escapar las células carentesde HLA de la destrucción por lascélulas NK.

La introducción de péptidos eninmunoterapia del cáncer abre nuevasperspectivas en el tratamiento. Mas,al emplearse en fases avanzadas de laenfermedad, poco pueden hacer: losmecanismos de escape de las célulascancerosas ya se han activado y hansobrevivido células que evitaron laacción de los linfocitos T y de lascélulas NK.

Pero si los péptidos se usaran enfases tempranas del desarrollo tu-moral, como auténticas vacunas enpoblaciones de riesgo e incluso en lapoblación sana, quizá pudieran tenerun efecto protector más intenso antesde que la célula cancerosa puedaevadir la respuesta inmunitaria. Porprimera vez en la deseada “vacunacióncontra el cáncer” se están sentando

sólidas bases científicas.

FEDERICO GARRIDODpto. de Análisis Clínicos

Hospital UniversitarioVirgen de las Nieves, Granada

Elementosextracromosómicos

Así comienzan a replicarse

La copia del material genético es un proceso esencial en la vida

de las células y su estudio ocupa unlugar central en biología. Las bacte-rias y sus elementos genéticos extra-cromosómicos (plásmidos y bacterió-fagos) han servido de modelos para elanálisis de la replicación. La facilidadpara aislar y manipular el ADN deelementos genéticos extracromosómi-cos agiliza la caracterización de lossubstratos, productos e intermediosdel proceso replicativo. Además, laparticipación de factores específicosy del huésped en la copia del ADNextracromosómico convierte a estoselementos genéticos en importantesinstrumentos para obtener informaciónsobre los iniciadores específicos ysobre la maquinaria encargada decopiar el genoma de las células.

Si conocemos los componentes dereplicación del huésped esencialesen la copia del ADN, podremosanalizar mejor los inhibidores espe-cíficos de replicación y, en últimainstancia, desarrollar nuevos produc-

tos antimicrobianos y antitumorales.Plásmidos y bacteriófagos desempe-ñan una función importante en elnuevo instrumental genético. Sirvende vectores para aislar y multiplicar(“amplificar”) regiones específicasdel ADN. El estudio de los meca-nismos de copia y multiplicación deestos elementos genéticos extracro-mosómicos tiene, por tanto, interésacadémico, biotecnológico, clínico ymedioambiental.

El descubrimiento de la estructuradel ADN por James Watson y Francis

Crick proporcionó la primera clavesobre el mecanismo de copia delmaterial genético: las dos cadenascomplementarias y entrelazadas delADN que forman una doble hélicedebían separarse, para servir luegocada una de ellas como molde enla síntesis de su cadena comple-mentaria.

Una segunda clave esencial la

aportó Arthur Kornberg. Descubrióque ese proceso de copia reque-ría la participación de catalizadoresbiológicos: ADN polimerasas. Desdeentonces se ha encontrado nuevasADN polimerasas y otras enzimasde replicación. La capacidad de lasADN polimerasas para corregir erro-res de copia va asociada con suincapacidad para iniciar de novo lareplicación. Ello hace necesario lageneración independiente de un ce-bador que posibilite el comienzo delproceso y distinga la fase de inicio

de replicación de la elongación y dela terminación del proceso.La iniciación de replicación de los

elementos genéticos extracromosó-micos suele venir mediada por unao varias proteínas específicas quereconocen las secuencias en las cua-les comienza el proceso de copia deADN (origen de replicación). En algu-nos casos, tales proteínas iniciadorassirven de cebadores (por ejemplo enbacteriófagos con proteína terminal),y en otros promueven la apertura delas hebras o realizan un corte especí-fico en el ADN substrato. En algúncaso, la iniciación se produce por lasíntesis de un ARN cebador.

Los iniciadores específicos estáncapacitados para pilotar la entrada deproteínas de replicación del huéspeden la horquilla de replicación. Laelongación de la síntesis de ADNes un proceso direccional (5’→ 3’)y puede ocurrir en distintos ADN através de diversos mecanismos ( fi-gura) con acoplamiento o no de lasíntesis de las dos hebras.

La elongación corre a cargo delas ADN polimerasas con la partici-

pación de otras proteínas auxiliarescuyo papel es conferir procesividady fidelidad a estas enzimas, favorecerla apertura de las hebras de ADN enfrente de las horquilla de replicación,estabilizar regiones de cadena senci-lla y deshacer bloqueos topológicoscreados por el avance de la horquillade replicación.

La terminación de la replicación,particularmente en moldes de ADNcirculares, tiene requerimientos to-pológicos específicos e implicacionespara reiniciación.




El acoplamiento de la replicaciónde plásmidos al crecimiento de labacteria huésped ha permitido explo-rar los mecanismos que controlan lareplicación de los elementos extracro-mosómicos. De ese control se ocupaninhibidores específicos, codificados enel mismo plásmido, que promedian lafrecuencia de inicio de replicación auna por copia de plásmido y ciclo

celular y corrigen desviaciones delpromedio.

Por tanto, el inicio de la replicacióndesempeña una función esencial en lacopia del ADN y en el control delproceso. Las moléculas reguladoraspueden ser secuencias de ADN, pe-queñas moléculas de ARN o proteínasrepresoras.

Las proteínas que inician la replica-ción de plásmidos están en el puntoclave de la regulación. Los mecanis-mos de control regulan su nivel oactividad. En muchas ocasiones, las

proteínas iniciadoras regulan su propiasíntesis. De esta manera participan enel control de la replicación.

Nuestro conocimiento de la replica-ción de elementos genéticos extracromo-sómicos se funda, en buena medida, enel análisis obtenido a partir de cultivospuros desarrollados en condiciones con-troladas de laboratorio. Se requierennuevas técnicas y nuevos enfoques paraabordar el estudio de la multiplicaciónde los elementos genéticos extracromo-sómicos en poblaciones naturales, quese desarrollan en su propio entorno.En otro nivel de resolución, avancesrecientes en la resolución estructural eniniciadores y reguladores de replicaciónde plásmidos y de virus eucarióticos,hacen prever un rápido avance en elentendimiento detallado de mecanismoscapaces de iniciar y regular la copiadel material genético en las células.

RAMÓN DÍAZ OREJASy MANUEL ESPINOSA PADRÓN

Centro de InvestigacionesBiológicas(C.S.I.C.),

Madrid.

Canales hidrofóbicos

En las hidrogenasas

El transporte y el metabolismo de gases intervienen en múltiples

procesos biológicos. Por botón demuestra recordemos el transporte deoxígeno molecular en la sangre porla hemoglobina y la fijación del ni-

a

b

c

Tres mecanismos de copia del material genético. a) Mecanismo de desplazamientode banda en bacteriófagos con ADN lineal y proteína terminal. El iniciadorde replicación es una proteína que queda unida covalentemente en el extremo

5’ de la hebra copiada y que aporta, a través de uno de sus aminoácidos, elextremo 3’ que es elongado por una ADN polimerasa específica. b) Replicaciónde tipo “theta” en plásmidos circulares. El iniciador de replicación es una proteína que promueve la apertura de las dos hebras en el origen de repli-cación. El cebador es un ARN sintetizado por una enzima específica (ARN polimerasa o primasa). Este ARN aporta el extremo 3’ que es elongado porla ADN polimerasa. Finalmente el ARN cebador es eliminado y reemplazado por ADN. c) Replicación de tipo “círculo rodante” en plásmidos circulares. Eliniciador de la replicación es una proteína que introduce un corte específicoen una de las cadenas, generando el extremo 3’ que es elongado por la ADN polimerasa. La proteína iniciadora queda unida al extremo 5’ cortado y sella este corte en la fase final del proceso de copia. Las flechas indican la direccionalidad del proceso replicativo (5’→ 3’)




trógeno atmosférico por la nitrogenasaque lo transforma en amoniaco, dosfenómenos harto conocidos.

En su gran mayoría, las proteínasque participan en estos procesos po-seen centros que contienen metalesde transición. Por una sencilla razón:dichos metales presentan una granafinidad hacia las moléculas de gasen general.

La determinación de la estruc-tura tridimensional de decenas demetalo-proteínas ha demostrado que,en muchos casos, el sitio activo seencuentra en el interior de la proteína,lejos de la superficie de la mismay, por tanto, inaccesible al solvente.¿Cómo llega, entonces, el sustrato alsitio activo?

Una posibilidad es que las molé-culas de gas, aprovechando las fluc-tuaciones estadísticas de la proteína,se difundan en su matriz hidrofóbicahasta alcanzar el centro catalítico.

Cabe también que la proteína tengaen su interior vías o canales dise-ñados para transportar las moléculasde gas.

Para abordar la segunda posibili-dad hemos tomado por modelo lahidrogenasa de Desulfovibrio gigas, una bacteria reductora del sulfato. Laenzima cataliza la oxidación del hidró-geno molecular produciendo protonesy electrones; puede también generarhidrógeno a partir de los mismos.

El sitio activo de la hidrogenasa,compuesto de un centro binuclearde Fe y Ni, se encuentra a unos30 Å de la superficie molecular. Elanálisis detallado de la estructuracristalográfica de la enzima de D.gigas a la resolución de 2,6Å hademostrado la existencia de una seriede canales hidrofóbicos que conectanla superficie molecular con el sitioactivo (véase la figura).

Con el fin de determinar si estoscanales desempeñaban alguna fun-ción importante en el transporte delhidrógeno hasta el sitio catalítico,medimos un juego completo de datosde difracción a la resolución de 6 Å

a partir de un cristal de hidrogenasasometido a 9 atmósferas de presión dexenón. El Xe era un modelo idóneo.Aunque mayor, tiene propiedades si-milares al hidrógeno y posee un grannúmero de electrones, gracias a locual se hace visible en cristalografíade rayos X.

Los datos obtenidos a partir delcristal sujeto a presión se compa-raron con los de un cristal sin Xe.Se manifestó la presencia de unadecena de sitios del interior de laproteína ocupados por el gas noble.

Del experimento importa destacar quelos átomos de Xe ocupan sólo zonasque corresponden a los canales ocavidades hidrofóbicos que habíamosdetectado en el estudio a 2,6 Å deresolución.

La etapa siguiente consistió en es-tudiar la difusión del Xe y del H2 por simulación de dinámica mole-cular. En la primera simulación se

utilizaron 20 átomos de Xe, que seubicaron en una cavidad hidrofóbicacerca del sitio activo y que se dejódifundir de acuerdo con el algoritmode Hartree (donde se realiza una soladinámica de la proteína y cada Xerepresenta el vigésimo de un átomoreal. Así, la proteína “ve” un soloátomo de Xe.)

En un segundo experimento, losátomos de Xe se localizaron en lasposiciones observadas en el cristalestudiado bajo presión. En ambassimulaciones, los átomos de Xe se

difundieron por los canales interioressin que en ningún caso se revelarala difusión del Xe hacia el interiorde la matriz proteica. Todos los áto-mos de Xe acabaron por salir de lahidrogenasa a través de un mismocanal.

También se realizó el segundo ex-perimento empleando H2 en vez deXe. Se observó que el hidrógeno mo-lecular podía abandonar la proteína

a través de cuatro vías diferentes.En algunas trayectorias, la moléculade hidrógeno llegó hasta el sitioactivo, ubicándose a menos de 2Ådel centro NiFe. Ese fenómeno nose había dado en los experimentoscon Xe, señal de que la cavidadde acceso al sitio activo impide,en su estrechez, la entrada del gasnoble. Además, y de acuerdo con

la orientación del canal hidrofóbico,al llegar al sitio catalítico, el H2 seencontrará más cerca del Ni que delFe. De acuerdo con ello, el ion Nilleva a cabo la ruptura catalítica dela molécula de hidrógeno, lo queexplicaría su presencia, más bienexcepcional, en el sitio activo deestas enzimas.

Aunque nos hemos limitado a lashidrogenasas bacterianas, es muy pro-bable que haya canales hidrofóbicosasí en otras enzimas implicadas en elmetabolismo de gases. Los resultados

presentados sugieren que es pocoprobable que la difusión pasiva degases en la matriz proteica puedaconstituir un modo corriente de accesode gases a centros activos inaccesiblesal solvente.

JUAN C. FONTECILLA-CAMPSInstituto de Biología Estructural

Jean-Pierre Ebel, GrenobleCEA/CNRS

Hidrogenasa de la bacteria sulfato-reductora D. gigas. La subunidad pequeña,de 30.000 dalton de peso molecular (azul) , coordina tres centros sulfoférricos(hierros en rojo, azufres en amarillo). La subunidad mayor, de 60.000 dal-ton (violeta) , contiene el sitio activo (hierro en rojo, níquel en verde). Loscanales y cavidades hidrofóbicas están representados con una malla celeste y los sitios de Xe, obtenidos experimentalmente, por esferas blancas




Astigmatismo

Corrección

Cada día llegan a la consulta del oftalmólogo niños con cefaleas

que les impiden realizar las tareasescolares. La corrección de sus as-tigmatismos acaba con los dolores

de cabeza y supone una mejora delrendimiento.

Ojo y cerebro utilizan poderosos me-canismos de adaptación para integrarlas imágenes visuales. El astigmatismoes un defecto de la refracción, por elque los rayos luminosos se enfocanen el ojo a desigual distancia focal.El astígmata no siempre es conscientede su visión borrosa porque con laacomodación cambia rápidamente deun foco a otro y consigue componerla imagen utilizando las partes clarasde cada uno.

Pero el astigmático ve mal a todaslas distancias; jamás se forma unaimagen enfocada en su retina. A losumo se hace coincidir ésta con unade las líneas focales, de preferenciala focal vertical, la más idónea parala lectura. La acomodación visualante un objeto en movimiento y lacoordinación de ojos, cabeza, cuelloo tronco ayudan a la localizaciónespacial instantánea. Cuando esta in-formación no se integra plenamente,aparecen percepciones anómalas (vi-sión borrosa, ilusiones ópticas, sen-sación de desplazamiento de objetosestáticos).

Siendo la visión una parte domi-nante de nuestra experiencia sensorial,¿cómo incide el astigmatismo en laformación de imágenes visuales? Lasimágenes visuales están mediatizadaspor el procesamiento de la informa-ción en el sistema visual a travésde vías especializadas en el color,forma y movimiento. Los astígmatasperciben imágenes con alteracionesde la forma, pero no en el color niel movimiento.

Hay astígmatas, a partir de dos

dioptrías, que no compensan el déficity tienen disminución de la visiónde lejos y de cerca y ambliopía opérdida de agudeza visual funcional.Otros compensan total o parcialmentesu déficit visual. Estos últimos, conuna dioptría o menos, presentan unaposición viciosa de la cabeza, tortí-colis u otras.

La visión es siempre mejor en laposición del tortícolis. Se manifiestasu ganancia para el ojo que estuviesefijando. En personas sin astigmatismoel tortícolis desempeña una función

compensadora al buscar la posiciónmás cómoda que favorezca la posiciónvertical de la lectura. El adulto sanotiende a colocar el libro vertical yperpendicular a su plano de lectura;el niño puede adoptar un tortícoliscompensador porque la flexibilidadde sus estructuras osteoarticulares selo permiten.

Mediante un proceso de acciónconjunta de cristalino-zónula-músculociliar que incrementa la potencia dióp-trica nuestro ojo acomoda y adelantael foco, permitiendo ver bien de cerca.Su insuficiencia determina la presbiciao vista cansada.

La acomodación sólo es útil cuandoel foco se forma detrás de la retina.Pero en el astigmatismo miópico almenos un foco queda delante de laretina; para retrasarlo y utilizar laacomodación, algunos pacientes ha-cen un tortícolis compensador. Logranque los rayos luminosos traspasen lacórnea por áreas de menor poder derefracción.

El continuo juego acomodativodetermina la presencia de asteno-pía o fatiga acomodativa. La fatiga

musculonerviosa se refleja en unadisminución aguda del rendimiento eincremento del esfuerzo necesario paraesa acomodación. El paciente notacansancio, dolor ocular y cefaleas,que desaparecen tras la correcciónóptica de su astigmatismo.

En la visión de cerca el astígmatano responde ante imágenes cono-cidas igual que ante otras nuevas.Las imágenes conocidas presentanconstancia de tamaño y forma. Sinembargo con las imágenes nue-vas —la lectura, por ejemplo—, la

sucesión de palabras y contenidosse va conociendo; los astígmatasrefieren que “se les coloca leyendouna línea delante que les quita lavisión”, “sensación de niebla”. Ellose debe a la deficiente agudeza vi-sual y al continuo cambio de focopor el juego acomodativo.

Si se insiste en la lectura, siendola imagen borrosa, la proyeccióncontinua sobre las células retinianasprovoca la fragmentación parcial deletras que se traduce en ilusionesgeométricas. En la fragmentación delas figuras se pierden líneas ente-ras o se saltan de renglón. Algunaspersonas con astigmatismo presentanvisión doble por culpa de un es-trabismo latente o desigualdad enel tamaño, el brillo, la claridad yel color de las imágenes generadasen cada ojo.

A veces olvidamos los altos reque-rimientos visuales exigidos de unamanera mantenida para actividadescotidianas como la conducción, lalectura y el trabajo con ordenadores.La respuesta generada a esta clínicatan variada puede ser el abandono de

la tarea, consumo de analgésicos y enalgún caso tratamiento psicológico.La corrección óptica del astigmatismoha logrado en muchas ocasiones unamejoría en el rendimiento escolar,una mejor integración sensorial yuna desaparición brusca de la clínicaaquí enumerada que fue origen dela consulta.

JOSÉ L. GARCÍA SERRANOHospital de Baza

JOSÉ ROBLESUniversidad de Granada

Esta espiral se lee mejor cuando el texto queda perpendicular a la ca-beza. Si el lector gira la cabeza puede seguirlo haciendo un tortícolis.También podemos rotar la revista para que quede perpendicular al plano de la cabeza



El ecosistema antártico está caracterizado por una notable estacionalidad de los procesos de producción biológica en la columna de agua.

Durante el verano (cuando hay luz casi todo el día),los productores primarios se concentran en las ca-pas superficiales, para desaparecer el resto del añocuando escasean energía lumínica y nutrientes. Losepisodios de máxima concentración de fitoplancton—comunidades formadas sobre todo por algas— yde nanoplancton —plancton integrado por organismosmicroscópicos— son tan intensos y rápidos, queparte de la producción no llega a ser consumida

por los organismos herbívoros y sedimenta haciael fondo. La deposición continua de esa materiaorgánica en el lecho marino termina por formaruna densa capa.

No se ponía en cuestión que buena parte deesa materia depositada se pudiera perder, al noparticipar en los procesos generales de recicladode materia y energía en la Antártida. Pero recien-temente se han observado comunidades de orga-nismos bentónicos, densas y diversas (f ot ogr af ías

de paisaje ), que cubren extensiones de decenasde kilómetros.

Las comunidades están mayoritariamente constituidaspor organismos suspensívoros, que se alimentan dela materia orgánica sedimentada gracias a procesosde resuspensión. En virtud de tales procesos hidro-dinámicos, las partículas y organismos sedimentadosperviven largo tiempo en las capas de agua cer-canas al fondo, a disposición de los suspensívorosbentónicos.

Además, por ser las temperaturas muy bajas (cercade los 0 grados centígrados), la descomposición de

la materia orgánica sedimentada procede con mayorlentitud que en ecosistemas templados o tropicales.Dicho de otro modo, mantienen más tiempo supotencial nutritivo.

Gracias a la resuspensión, los organismos bentónicosdisponen de alimento durante todo el año. Por esoproliferan con tamaña exuberancia. El bentos, porsu parte, recicla la energía que se creía perdida ycumple una función relevante en la remineralizaciónde la materia orgánica cerca del fondo.

DE CERCA

Resuspensión, la paradoja antártica

Texto: Josep-Maria GiliFotos: Julian Gutt y Martin Rauschert

1. Fondos de suspensí-voros bentónicos domi- nados por gorgonias, holoturias y briozoosen el mar de Weddell, a unos 200 metros de profundidad




2. Fondos de esponjas y briozoos a unos 300 metros de profundidad en el mar de Weddell. Emergen de un fondo de esqueletos calcáreos de más de 30 cm de espesor

4. Detalle de una colonia de una gorgonia dondelos pólipos se hallan en reproducción. Estas coloniasse alimentan de partículas de todo tipo, de bacterias

a zooplancton

3. Detalle de la colonia de pólipos (de unos 20 cmde longitud). El pennatuláceo tiene un largo tallo

de más de un metro de longitud por un centímetrode diámetro




Fabricaciónde un circuito integradoNo sería posible la técnica digital moderna

sin los microcircuitos de silicio.

¿Cómo se fabrican esas miniaturas?

Craig R. Barrett

El dispositivo en que se fundamenta el mundo digital es el circuito integrado, un cuadrado diminuto de silicio que alberga millones de tran-

sistores. Se trata, probablemente, del artefacto máscomplejo jamás creado por los humanos. Aunque planoen apariencia, forma una estructura tridimensional, cons-truida con parsimonia depositando sobre un sustrato desilicio finas películas de materiales que, ora conducen,ora aíslan, la electricidad. Estas películas, ensambladassegún patrones elaborados de antemano con el mayorcuidado, forman los transistores, que funcionan comointerruptores encargados de controlar el flujo de elec-tricidad a través del circuito o “chip”. La apertura ycierre de estos interruptores permite la manipulacióndel código binario subyacente a todo cuanto hace unordenador.

La construcción de un chip requiere numerosos pro-cesos fabriles, cuya realización exige semanas. Paraque el microcircuito opere, la ejecución de cada pasoha de ser perfecta. Las condiciones son muy estrictas.Por ejemplo, dado que una mota de polvo puede echara perder todo un chip, la fabricación ha de hacerse enuna “sala blanca” que no contenga más de 30 partículas—de tamaño inferior a 1 micra— por metro cúbico deaire. Como referencia, en una de nuestras salas de estarse cuentan entre 3 y 30 millones de partículas por metrocúbico de aire. Gran parte del equipo necesario parala fabricación de microcircuitos hace uso de la técnicamás avanzada, lo cual se traduce en que las factorías de

circuitos integrados, en las instalaciones más modernas yperfectas, requieren inversiones astronómicas.Una técnica fundamental en la fabricación de micro-

circuitos es el proceso “planar”, ideado en 1957 porJean Hoerni, de Fairchild Semiconductor. El procesoplanar proporcionaba un método para levantar unaestructura estratificada sobre una base, o sustrato, desilicio. Dicha técnica fue crucial para el desarrollo delprimer circuito integrado, creado por Robert N. Noyce,

en 1958. (Más tarde, Noyce sería cofundador, con Gor-don E. Moore, de Intel Corporation, la compañía queinventó el microprocesador y se convirtió en principalproveedora de semiconductores.) La técnica planar tendíaun puente que iba del transistor al circuito integrado,y abrió el camino para el proceso de manufactura delos microcircuitos actuales. Tal proceso requiere cen-tenares de pasos, que cabe agrupar en unas cuantasoperaciones básicas.

CRAIG R. BARRETT dirige el área de operaciones de Intel Corporation, sociedad que preside.



LINGOTEDE SILICIO

8″

OBLEASREBANADASY PULIMEN-TADAS

12″


Diseño del microcircuito

La primera operación es el diseño del microcircuito. Cuando es precisoconstruir decenas de millones de transistores en un cuadrado de silicio quetiene el tamaño de la uña de un niño, la ubicación de los transistores ylas interconexiones entre ellos ha de preverse con sumo detalle. Cada tran-sistor ha de responder a la función asignada; cada combinación de gruposde transistores han de crear inversores, sumadores, descodificadores u otroselementos circuitales. El proyectista no debe olvidar la finalidad previstapara el chip. Mientras que un microprocesador ha de encargarse de ejecutarlas instrucciones en un ordenador, los chips de memoria tienen por misiónalmacenar datos. La estructura de ambos tipos de microcircuito difiere bas-tante. Debido a la complejidad de los chips actuales, el trabajo de diseñose realiza por ordenador, aunque los ingenieros repasan en copia ampliadael diagrama estructural del microcircuito.

El cristal de silicio

El material de base para la construcción de circuitos integrados es un cristalde silicio. El silicio, que es después del oxígeno el elemento más abundante

en la corteza terrestre, constituye el principal ingrediente de la arena de lasplayas. Es un semiconductor natural, lo que significa que podemos trabajarloy convertirlo en un aislante o en un conductor. Los aislantes, como el vidrio,impiden el paso de la electricidad; los conductores, como el cobre, permitenel paso de la electricidad a través de ellos. Para formar un cristal, el silicio enbruto obtenido de rocas cuarcíferas se somete a un tratamiento con productosquímicos que eliminan las impurezas, hasta lograr un material que es siliciocasi al 100 por cien. Con este silicio purificado, fundido, se forman cristalescilíndricos o lingotes. Los lingotes son rebanados en obleas, de unos 0,725mm de espesor. En un proceso de “planarización”, se pulimentan las obleascon una lechada abrasiva hasta lograr una superficie impecable y lisa, comoun espejo. El diámetro de las obleas es de unos 300 mm. El aumento de laoblea, al permitir fabricar de una vez un número mayor de microcircuitos,abarata los costes.



SUSTRATODE SILICIO

OBLEARECUBIERTADE POLIMERO

CANULADEPOSITORADE LA PELICULADE POLIMERO

HORNO DE DIFUSION

POLIMEROFOTOSENSIBLE

DIOXIDODE SILICIO

Los primeros estratosPreparada la oblea, comienza la construcción de los circuitos en el chip. La

producción de los transistores y de sus interconexiones requiere cierto númerode pasos fundamentales, que han de repetirse muchas veces. Los microcircuitoscomplejos constan de 20 estratos o más, y pueden exigir varios centenares depasos distintos para ir construyendo los estratos uno por uno.

La primera capa es de dióxido de silicio, material que no conduce la electrici-dad y actúa, por consiguiente, de aislante. Para crearla, las obleas se introducenen un horno de difusión (arriba, a la derecha) que es, en esencia, un horno dealta temperatura donde debe desarrollarse una película de óxido sobre la super-

ficie de la oblea.La oblea, retirada del horno, se encuentra lista para el primer paso de configu-

ración fotolitográfica. Se aplica a la superficie una capa de un líquido poliméricoviscoso y sensible a la luz (“fotorresistivo”) que se torna soluble al someterlo aradiación ultravioleta. Una cánula deposita una cantidad preestablecida de polímerosobre la superficie de la oblea (abajo). Se la obliga a girar con rapidez, para quela fuerza centrífuga extienda uniformemente el líquido sobre la superficie. Estaoperación se repite en cada capa que ha de ser modificada, lo que se realiza porel procedimiento de enmascaramiento.



SUSTRATO DE SILICIO

POLISILICIO

DIOXIDO DE SILICIO

SILICIO DOPADO

POLISILICIO

IMPLANTADORIONICO


Adición de estratosUlteriores pasos de enmascaramiento y grabación

van depositando nuevos materiales en el chip. Entreellos se cuentan polisilicio, así como diversos óxidosy conductores metálicos de aluminio y tungsteno.Para impedir la formación de compuestos espuriosdurante las etapas siguientes podría requerirse laaportación de otros materiales, conocidos comobarreras de difusión. Sobre cada estrato de mate-

rial, es creada, por enmascaramiento y grabación,una cierta configuración de regiones conductorasy no conductoras (derecha). En conjunto, estasconfiguraciones, alineadas y superpuestas, definenlos circuitos del chip, creando una estructura tri-dimensional. Pero se necesita aún un ajuste fino,que se consigue mediante impurificación controlada,o “dopado”.

Dopado

El dopado consiste en la adición deliberada de impurezas químicas, comoboro o arsénico, a determinadas regiones de la oblea, con el propósito de alte-rar el modo en que el silicio de la zona impurificada conduce la electricidad.Para inyectar estas impurezas en el chip están las máquinas implantadoras deiones.

Desde el punto de vista eléctrico, el silicio puede ser de tipo n o de tipo p, según la impureza añadida. Los átomos de los materiales dopantes utiliza-dos para crear silicio de tipo n poseen un electrón extra, que goza de ciertalibertad de movimiento. Los átomos impurificadores para crear silicio de tipo p están faltos de un electrón; al quedar incrustados en la red cristalina delsilicio forman un “hoyo” o “hueco” eléctrico. En los puntos donde ambostipos de silicio quedan en contacto, los electrones supernumerarios del siliciode tipo n pueden fluir hasta el de tipo p y ocupar los huecos.

Este flujo de electrones no es indefinido. Los iones dotados de carga posi-tiva del silicio de tipo n y los portadores de carga negativa del silicio tipo p no tardan en crear una fuerza eléctrica que impide un ulterior flujo neto deelectrones desde la región n hacia la región p.

El material situado en la base del chip es silicio de tipo p. Durante lafabricación, en uno de los pasos de grabación se retiran ciertas regiones delas capas de polisilicio y de dióxido de silicio previamente depositadas sobrela base de silicio puro, dejando así desnudas dos franjas de silicio de tipo p.Separándolas, queda una franja que conserva todavía su capa de polisilicio con-ductor; se trata de la “puerta” del transistor. El material dopante aplicado ahora

a las dos franjas de silicio p las transforma en silicio de tipo n. Al aplicar ala puerta una carga positiva son atraídos los electrones situados bajo ella enel sustrato de silicio del transistor. Estos electrones abren un canal entre unade las franjas tipo n (fuente o surtidor) y la otra (el drenador). Una tensiónpositiva aplicada al drenador produce un paso de corriente eléctrica desde lafuente hacia el drenador. En esta situación, el transistor está en conducción; esun interruptor cerrado. Una carga negativa en la puerta desaloja los electronesdel canal, impidiendo así el paso de corriente desde la fuente al drenador.Ahora el transistor está “en corte”: es un interruptor abierto. Merced a estasconmutaciones de cierres y aperturas, el transistor representa los unos y cerosque constituyen el código binario, el lenguaje de los ordenadores.

Las operaciones anteriores, realizadas muchas veces en muchos estratos, creanen el chip su miríada de transistores. Para que puedan constituir un circuitointegrado, falta por establecer las interconexiones entre transistores.




PUNTAS DE PRUEBADE LAS CONEXIONES ELECTRICAS

EN CADA CHIP

PUERTAALUMINIO

DRENADOR

FLUJODE ELECTRONES

CONEXIONADORA

MAQUINA CORTADORA

FUENTE

Interconexiones

Este último paso comienza con operaciones adicionales de enmascaramiento ygrabación que abren una delgada capa de contactos eléctricos entre los estratosdel chip. Mediante fotolitografía, se deposita y configura luego una película dealuminio, creando una suerte de cableado que interconecta los transistores delchip (arriba). La razón de utilizar aluminio para esta función se debe a que

el aluminio establece buen contacto eléctrico con el silicio y se une bien conel dióxido de silicio.Con este paso concluye el procesamiento de la oblea. Acto seguido, por me-

dio de diminutas puntas de prueba eléctricas, los microcircuitos pasan, uno poruno, la prueba de ensayo, para confirmar el correcto funcionamiento de todassus conexiones (arriba, a la derecha). Después, una máquina cortadora seccionala oblea en chips (arriba, a la izquierda); se separan las piezas correctas delas defectuosas. Los chips útiles se montan en unidades de encapsulamientoprovistas de hilos metálicos. Después, máquinas conectadoras de hilos (a laizquierda) sujetan estos hilos metálicos a los chips. Los contactos eléctricosentre la superficie del microcircuito y las patillas de los contactos exterioresse establecen mediante hilos muy delgados de oro o aluminio, de unos 0,025mm de diámetro. Terminado el encapsulamiento, los microcircuitos terminadosestán listos para cumplir sus funciones digitales.




Los catalizadores son sustancias

que aceleran una reacción y se recuperan regeneradas alfinal de la misma. Abundan en elmundo inerte y en el orgánico. Enla segunda mitad del siglo XIX, LouisPasteur proponía que los cambios ope-rados a lo largo de la transformacióndel jugo de uva en vino dependíande fuerzas “vitales”, ejercidas porseres vivos, en concreto por leva-duras. Sin embargo, en 1898 Eduardy Hans Büchner demostraron queuna sustancia extraída de las célulasde levadura podía también producirfermentación. A esta sustancia se lallamó enzima —del griego en thymos,en la levadura— o fermento. Lassupuestas reacciones vitales eran quí-micas. En 1926 J. B. Sumner avanzóun paso más al cristalizar una enzimay mostrar que se trataba de una pro-teína. Desde entonces se ha venidoaceptando que los biocatalizadoresson de naturaleza proteica.

El empleo de enzimas se extiendea campos muy dispares, de la pro-ducción de edulcorantes o tejanos

descoloridos al diagnóstico de enfer-

medades infecciosas y genéticas. Me-diante procesos biocatalíticos se fa-brican jarabes de glucosa-fructosa, elácido 6-aminopenicilánico (6-APA),la acrilamida, el ácido ascórbico, cier-tos aminoácidos, el aspartamo o este-roides. En otro orden, los catalizado-res biológicos aceleran entre 106 y 1018 veces la velocidad de lasreacciones químicas, a temperaturassuaves y presión atmosférica.

Aunque menudean ya los procesosen que se emplean células ente-ras como catalizadores, predominanlos enzimáticos. Se conocen más de2000 enzimas, pero sólo se explotanunas 400. En su mayoría se trata deenzimas extracelulares y de origenmicrobiano. Hallan aplicación en laindustria de detergentes (32% delvolumen total), almidón (15 %), láctea(14%) y textil (10%). El resto sereparte entre alimentación (cerve-cería, panadería, grasas y aceites,zumos, vino, sabores, piensos paraanimales y otros), curtidos, papel,combustibles, eliminación de residuosy biotransformaciones. Se prevé queen los próximos años pasen a primer

plano las enzimas que intervienenen el tratamiento de la pasta depapel (sustituyendo al proceso delblanqueado con cloro), en la eli-minación de residuos y en la pro-ducción de compuestos químicos yfarmacéuticos.

Algunos sectores —los detergen-tes, por ejemplo— hacen uso directode las enzimas. No es lo habitual.Acostumbran, por contra, interve-nir como catalizadores de procesosindustriales en una cuantía cifradaentre el 0,1 y el 2% en peso del

sustrato. Tras el descubrimiento, en

los años ochenta, de su capacidadpara actuar en medios no acuosos,se han desarrollado procesos quedan lugar a compuestos orgánicosde interés, difíciles de obtener porvía química. Lo comprobamos en laproducción de antibióticos semisin-téticos y triglicéridos estructurados,así como en la resolución de mezclasracémicas.

Además de la utilización tradicio- nal (por vía oral) de extractos

de páncreas como ayuda a la diges-tión, recientemente se han empezadoa utilizar enzimas puras como medica-mentos. Se recurre a la hialuronidasao la L-asparaginasa en tratamientosantineoplásicos, la glucocerebrosidasapara la enfermedad de Gaucher o laADNasa I para aligerar la viscosidadde las secreciones bronquiales enpacientes con fibrosis quística.

Pero las enzimas son estructuraslábiles, inestables. Contra su inte-gridad atentan factores físicos (calor,congelación y radiación), químicos(oxidación, reducción, disolventesorgánicos, iones metálicos, fuerza

iónica y pH) o biológicos (pro-teolisis, modificación y degradaciónenzimática), que merman su actividadcatalítica y solubilidad. La mayoría delos procesos industriales enzimáticosse llevan a cabo bajo condicionesde temperatura y pH muy distintasde las que se dan en el ambientenatural de la enzima.

De la estabilidad de los cataliza-dores biológicos depende su rentabi-lidad. Pero una estabilidad excesivapodría acarrear consecuencias negati-vas para el proceso; así acontece con

FRANCISCO J. PLOU, MIGUELALCALDE y ANTONIO BALLES-TEROS trabajan en la aplicación deenzimas estabilizadas para la obtenciónde productos industriales y en lapreparación de enzimas semisintéticas.Plou es investigador contratado delCSIC. Ballesteros, profesor de inves-tigación en el Instituto de Catálisisy Petroquímica del CSIC, preside elgrupo europeo de biocatálisis aplica-da. Alcalde realiza un proyecto parael Instituto Danone sobre glicosil-transferasas.

Estabilidadde los biocatalizadores

Los catalizadores biológicos —enzimas, ribozimas y anticuerpos catalíti-

cos — son estructuras lábiles. Su estabilización resulta fundamental en

aplicaciones industriales, médicas y analíticas

Francisco J. Plou, Miguel Alcalde y Antonio Ballesteros




las α-amilasas bacterianas, enzimas

utilizadas en procesos de transforma-ción del almidón que se desactivanmuy despacio incluso a 100 oC.

En cuanto proteínas que son, lasenzimas constan de una secuenciade α-aminoácidos unidos por enlacesamida. Esta estructura primaria sepliega y forma hélices α, láminas β,es decir, la estructura secundaria. Laestructura terciaria de la proteína seorigina cuando la secuencia plegadase sitúa en una disposición espacialdefinida. La estructura cuaternaria esexclusiva de proteínas oligoméricas,

constituidas por dos o más cadenaspolipeptídicas.

Las fuerzas responsables de la in-tegridad de las estructuras secundariay terciaria son los puentes disulfuro,las interacciones electrostáticas, lospuentes de hidrógeno, las fuerzas devan der Waals y las interacciones hi-drófobas. Salvo los puentes disulfuro,se trata de fuerzas no covalentes.

Sobre éstas inciden los procesos dedesestabilización de las enzimas.

La estabilidad de una enzima, elmantenimiento de su estructura ter-ciaria, guarda relación con la ener-gía libre del sistema, o energía deGibbs (G), función termodinámicacuya expresión es G = H-TS, dondeH es la entalpía, S la entropía y Tla temperatura absoluta.

1. Oxido-reductasas

2. Transferasas

3. Hidrolasas

4. Liasas

5. Isomerasas

6. Ligasas(sintetasas)

Oxidación-reducción

Transferencia

de grupos funcionales

Reacciones

de hidrólisis

Adición de moléculas

a los dobles enlaces

Reacciones de

isomerización

Formación de enlaces,

con rotura de ATP

1.1 Actúan sobre CH-OH

1.2 Actúan sobre C=O

1.3 Actúan sobre CH=CH

1.4 Actúan sobre CH-NH2

......

2.1 Grupos de un átomo

de C

2.2 Grupos aldehídicos

o cetónicos

2.3 Aciltransferasas

2.4 Glicosiltransferasas

......

3.1 Enlaces éster

3.2 Enlaces glicosídicos

3.3 Enlaces éter

3.4 Enlaces peptídicos......

4.1 C=C

4.2 C=O

4.3 C=N

4.4 C=S

......

5.1 Racemasas

5.2 Cis-trans isomerasas

5.3 Oxidorreductasas

intramoleculares

5.4 Transferasas

intramoleculares

......

6.1 C-O

6.2 C-S

6.3 C-N

6.4 C-C

......

650

720

636

255

120

80

90

90

125

35

6

5

Alcohol

deshidrogenasa,

oxigenasas

Glicosiltransferasas,

quinasas,

transaminasas

Lipasas, proteasas,

glicosidasas,

fosfatasas

Aldolasas,

fumarasas

Glucosa

isomerasa

Ligasas

L-aminoácidos-

ARNt, ligasa

glutamato-amoníaco

Reaccionesque catalizan Subclases

N.º de enzimasidentificadas

N.º de enzimasdisponibles

comercialmenteEnzimas

representativasClase

1. CLASES DE ENZIMAS según la Enzyme Commission. Cada enzima queda

caracterizada por un código de cuatro cifras tal como 3.1.1.3, que corresponde ala triacilglicerol lipasa, o 2.4.1.19, a la ciclodextranoglicosil-transferasa.




Un proceso es espontáneo a unatemperatura T si la variación deenergía libre de Gibbs es negativa(∆G < 0). La variación de entalpía(∆H) es negativa cuando se produceninteracciones atractivas, y es positivacuando una proteína se desnaturaliza.La variación de entropía es positivasi se produce un aumento del desor-den, lo que ocurre cuando la enzimase desnaturaliza. En consecuencia,puesto que la variación de la ener-gía es ∆G = ∆H – T∆S, los términos∆H y –T∆S serán de distinto signo,nos hallemos ante una conformaciónestable de la proteína o se produzcala desnaturalización. Cualquier tipode interacción atractiva origina una

disminución de la entalpía (∆H<0) ,pero al mismo tiempo, y dado queel sistema se hace más ordenado,el descenso de la entropía (∆S <0 )contrarresta dicho efecto.

Las diferencias de energía libreentre el estado nativo, ordenado, yel desnaturalizado, desordenado, sonde sólo 5-15 kilocalorías por mol.La determinación de la estabilidadde una proteína se limita al estudiode ∆G en su proceso de plegamientoespontáneo a partir de la cadena poli-peptídica. Sin embargo, se mide, por

conveniencia, la variación de energíaen el proceso inverso, es decir, en elpaso del estado nativo al desplegadoo desnaturalizado.

Además de la transición rever-sible entre los estados nativo ydesnaturalizado, existen procesosirreversibles, de tipo covalente porlo común, que llevan a la inacti-vación del catalizador biológico. Elproceso de desestabilización puederesumirse en una doble etapa, queconduce al estado inactivado. La in-activación irreversible puede ocurrirsin un desplegamiento preliminarde la proteína, aunque éste podríapropiciar la rotura de la cadenapolipeptídica por el ataque de pro-

teasas o la agregación.La modificación de la estabilidadtermodinámica reviste particular in-terés cuando la enzima ha de operarsometida a condiciones desnaturali-zantes. También importa la estabili-dad cinética, si se trata de asegurarla persistencia o resistencia de laenzima a sufrir cambios estructuralesirreversibles.

Para garantizar la estabilizacióntermodinámica, cinética o ambas sehan avanzado diversos métodos. Porejemplo, la selección de enzimas de

microorganismos extremófilos, quemedran en unos intervalos de tem-peratura, acidez, basicidad, presióno salinidad únicos.

Comenzando por la temperatura,se considera que un ser vivo

es termófilo cuando se desenvuelvecon normalidad entre 65 y 85 oC. Alpoder utilizar enzimas a temperaturasaltas, los organismos cuentan a sufavor con un aumento de la solu-bilidad de los compuestos, mayorvelocidad de reacción, disminuciónde la viscosidad y menor contami-nación microbiana. En contrapartida,a temperaturas altas disminuye lasolubilidad del oxígeno y otros gases;además se tornan inestables muchassustancias químicas.

Se han aislado y caracterizado nu-merosas enzimas termoestables determófilos. Pero no han aparecidoaminoácidos exóticos, ni nuevos tiposde interacciones. La estructura tridi-

mensional de proteínas de similar fun-ción en termófilos y mesófilos tiendea corresponderse; sólo se aprecia, enlos termófilos, un mayor número deinteracciones iónicas.

Pero se detectan ciertas peculiari-dades en la estructura. En las enzi-mas resistentes a la temperatura, laarginina suele sustituir a la lisina;fenilalanina y valina, a isoleucina yleucina. El reemplazo por argininase debe quizás a su mayor pKa, gra-cias a lo cual se minimizan algunosprocesos; las otras sustituciones se

APLICACIONESMEDICAS 52%

APLICACIONESINDUSTRIALES 42%

APLICACIONESANALITICAS 6%

OTRAS9%

PROTEASAS55%

LIPASAS3%

CARBOHIDRASAS26%

ISOMERASAS7%

2. DISTRIBUCION en términos económicos de la utilización mundial de enzimas.Su uso en medicina representa más del 50 % del valor total, si bien en términosglobales de producción es la industria la que consume el mayor porcentaje debiocatalizadores. El 80 % de las enzimas utilizadas en procesos industriales sonhidrolasas; destacan las proteasas, por su participación en la composición delos detergentes, y las carbohidrasas, en especial las amilasas de la industria delalmidón.




traducen en un mejor empaqueta-miento hidrófobo.

Las enzimas termoestables más re-presentativas son las amilasas bacte-rianas y las proteasas. Merced a lapolimerasa de la bacteria Thermusaquaticus pudo desarrollarse la téc-nica de la reacción en cadena dela polimerasa (PCR). Las glicosil-transferasas de bacterias termófi-

las catalizan la transformación dealmidón en ciclodextrinas. Y, porformar complejos de inclusión consustancias hidrófobas, dichos oligosa-cáridos cíclicos encuentran aplicaciónen el enmascaramiento de olores ysabores desagradables en alimentos,la estabilización de sustancias vo-látiles, administración de fármacosy otros.

¿Existe un límite en la termoestabilidad de un biocataliza-

dor? ¿Cuál es la temperatura máxima

que puede resistir sin merma de sueficacia? Puesto que la mayoría de losmecanismos de inactivación enzimá-tica se aceleran en presencia de agua,cabría suponer que la mayor estabi-lidad se diera en medios no acuosos(cloroformo o benceno, disolventesapolares), en los que las enzimas seencuentran en suspensión.

En medios no acuosos, algunasenzimas se incuban durante variashoras a 120-130 oC sin apenas pér-dida de actividad catalítica. Pero lamáxima termoestabilidad conocidacorresponde a enzimas en estadosólido, donde la inactivación sólotiene lugar en una extensión aprecia-ble a 160-200 oC. Tales temperaturasmarcan, quizás, el límite de ter-moestabilidad que un biocatalizadorpuede alcanzar.

La industria necesita enzimas quepersistan estables bajo condicionesácidas, bajo condiciones básicas o enuna concentración salina elevada. Serequieren enzimas estables en medioácido para ser añadidas a piensosanimales; enzimas estables bajo con-diciones básicas cuando los medios

de lavado presentan un pH > 9; y seprecisan enzimas estables de haló-filos para aumentar el rendimientode la extracción de crudo en pozospetrolíferos.

A través de la investigación conextremófilos se han aislado enzimascapacitadas para operar a temperatu-ras de refrigeración. Por su propianaturaleza no es fácil el cultivo ma-sivo de extremófilos, dificultad quese solventa con técnicas de ingenieríagenética (o ADN recombinante). Seinserta en microorganismos inocuos el

gen que codifica la extremozima deinterés. Su clonaje rinde una produc-ción ilimitada de enzimas puras.

Podemos abordar la estabilizaciónenzimática mediante la mutagénesisdirigida, técnica desarrollada en losaños ochenta. En 1988 entraba enlos procesos industriales la primeraenzima producida por técnicas deADN recombinante; en 1991 lo ha-

cía el primer biocatalizador obte-nido por mutagénesis dirigida. Pormutagénesis dirigida podemos sus-tituir aminoácidos, lo que repercuteen la estabilidad enzimática. No setrata de provocar cambios aleatorios,sino de generar efectos estabilizantes;para ello, los métodos de simula-ción por ordenador son muy útiles.Debe siempre comprobarse que lassustituciones de un aminoácido porotro no repercutan en la actividadcatalítica.

Entre las estrategias empleadas,

una consiste en promover nuevas

interacciones electrostáticas (puen-tes salinos) y polares (puentes dehidrógeno). Por cada par iónico for-mado, la energía libre experimentauna disminución de 1 kilocaloría pormol. A veces se ha conseguido unaestabilización mayor introduciendoun resto aminoacídico cargado enla vecindad de α-hélices o creandointeracciones entre histidinas y restos

aromáticos.Puede optarse por la disminución

del valor absoluto de la variaciónde entropía (∆S) en el proceso dedesplegamiento de la proteína. Paraello se sustituyen glicina, serina oalanina por otros aminoácidos másrígidos como treonina, valina o pro-lina. Se ha estimado un descenso de1 kcal/mol en la energía libre porresto sustituido.

En una tercera posibilidad técnica,se busca la mejora del empaqueta-miento interno mediante la introduc-

ción de nuevos contactos hidrófobos

CH3

CH3

INTERACCIONHIDROFOBA

INTERACCIONELECTROSTATICA

PUENTESDE HIDROGENO

Cterminal

Nterminal

INTERACCIONESDE VAN DER WAALS

CH2

CH2

S

S

PUENTEDISULFURO

O

OO–

O–

O

C

C

H

NH3+

α–hélice

3. FUERZAS responsables de la integridad de la estructura secundaria y terciariade una enzima. Salvo los puentes disulfuro, se trata de fuerzas no covalentes.Determinan la estabilidad del biocatalizador. Las interacciones electrostáticas oiónicas se producen entre grupos total o parcialmente cargados; son más intensascuanto más hidrófobo es el entorno donde se producen. Los enlaces o puentesde hidrógeno se dan cuando dos átomos electronegativos comparten un átomode hidrógeno. Las interacciones hidrófobas se generan por la red de enlaces dehidrógeno del agua, que tiende a unir los grupos no polares (la proteína se pliegay amontona residuos aminoacídicos hidrófobos en el centro de la molécula) paraasí minimizar su efecto destructor sobre dicha red. Tales interacciones se hacenmás fuertes al aumentar la temperatura. Las fuerzas de van der Waals se generanentre dos átomos con cargas eléctricas. Pueden resultar importantes cuando dossuperficies macromoleculares se adaptan estrechamente una a otra. Los puentesdisulfuro se originan por reacción entre grupos SH de cisteínas vecinas de lacadena polipeptídica.




en el núcleo apolar. Aunque esteplanteamiento permite, en teoría,aumentar la estabilidad, resulta dedifícil aplicación, pues los núcleos dela mayoría de las enzimas presentanen su estado nativo un empaqueta-miento muy compacto.

Además de actuar sobre las interac-ciones que determinan la estabilidadconformacional, mediante mutagéne-sis dirigida se eliminan o demoranlos procesos que conducen a la in-activación irreversible. Pensemos enla degradación de los aminoácidos.Evitaremos la oxidación de residuossulfurados como cisteína o metionina,

o la desamidación de asparagina oglutamina, si se reemplazan por otrascadenas laterales no susceptibles desufrir esas agresiones. Por esta víamutagenética se han conseguido lipa-sas activas en detergentes y establesen las condiciones desnaturalizantespropias de los procesos de lavado(tensioactivos, pH alcalino, tempe-ratura, presencia de proteasas, ac-ción oxidante de los blanqueantes,etcétera).

De todas las técnicas de estabili-zación, la inmovilización ocupa una

posición privilegiada. Se dice que unaenzima está inmovilizada cuando seencuentra confinada en una regióndel espacio, presta para volver aintervenir siempre que se la requiera.Las estrategias de inmovilización seagrupan en tres grandes bloques:unión a un soporte, atrapamiento yentrecruzamiento intermolecular. Noson técnicas excluyentes. Resultaharto frecuente someter a entrecru-zamiento una enzima adsorbida deantemano sobre un soporte sólido.

Para que una enzima unida a unsoporte adquiera mayor estabilidad,se requiere que la unión entre ambos

se selle por varios puntos, no por unsolo enlace. Los procesos promovidospor la inmovilización que conducena la estabilización del biocatalizadorson de diverso tenor: aumento de larigidez de la proteína enlazada a lamatriz, disminución de la agregación,mayor dificultad de la disociación demonómeros, disminución de la auto-lisis en proteasas, protección frente ala inactivación originada por cambiosde pH o un efecto protector frente alataque de microorganismos, proteasaso agentes desestabilizantes.

Hasta el 20% de las enzimas co-mercializadas están inmovilizadas, loque da muestra de la importanciade la técnica. Se emplean enzimasinmovilizadas en las industrias quí-mica, farmacéutica y alimentaria, so-bre todo en la producción de jarabesde glucosa/fructosa, de 6-APA y deacrilamida.

Los biosensores que portan enzimas inmovilizadas se utilizan en

la determinación de la calidad de losalimentos, detección de contaminan-tes, análisis clínicos y el desarrollode órganos de repuesto en medicina.

La transferencia de la tecnología debiosensores del laboratorio a la indus-tria se verá favorecida por el desa-rrollo de técnicas de estabilización debiomoléculas (enzimas, anticuerpos,etc.) unidas a superficies. En virtuddel mantenimiento de su actividadbiológica, existen biosensores quepueden almacenarse en condicionessecas o húmedas durante una semana,un mes, incluso hasta un año, sinpérdida de sensibilidad.

Goza de amplia difusión la téc-nica de los cristales entrecruzados

Estado DEstado N Estado I

K

kin

Proteína oligomérica(tetrámero)

Renaturalización

1. Agregación (a veces acompañada de formación de puentes S-S intermoleculares)

2. Cambios en la estructura primaria: a. Hidrólisis de enlaces peptídicos b. Oxidación de Cys, Trp, Met c. Reducción, en medio básico, de enlaces S-S d. Desamidación de Asn y Gln ?e. Racemización de aminoácidos

3. Eliminación de la coenzima del centro activo

4. Disociación de proteínas oligoméricas en sus monómeros

5. Adsorción sobre la superficie del reactor

6. Replegado incorrecto con producción de estructuras proteicas erróneas

Mecanismos de inactivación

Desnaturalización

Inactivación

Replegado incorrecto

Disociaciónen monómeros

Agregación

4. DESESTABILIZACION de una enzima. Los procesos puedenser reversibles e irreversibles. Podemos identificarlos mediantetécnicas de electroforesis, espectrofotometría, cromatografía yotras. Los enlaces peptídicos y las cadenas laterales de cier-

tos aminoácidos, por ser químicamente reactivos, participanen numerosos procesos de inactivación, especialmente a altatemperatura o bajo condiciones inapropiadas de almacena-miento.




de enzimas. Combina cristalizacióny entrecruzamiento para obteneragregados enzimáticos, insolublesen agua y en disolventes orgáni-cos; exhiben una actividad muynotable y una excelente resisten-cia a la exposición prolongada atemperaturas elevadas, medios or-gánicos y drásticas variaciones del pH. Estas propiedades, unidas a

la facilidad de separarlos del me-dio de reacción, convierten a loscristales entrecruzados de enzimasen potentes herramientas para eldesarrollo de procesos biocatalí-ticos. No son, empero, las únicastécnicas de inmovilización.

La modificación química covalentede determinados grupos funcionalesde la enzima puede incrementar suestabilidad. Pero pueden darse tam-bién otros efectos: variación en susolubilidad, disminución (o supresión)de su antigenicidad y cambio en su

especificidad o en su pH óptimo. Setrata de una técnica para prepararenzimas semisintéticas in vitro cu-

yos resultados es difícil y arriesgadopredecir.

A través de estrategias químicasse ha logrado, asimismo, la esta-bilización enzimática. El grupo deVadim Mozhaev ha obtenido efec-tos estabilizantes en las proteasasα-quimotripsina y tripsina de hasta1000 veces modificando su superficiecon anhídridos cíclicos muy polares

o introduciendo un grupo amino enel anillo bencénico de los residuosde tirosina.

Existen enzimas cuya vida media en sangre, una vez inyectadas

en vena, es de 10-20 minutos. Pararetrasar su degradación por proteasasse ha investigado su recubrimientocon el reactivo anfipático polieti-lenglicol (PEG), un compuesto muypoco inmunogénico. Del éxito de eseplanteamiento da fe el espectaculardesarrollo de fármacos basados en

enzimas unidas a PEG. En el campode las biotransformaciones, la mo-dificación con PEG ha permitido

mejorar la solubilidad, actividad yestabilidad de numerosas enzimasen disolventes orgánicos. Son másde 40 las proteínas —la mayoríaenzimas— que han sido modificadascon derivados del PEG y utilizadas enterapéutica. La adenosina desaminasafue la primera enzima modificadacon PEG que obtuvo la aprobaciónpara uso médico, en 1991, de la

FDA americana, siendo hoy en díael medicamento más caro en todoel mundo.

La principal modificación bio-química de una enzima estriba enla glicosilación o adición de ca-denas cortas de azúcares a restosaminoacídicos. Es un proceso quese da en casi todos los seres vivos.Sobre el papel de los glúcidos enla estabilización de las glicoenzimasapenas se conoce nada. Se acepta,sin embargo, que en organismossuperiores la presencia de antenas

de oligosacáridos confiere resis-tencia a la proteolisis, lo que setraduce en mayores vidas medias

Enzima estable en medios ácidos

Enzima estable en medios básicos

Enzima estable a altas temperaturas

Enzima estable a elevadas concentraciones salinas

Enzima no estable

OH_

pHmetro

Cal

pH/ mVMetodo Muestra

pH 3.0 pH 10.0pHmetro

Cal

pH/ mVMetodo Muestra

+H

OH–

OH–

OH–OH–

OH–OH–

+H+H

+H

+H

+H

+H

120º

100º

80º

60º

40º

20º

0º

20º-

ºC

Cl_

Na+

0

1 0 1 5205

MHO

Medida Calibrado

CONDUCTIVIMETROMicro MHO

Mili MHO

Na+

Na+

Na+

Cl_

Cl_

Cl_

5. LOS MICROORGANISMOS EXTREMOFILOS sirven defuente de enzimas estables en ambientes donde la mayoría de

los catalizadores biológicos se desnaturalizan. Estas enzimastoleran esas condiciones incluso fuera del medio celular.




Transferencia del gen mutado a un plásmidoabierto. El plásmido se cierra por la acciónde ligasas

Extracción del ADNde la célula que producela enzima

El gen que codificala enzima se separadel resto de la hebrade ADN mediantenucleasas de restricción

Oligonucleótidos

Apertura del plásmidousando enzimasde restricción

Extracción del plásmidode una bacteria

ADN cromosómicoPlásmido

Introducción del plásmidoen un microorganismo (huésped)

Cultivo del huésped

Aislamientode la enzima

ENZIMAMODIFICADA

GENETICAMENTE




en el torrente sanguíneo para lasenzimas glicosiladas.

Por otro lado, la adición de de-terminadas sustancias al medio haservido para minimizar los procesos

de inactivación enzimática. A dife-rencia de la modificación química,en la estabilización por aditivos nose forma enlace covalente entre elbiocatalizador y el compuesto agre-gado. Los aditivos utilizados pertene-cen a cuatro categorías: los propiossustratos enzimáticos, cosolventeshidrófilos capaces de promover laformación de puentes de hidrógeno,

especies iónicas y polímeros. En al-gunas bacterias hipertermófilas sehan detectado algunos estabilizantesde bajo peso molecular.

Muy reciente es el empleo deanticuerpos, que estabilizan una pro-teína si interaccionan con regionesdeterminantes de la cadena polipep-

tídica; por ejemplo, donde se iniciael despliegue o donde la enzima esmás vulnerable al ataque de proteasas.La formación de un complejo entrela enzima y un anticuerpo podríaasegurar una óptima estabilización.De hecho, se han obtenido complejosde inmunoglobulinas con lisozimaresistentes a la inactivación.

Cuando empleamos células enteras

en vez de enzimas nos ahorramos lapurificación de las proteínas. Además,las células ejercen un efecto protectorcontra metales pesados, disolventesorgánicos y otros agentes desnatu-ralizantes. Pero los biocatalizadorescelulares pueden desencadenar re-acciones no deseadas y contaminar

6. MUTAGENESIS DIRIGIDA. El genque cifra la enzima a estabilizar se in-troduce en un medio con oligonucleótidosque se espera sustituyan una determi-nada secuencia de bases del gen encuestión. Las sustituciones nucleotídicasdeterminan sustituciones aminoacídicas.Sirviéndonos de un plásmido vector ino-culamos el nuevo gen en una bacteriau hongo, para su cultivo. Y extraemosla nueva enzima mutada.

En gel Encapsulación

Adsorción Unión covalente

Confinamiento en unreactor de membrana

1. Unión a soportes

2. Atrapamiento

3. Entrecruzamiento intermolecular

multipuntual

unipuntual

7. METODOS DE INMOVILIZACION. El acoplamiento deuna enzima a un soporte puede conseguirse por adsorción—en la que participan fuerzas hidrófobas, de van der Waalse interacciones iónicas— o mediante enlace covalente a gruposactivados de la matriz sólida. Bajo determinadas condiciones,ciertos polímeros naturales (agar, colágeno, celulosa) formangeles, en cuya estructura tridimensional la enzima puede quedar

ocluida. El catalizador biológico puede quedar confinado enmicrocápsulas de un polímero orgánico. Otra posibilidad esutilizar una membrana semipermeable plana o fibras huecaspara separar la enzima de la entrada y salida en un reactorcontinuo. El entrecruzamiento intermolecular de la enzimausando reactivos bifuncionales puede dar lugar a biocataliza-dores insolubles en el medio de reacción.




el producto final. Según el estadode las células en el momento deañadir el sustrato, hablaremos dedos tipos de transformaciones: lasque utilizan células en crecimiento,fermentaciones, y las que hacen usode células cultivadas. En el segundosupuesto, las células pueden o noser viables.

De los métodos aplicados a la es- tabilización de enzimas, sólo la

inmovilización sirve también para laestabilización celular. En ésta se recu-rre sobre todo al atrapamiento en gel.El primer éxito de estabilización decélulas por inmovilización se registróen 1973, cuando se inmovilizaron engeles de poliacrilamida células de Escher ichia coli para la producciónindustrial de L-aspártico. Más recien-tes son el atrapamiento de célulasde Rhodococcus rhodochrous —conactividad nitrilo-hidratasa— para la

obtención de acrilamida, el atra-pamiento en geles de alginato decélulas de Erwinia rhapontici para lapreparación de isomaltulosa o el decélulas de Pseudomonas denitrificans para la eliminación de nitritos en elagua de bebida.

Comparadas con las enzimas, lascélulas pierden menos capacidad ca-talítica, pues la membrana celularprotege a sus enzimas de procesos dedesnaturalización de origen mecánico.

Desde el punto de vista industrial, nosiempre resulta necesario estabilizarlas células. Para la producción de6-APA a partir de penicilina G, seemplean células microbianas, que seeliminan una vez utilizadas.

Se presenta a veces el dilemade optar por enzimas o por célulasinmovilizadas. En general, las pri-meras suelen ser la mejor elección

si se trata de reacciones en un solopaso que no requieran cofactores,siempre que estemos ante enzimasextracelulares. Las células inmovili-zadas se prefieren en reacciones devarias etapas, con enzimas inestableso acopladas, que requieran cofactoreso fuentes de energía como el NADHo el ATP.

Con frecuencia creciente se di-rige la mirada hacia células animaleso vegetales, por su interés en laproducción de insulina, anticuerposmonoclonales, alcaloides, esteroides

y otras moléculas del máximo in-terés. Cierto es que su cultivo ymanipulación es más complicado queel de los microorganismos. Pero pa-

rece que pueden estabilizarse porinmovilización.

Hasta los años ochenta las enzi-mas eran los únicos catalizadoresbiológicos. Disponemos ahora deotros dos tipos de biocatalizadores:ARN catalíticos, o ribozimas, y an-ticuerpos catalíticos, o abzimas. En1982 Thomas Cech y Sidney Altmandescubrieron que había fragmentos

de ARN que operaban sobre otrosARN: escindían la cadena polirri-bonucleotídica por dos partes máso menos alejadas entre sí; actua-ban como una suerte de “tijerasde ARN”. Su modo de procedercumplía los requisitos necesariospara merecer la consideración degenuinos catalizadores.

Desde 1986, año de su descubrimiento, se ha dedicado un no-

table esfuerzo al desarrollo de losanticuerpos catalíticos, o abzimas.

Fundan sus propiedades en la altaespecificidad que los anticuerpos (oinmunoglobulinas) exhiben en el sis-tema inmunitario de los vertebrados.

Polietilenglicol activado concarbonato de succinimidilo

EnzimaEnzima modificada

+

1 2 3 4 5 6

0

0

20

40

60

80

100

A c t i v i d a d r e s i d u a l ( % )

Tiempo (h)

Lipasa modificada con PEG

Lipasa nativa

8. MODIFICACION COVALENTE de enzimas. Con polietilenglicol (PEG) se ob-tienen preparaciones con una estabilidad excepcional frente al ataque de protea-sas, a la acción de disolventes orgánicos o al efecto de la variación del pH. Lareacción ilustrada es específica para los grupos amino de los residuos de lisina.Se incluye asimismo una gráfica donde se aprecia la estabilización producida enla lipasa de la levadura Candida rugosa tras la modificación con PEG de pesomolecular 5000.




Cuando una sustancia extraña (bac-teria, virus o macromolécula) invadeun mamífero, éste produce —a travésde sus linfocitos B— una respuestainicial de más de 108 anticuerposdistintos. Este barrido natural permiteal ser vivo sintetizar inmunoglo-bulinas con una alta especificidadantígeno-anticuerpo. La demostraciónpor Kohler y Milstein en 1975 deque es posible generar in vitro an-ticuerpos monoclonales —de idéntica

composición y estructura molecu-lar— fue decisiva en el desarrollode anticuerpos como catalizadores.Se han obtenido anticuerpos queaceleran notablemente un importantenúmero de reacciones químicas, quevan desde la hidrólisis de péptidosa la síntesis de Diels-Alder, siendoespecialmente eficientes en procesosenantioselectivos.

Puesto que los anticuerpos sonproteínas de alta masa molecular(150.000 daltons, formados por cua-tro cadenas polipeptídicas), compar-

ten muchos aspectos mecanísticos yestructurales con las enzimas. Losproblemas de estabilidad y estabi-lización presentan también muchospuntos en común. Se ha observadoque, en presencia de disolventesorgánicos, determinados anticuerpospierden su actividad, llegándose avalores del 5 % del original en unahora. Por ello se han desarrolladodiversos métodos de inmovilizaciónde anticuerpos.

Mediante oxidación de los hidratosde carbono de la región Fc del an-ticuerpo se generan grupos aldehídoque pueden unirse a restos aminoo hidrazida de un soporte. Tambiénse han inmovilizado anticuerpos porentrecruzamiento a través de los gru-pos amino de sus residuos de lisina.La estabilización conseguida ofrecebuenas expectativas para el uso de los“catalizadores del futuro” en biotrans-formaciones en medios inéditos.


ENZYME STRUCTURE AND MECHANISM. A. Fersht, 2.ª ed. W. H. Freeman andCompany, Nueva York, 1985.

AT THE CROSSROAD OF CHEMISTRY AND IMMUNOLOGY: CATALYTIC ANTIBODIES. R.A. Lerner et al. en Science, vol. 252, páginas 659-667, 3 de mayo de 1991.

BIOCATALYSIS IN ORGANIC SYNTHESIS. J. Halgas, Elsevier, Amsterdam, 1992.INDUSTRIAL ENZYMOLOGY. Dirigido por T. Godfrey, S. West; Macmillan Press

Ltd., Londres, 1996.STABILITY AND STABILIZATION OF BIOCATALYSTS. Dirigido por A. Ballesteros, F.

J. Plou, J. L. Iborra, P. J. Halling; Elsevier, Amsterdam, 1998.

0

1

2

3

4

5

6

1 s tQ t r 2 nd Q t r 3 r dQ t r

Line

Line

Line

Bomba peristáltica

Solución celular en alginato

1

Reactor con células inmovilizadas

3

Solución de cloruro cálcico

2

9. INMOVILIZACION DE CELULAS en geles de algi-nato. Se empieza con el cultivo del microorganismo enun medio adecuado. Las células se recogen, se lavan y seresuspenden en una disolución al 1% de alginato sódico(1). Con una bomba peristáltica, la suspensión se añade

gota a gota sobre una disolución de cloruro cálcico ( 2). Enestas condiciones, el alginato cálcico solidifica en esferas,quedando las células ocluidas en sus poros. La preparacióninmovilizada se filtra y puede ya utilizarse en distintasbiotransformaciones ( 3).



Tal vez, un día, las personas con insuficiencia

hepática se curen mediante implante de “neoór-

ganos” fabricados con células hepáticas y fibras

plásticas, los diabéticos insulinodependientes prescindan

de las inyecciones periódicas de insulina gracias a

páncreas semisintéticos de recambio, y las máquinas

de diálisis queden obsoletas porque se proporcione a

quien tenga afectados los riñones otros nuevos a partir

de sus propias células. ¿Sueño?

No para los expertos en ingeniería de tejidos, domi-

nio con diez años escasos de vida. En algunas partes

se expende ya el primer producto

comercial de ingeniería de tejidos:se trata de un tipo de piel artifi-

cial, sintetizada por el hombre. Muy

pronto le seguirán otros. Hemos

aprendido a cultivar células madre

embrionarias, una estirpe que po-

dría viabilizar la construcción de órganos a medida. Se

han implantado en la columna vertebral de enfermos

con dolor crónico finos tubos que contienen células

que secretan analgésicos. Se están realizando ensa-

yos clínicos con cartílago artificial obtenido mediante

ingeniería de tejidos y se espera que de aquí a pocos

años llegue al mercado.

En este informe especial se perfilan los éxitos

actuales de este nuevo campo de investigación co-

sechados por los propios autores. En el horizonte

se adivina un “mundo feliz” donde los humanos no

mueran por falta de “piezas de

recambio”. No se soslayan losproblemas éticos y técnicos con

que se enfrenta la ingeniería de

tejidos, cuya solución es un paso

previo obligado.

—La Redacción

EL FUTURODE LA INGENIERIA DE TEJIDOS

INFORME ESPECIAL




M iles de personas de todas las edades ingresan cada día en hospitales, obli- gadas por el malfuncionamiento de

algún órgano vital. Muchas morirán al fal-

tar donaciones de trasplantes. Por referir unejemplo, sólo en los Estados Unidos, duranteel año 1997, de los 40.000 necesitados detrasplante de corazón, lo recibieron sólo 2300,según datos oficiales. También escasean híga-dos y riñones que podrían salvar vidas, comoinsuficiente es la piel para los quemados yotros cuyas heridas no sanan debidamente. Amenudo es más fácil reparar el coche que alconductor; para el primero se dispone de piezasde recambio, un lujo que el ser humano noha podido permitirse, hasta ahora.

Pero un nuevo planteamiento, fascinante,podría revolucionar el tratamiento de pacien-tes urgidos de estructuras vitales nuevas: lacreación de tejidos u órganos artificiales, losllamados neoórganos. Un ingeniero de tejidosinyecta o deposita en una herida o un órganoque requiera regeneración una molécula, porejemplo, un factor de crecimiento. Esta mo-lécula moviliza las células del paciente haciala herida e insta su transformación en untipo celular concreto, que regenere el tejido.Más ambicioso es el trasplante de células, delpropio paciente o de un donante, cultivadasde antemano e incorporadas en una urdimbretridimensional de polímeros biodegradables,como los que se utilizan para hacer suturasresorbibles. La estructura entera, células y

urdimbre, se trasplanta a la herida; aquí, lascélulas se dividen y reorganizan para formartejido nuevo. Al propio tiempo, se van desin-tegrando los polímeros artificiales, hasta que

sólo queda formado un producto completamentenatural, un neoórgano.La creación de neoórganos ha surgido de

la aplicación de los avances de los últimosdecenios en nuestros conocimientos de biologíafundamental a la reconstrucción de tejidos, igualque el progreso experimentado en ciencia demateriales permite proyectos de nuevo cuñoen arquitectura.

En la televisión y en el cine aparecen relatosfantasiosos de formación de órganos, de creaciónde individuos incluso, a partir de un extrañocultivo celular alimentado por un poderosonutriente. La ingeniería de los tejidos no llegaa tanto. El futuro que nos espera se adivinatras lo ya conseguido, a saber, la aplicaciónmédica de tejido de síntesis en hospitales delos países avanzados. En ese dominio revo-lucionario se incluyen piel, cartílago, hueso,ligamento y tendón artificiales. No parecedisparatado pensar en órganos al alcance detodos, algún día.

Al menos en línea de principio, pueden pro-ducirse hígados, riñones, mamas o intestinos,órganos grandes y complejos dotados, cadauno, de tipos celulares distintos. No ocurreotra cosa en el vientre de la mujer emba-razada, en cuyo seno un puñado de célulasindiferenciadas se desarrollan hasta formar un

individuo comple jo, constituido por múlt iplesórganos y tejidos, con propiedades y funcionesmuy dispares. El día en que se desentrañe elmecanismo en cuya virtud se forma el hígadoo el pulmón, la ciencia se hallará capacitadapara replicar el proceso.

Las células responden de manera predictible si se las expone a factores bioquímicos

determinados. Para estimular el crecimiento detejido nuevo, lo más directo consiste en dejarla herida o el órgano lesionados en contactocon factores que estimulen la curación o re-generación. La técnica se apoya en un par de

DAVID J. MOONEY y ANTONIOS G. MIKOShan colaborado a lo largo de ocho años encuestiones relacionadas con el artículo. Moo-ney, docente en la Universidad de Michigan,ha estudiado la respuesta celular ante estímulosexternos bioquímicos y mecánicos; diseña ysintetiza urdimbres poliméricas para su aplica-ción en ingeniería de tejidos. Mikos, profesorde la Universidad de Rice, se ha centrado enla síntesis, el procesamiento y la evaluación denuevos biomateriales.

NEOFORMACION DE


Se han dado los primeros pasos

hacia la creación de órganos semisintéticosque sirvan de recambio de los naturales

David J. Mooney y Antonios G. Mikos



observaciones clave realizadas en huesos yen vasos sanguíneos.

En 1965, Marshall R. Urist comprobó que,en los animales que habían recibido implantesde hueso pulverizado, se estimulaba la for-mación de nuevo tejido óseo. Tal observaciónmotivó el aislamiento de las proteínas respon-sables de dicha función. Eran las proteínas

morfogenéticas óseas (“bone morphogeneticproteins”, BMP). Se determinó la secuenciade ADN de los genes que las cifraban. Mástarde, varias compañías empezaban a producirBMP humanas recombinantes en cantidadesindustriales mediante inserción de dichosgenes en líneas de células de mamífero.

Se están realizando ensayos clínicos paracomprobar la capacidad de regeneración tisularque poseen estos promotores del crecimientoóseo. Y se está analizando su posible aplica-ción en la curación de fracturas óseas agudascausadas en accidentes o en el reforzamientode la regeneración de tejido periodontal en-fermo. En la fase de ensayo clínico terminada,BMP-7, fabricada por Creative BioMolecules,ha demostrado que ayuda a curar fracturasóseas severas. Se ha seguido la evolución de122 pacientes cuyas fracturas de la pierna nose habían soldado, pasados nueve meses. Losresultados fueron parecidos en los pacientescuya curación se estimuló con BPM-7 y en losque recibieron un injerto quirúrgico de huesocultivado de otra parte de su cuerpo.

La ingeniería de neoórganos ha de hacerfrente a un reto decisivo, la alimentacióncélula por célula. Los tejidos de un grosorsuperior a unos milímetros precisan vasossanguíneos que crezcan en su interior y que

permitan el aporte de nutrientes. Debemos aJudah Folkmann saber que cabe estimular alas células para que produzcan nuevos va-sos sanguíneos. Folkmann descubrió tamañaposibilidad hace casi treinta años, mientrasestudiaba cómo impedir la multiplicación delas células en los tumores malignos.

Folkmann observó que los tumores encrecimiento necesitaban formar sus propios

ORGANOS

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, junio, 1999

1. Aunque el cuerpo humano sea más que la suma

de sus componentes, la sustitución de partes de-

fectuosas debería prolongar y mejorar la vida.




vasos sanguíneos para recibir nutrientes. En1972 propuso utilizar moléculas específicas parainhibir esa angiogénesis, al objeto de matarpor inanición a los tumores. Este enfoque dela lucha contra el cáncer dio sus primerosfrutos en 1998. Tras caer en la cuenta deque otras moléculas estimulaban también laangiogénesis, los investigadores han venidodescubriendo nuevos factores, unos inhibidoresy otros promotores.

Exito del que comienzan a sacar partidolos ingenieros de tejidos. Han llegado a losanaqueles del comercio moléculas recombi-nantes que estimulan la angiogénesis. Porexperimentación animal se ha comprobadoque estas moléculas promueven el crecimientode nuevos vasos que sortean las obstruccio-nes de la arteria coronaria, por ejemplo. Sepreparan también ensayos a pequeña escalapara someter a prueba este planteamientoen la terapia de patologías similares enhumanos.

Antes de que los fármacos que estimulan laformación de tejidos y órganos alcancen un

carácter rutinario, habrá que vencer algunos

obstáculos. De momento sólo se han determi-nado los factores responsables del crecimientode los huesos y de los vasos sanguíneos. Pararegenerar el hígado u otros órganos, tendremosque identificar primero y producir luego conla máxima fiabilidad las moléculas específicasde su desarrollo.

Además, queda mucho por avanzar en laadministración de las sustancias que deben

dirigir la regeneración de los órganos. ¿Quéconcentración específica de moléculas se nece-sita para producir el efecto deseado? ¿Cuántotiempo deben estar expuestas las células a unfactor dado? ¿Hasta cuándo persiste la eficaciade los factores en el cuerpo? Se precisarán,sin duda, factores múltiples para la formaciónde órganos complejos; pero, ¿en qué momentoexacto del desarrollo debe un factor sustituira otro? El dominio de la técnica de adminis-tración controlada de fármacos —pensemos enlos parches transdérmicos desarrollados por laindustria farmacéutica— habrá de hacer másfácil la solución del problema.

En particular, puede recurrirse a polímerosinyectables para colocar las moléculas bioactivasen su punto de operación, con una mínima inter-vención quirúrgica. Michael J. Yaszemsky, AllanW. Yasko y Mikos (firmante de este artículo)trabajan en el desarrollo de nuevos polímerosbiodegradables e inyectables para aplicacionesortopédicas. Gracias a su maleabilidad, lospolímeros colman irregularidades, se endurecenen diez o quince minutos y proporcionan a

la región esquelética reconstruida propiedadesmecánicas parecidas al hueso que sustituyen.Luego, en un intervalo de semanas a meses,los polímeros se degradan según una pautacontrolada mientras que el hueso neoformadoocupa su lugar.

Hemos venido estudiando las posibilidadesde regeneración ósea dirigida que ofrecen loshidrogeles biodegradables e inyectables en eltratamiento de afecciones dentales, como launión precaria del diente y el hueso. Estospolímeros hidratados gelatinosos incorporanmoléculas que modulan la función celular einducen la formación ósea. Tejen una urdimbre

sobre la que pueda crecer el hueso nuevo yminimizan la formación de tejido cicatrizal enla región regenerada.

Los grupos de Jeffrey F. Bonadio y StevenA. Goldstein avanzaron una variedad interesantede la administración más frecuente; combinanconceptos de terapia génica e ingeniería detejidos. En vez de administrar directamentefactores de crecimiento, insertan los genes quedeterminan la síntesis de esas proteínas. Sevalen de un plásmido, una molécula de ADNcircular en la que se insieren dichos genes.Las células incorporan el ADN y lo tratancomo propio, convirtiéndose en fábricas enminiatura que producen los factores cifrados enel plásmido. El ADN insertado no se incorporaen el ADN celular, sino que flota librementey termina por degradarse, con lo que terminala síntesis. La inserción de plásmidos ha favo-recido la regeneración ósea en animales, perohabrá que ahondar más todavía en la duraciónde sus efectos.

David J. Mooney, junto con Lonnie D. Shea y nuestros colaboradores de Michigan

han observado en animales que el engarce depolímeros biodegradables tridimensionales conplásmidos libera ADN durante largos períodos;al propio tiempo, los polímeros sirven de ur-

dimbre para el nuevo tejido en formación. ElADN se abre camino en las células adyacentesconforme éstas van penetrando en la urdimbre.Las células expresarán entonces las proteínasdeseadas. A través de esta técnica se gobiernacon mayor precisión la formación del tejido.Quizá llegue el día en que los médicos regu-len la dosis y el momento de producción dela molécula por las células que incorporan elADN, activando múltiples genes a su debidotiempo para promover la formación de tejidosen diferentes fases.

Ni que decir tiene que la estimulación deldesarrollo de tejidos y órganos, vía factores

2. Estructura sintética

polimérica con forma

de nariz (izquierda ),

sembrada de condro-

citos; estas células,

andando el tiempo,

sustituyen el polímero

por cartílago

(derecha ), hasta

obtener un implante

apropiado.



de crecimiento, constituye un espectacular pasoal frente. Pero palidece cuando se le com-para con la meta del ingeniero de tejidos: lacreación ex novo de neoórganos enteros. Laidea de “recambios prefabricados” empieza aadquirir forma en el buscado trasplante directode células en el cuerpo donde deban luegotransformarse en componente específico. Lamejor manera de producir órganos y tejidoshay que fiarla todavía en la sabiduría bioquí-

mica del organismo. Se transfieren las célulasapropiadas, en una matriz tridimensional, hastael lugar deseado; el crecimiento se producedentro de la persona o del organismo, no enun medio externo y artificial. Se sigue estemétodo ya en pacientes con lesiones cutáneaso alteraciones en cartílagos. Establecieron susbases Ioannis V. Yannas, Eugene Bell, RobertS. Langer, Joseph P. Vacanti y otros, en losaños setenta y ochenta.

El procedimiento habitual exige la multipli-cación de las células en cultivo. De éstas sesiembra una matriz de polímeros sintéticos o decolágeno (proteína ésta que forma la urdimbre

de sostén natural de la mayoría de los teji-dos). Amén de aportar células, la matriz creay mantiene un espacio para la formación deltejido; guía, también, su desarrollo estructural.Cuando se conozcan de forma completa losmecanismos que gobiernan el desarrollo deun órgano o tejido, podrán fabricarse a partirde una pequeña muestra inicial de células. (Elconocimiento suficiente de las vías de desa-rrollo debería permitir trasladar al laboratoriolos proceso del organismo; nos hallaríamos asíante órganos prefabricados genuinos. El cirujanopodría implantarlos inmediatamente en caso deurgencia —una situación de sumo interés sitenemos en cuenta que el fallo de una víscerapuede llevar a la muerte fulminante—, sin es-perar semanas o meses a que el nuevo órganocrezca en el laboratorio, ni recurrir a factoresde crecimiento que induzcan el desarrollo delos tejidos en el interior del paciente.)

Por lo que respecta a la piel, el proyectose ha hecho ya realidad. La norteamericanaadministración de alimentos y medicamentos

(FDA) ha aprobado un productode piel viva, y otros esperanturno. Existe una apremiante ne-cesidad de piel. Se cuentan pormillones los que sufren úlcerasdiabéticas, particularmente difíci-les de sanar. A muchos otros seles extirpa piel durante la terapiade cáncer de piel, por no hablarde los injertos en quemados.

Otro tejido cuyo uso se difun-dirá en humanos será el cartí-lago, en intervenciones ortopédi-cas, craneofaciales y urológicas.El cartílago disponible hoy esinsuficiente para el número deoperaciones anuales destinadas areparar articulaciones dañadas ypara la cirugía de reconstrucciónde cara y cabeza. El cartílago,sobrio en el requerimiento denutrientes, no precisa de la formación de nuevosvasos sanguíneos, lo que facilita su empleodirecto en ingeniería de tejidos.

Genzyme Tissue Repair, de Cambridge, ha recibido la aprobación de la FDA para

el desarrollo de tejidos derivados de célulasdel propio paciente cuando se trata de repa-rar lesiones traumáticas del cartílago de larodilla. El procedimiento abarca el cultivo decélulas, extraídas del paciente y a poder serde la misma rodilla lesionada, y su posteriorimplante en la lesión. En función del pacientey de la extensión del defecto, la regeneracióncompleta tarda de 12 a 18 meses. En estudiosen animales, Charles A. Vacanti, Joseph Vacanti,Langer y colaboradores han comprobado laposibilidad real de cultivar cartílago para suulterior desarrollo adoptando formas recono-cibles de orejas, narices y otras.

La relativa facilidad de cultivo y crecimientodel cartílago ha permitido a Anthony J. Atala unaaproximación nueva al tratamiento de ciertasalteraciones urológicas, como la incontinencia.La empresa Reprogenesis financia la investi-gación de Atala, que estudia la posibilidad


a b c d

e

f

3. Oreja cartilaginosa que espera

su encarnación útil como recambio

en un cuerpo humano. Un molde

de polímero con forma de oreja

ha permitido a los investigadores

fabricar esta estructura “bioartificial”.

4. Hueso nuevo que crece para llenar el espacio entre dos seg-

mentos óseos. Un hueso de una extremidad de un perro al que

falta una sección se mantiene en posición mediante tornillos

(a ). Una urdimbre polimérica cebada con proteínas promotoras

del crecimiento óseo (b ) se inserta en el hueco. La urdimbre,

infiltrada lentamente por hueso nuevo (c ), termina enteramente

sustituida (d ). Las células (e ) mantienen su propio aporte san-

guíneo (vasos rojos y azules ). El hueso ha sanado (f ).



de extraer células cartilaginosas del paciente,dejar que se multipliquen en el laboratorio yutilizarlas para añadir masa a la uretra o losuréteres y así mejorar la incontinencia urinariaen adultos y el reflujo vesical en niños. Estasenfermedades están causadas a menudo por unafalta de tono muscular que permite que la orinafluya de forma inesperada hacia adelante enadultos o hacia atrás en el síndrome infantil. Aquienes padecen incontinencia severa o reflujo

vesical se les somete a procedimientos varios,incluida una intervención quirúrgica delicada.Los adultos reciben a veces colágeno, queproporciona la misma masa que el implante decartílago; pero termina por degradarse. La nuevasolución conlleva sólo un mínimo de cirugíainvasiva para la instalación de las células y elcrecimiento de nuevo tejido.

Walter D. Holder Jr., Craig R. Halberstadt y Mooney han empezado a aplicar los

principios generales de la ingeniería de tejidosa una cuestión médica del máximo interésentre la población femenina. Nos referimos

al empeño puesto en la fabricación de nuevotejido mamario, extraído de piernas y nalgas,que sustituya al extirpado mediante mastectomíao tumorectomía. Se procede a una biopsia detejido de la paciente; de ésta se aíslan células,para que crezcan y se multipliquen fuera delcuerpo. Más tarde, estas células de la paciente

podrían reimplantarse mediante una matriz depolímeros biodegradables. En el organismo, elcrecimiento de las células y la degradación dela matriz conducirían a un tejido completamentenuevo y natural. De este proceso sólo resultaríauna masa de tejido blando, no el complejosistema de tipos celulares que encontramosen una mama verdadera, pero podría propor-cionar una alternativa a las actuales prótesiso implantes de mama.

Al éxito obtenido con enfermedades humanasen modelos animales se debe el optimismo quese respira en el dominio de neoórganos conuno o varios tipos celulares. Mikos ha demos-trado la posibilidad del desarrollo de tejidoóseo nuevo, sobre polímeros biodegradables, apartir de trasplantes de células de la médulaósea. El trasplante de células al propio lugarde deficiencia esquelética posibilita la síntesiscelular in situ de los factores requeridos y,con ello, abre la puerta a una vía inédita deadministración de fármacos promotores delcrecimiento.

En cualquier sistema, el tamaño plantea sus

propias exigencias. Los tejidos de un tamañosustancial dado precisan aporte de sangre.Para satisfacer esa demanda, habrá que tras-plantar los tipos celulares apropiados, juntocon sustancias que estimulen la angiogénesis;así, enriqueciendo el polímero de la urdimbrecon sustancias promotoras del crecimiento de


VASOS CON FACTORES DE CRECIMIENTO

VASOS POR IMPLANTE DE CELULAS

a c b

d f e

5. La vascularización de un tejido nuevo puede ocu-

rrir de dos maneras. Se puede inducir la infiltración

por vasos de los tejidos vecinos del tejido que se

pretende revascularizar, mediante siembra de fac-

tores de crecimiento (puntos azules ) en la urdimbre

polimérica del implante (a ). Estos factores se difun-

den por el medio local y estimulan el crecimiento

de vasos sanguíneos en el interior del polímero (b ).

Las células en crecimiento de ambos extremos se

unen para formar un vaso continuo (c ). Los vasos

también pueden crecer dentro de la estructura poli-

mérica si ésta se siembra (d ) con células endotelia-

les (púrpura ). Las células proliferan dentro del polí-

mero y alcanzan el tejido natural (e ). Estos nuevos

vasos se unen a los existentes (rojo ) para formar un

vaso continuo (f ).



los vasos. Otros autores, nosotros entre ellos,nos inclinamos por la creación de una red devasos sanguíneos en el órgano formado antesde su trasplante, mediante la incorporación decélulas que se transformen en vasos sanguíneosdentro de la matriz polimérica. Bastaría luegocon conectarlos a los vasos sanguíneos próximosal tejido para la llegada de la circulación.

En colaboración con Peter J. Polverini, Moo-ney ha demostrado que las células de los vasos

sanguíneos trasplantados establecen tales co-nexiones y que los nuevos vasos están formadospor células implantadas y del propio huésped.La técnica podría resultar un fracaso si eltejido se trasplantara a una región donde losvasos sanguíneos hubieran sufrido la agresiónde una terapia anticancerosa o un trauma-tismo. Si así ocurriera, convendría promoverel desarrollo del tejido en otro lugar, dondelos vasos se formaran mejor en el interior dela nueva estructura. Mikos aplica este enfoquecon Michael J. Miller para la fabricación dehueso vascularizado en cirugía de reconstruc-ción. Por indicar un ejemplo: en el tratamiento

de un paciente con cáncer de la cavidad oralque haya recibido radioterapia en la regiónde la boca que haya comprometido el aportede sangre a la mandíbula, podría desarrollarsenueva mandíbula, conectada a un hueso de lacadera bien vascularizado.

Algunos biomateriales, como el colágeno,están disponibles en la naturaleza o puedenadaptarse desde otros usos biomédicos. Nosotrosnos contamos entre quienes preparan nuevosmateriales poliméricos biodegradables. En suespecificidad, podrían determinar el tamaño y laforma del tejido fabricado, así como controlarla función de las células en contacto con elmaterial y degradarse a un ritmo que optimicela generación de tejido.

La piel, el hueso y el cartílago son tejidosestructurales. Con toda probabilidad recogeránla primera cosecha de éxitos, gracias a su re-lativa sencillez. El horizonte de la ingenieríade tejidos seguirá cifrado en la elaboración deórganos internos. Al hígado corresponde realizarmúltiples reacciones químicas que son necesariaspara la vida; por insuficiencia hepática muerendecenas de miles de personas cada año. Desdeel mítico Prometeo se sabe de una capacidadexclusiva del hígado, la de regeneración parcialtras una lesión; los ingenieros de tejidos seesfuerzan por extraerle partido a esa propiedad

de las células hepáticas.

Joseph Vacanti, Achiles A. Demetriou y otros investigadores han demostrado la posibilidad

de crear nuevos tejidos parecidos al hígado enanimales, a partir de hepatocitos trasplanta-dos. Nosotros hemos desarrollado biomaterialesdonde progresen tejidos parecidos al hígado yhemos comprobado que la administración defármacos a estas células hepáticas trasplantadaspotencia su crecimiento. Los nuevos tejidos quemedran en estos estudios sirven para reem-plazar alguna que otra operación química delhígado en animales, pero no se ha conseguido

replicar la función completadel órgano.

H. David Humes y Atalatrabajan con células renalespara fabricar neoórganos queadquieran la capacidad filtra-dora del riñón. Por su parte,los estudios en animales delgrupo de Joseph Vacanti noshan enseñado que el intes-

tino puede crecer, dentro dela cavidad abdominal, paraluego anexionarse al tejidointestinal existente. Aplicadosa humanos, tales neointestinospodrían ser de ayuda para pa-cientes con síndrome del intes-tino corto, una enfermedad deorigen congénito o traumático.Quienes sufren esa patologíaven afectado su desarrollofísico general por un aporteinsuficiente de nutrientes secundario a losproblemas digestivos. No hay más tratamiento

que el trasplante intestinal; pero escasean elnúmero de donantes. Apoyado en esa mismatécnica, Atala acaba de demostrar en animalesla formación de una vejiga completa, capaz desustituir a la congénita.

Ni siquiera el corazón escapa al tesón delos expertos en regeneración. Un grupo li-derado por Michel V. Sefton ha iniciado unambicioso proyecto para fabricar corazonesnuevos que libre de la muerte, por insuficienciacardíaca, a muchas personas. Se tardará dediez a veinte años en aprender a fabricar uncorazón completo. Antes, sin embargo, podre-mos disponer de tejidos como el que formalas válvulas cardíacas y los vasos sanguíneos.Advanced Tissue Sciences y Organogenesisson empresas que se han embarcado en labúsqueda de procedimientos comerciales parasu fabricación.

¿Qué nos deparará el futuro? Si se nos diceque la medicina contará, de aquí a cinco años,con extractos de piel funcional lo considerare-mos razonable. Nos mostraremos escépticos sise nos dice eso mismo de hígados implantablesfuncionales. Pero tal vez sea posible si seamplía el plazo a unos treinta años.



TISSUE ENGINEERING AND THE HUMAN BODY SHOP: DESIGNING “BIOARTIFICIAL ORGANS”.Carol Ezzell en Journal of NIH Research, vol.7, n.o 7, páginas 49-53; julio de 1995.

PRINCIPLES OF TISSUE ENGINEERING. Dirigido porR. P. Lanza, R. Langer y W. L. Chick. R. G.Landes, 1997.

FRONTIERS IN TISSUE ENGINEERING. Dirigido porCharles W. Patrick, Jr., Antonios G. Mikos yLarry V. McIntire. Pergamon Press, 1998.

6. Los plásmidos, meros

aros de ADN (amarillo ),

arriban desde la urdimbre

polimérica hasta las

células vecinas del

organismo; aquí dirigen

la síntesis de las

proteínas deseadas.

La inyección directa

de las proteínas sería

menos eficaz, pues éstas

se degradan mucho más

rápido que los plásmidos.

Para quienes piensan

en recurrir a promotores

del crecimiento en la

ingeniería de tejidos,

los plásmidos son másfiables que las proteínas

por ellos cifradas.



CELULAS MADRE


Aisladas por fin estas células capaces de dar origen

a cualquier estirpe, se confía en ellas

para reparar tejidos lesionados

1. Las células de

cultivo derivadas

de embriones

humanos en

un estadio

temprano del

desarrollo podríandestinarse a la

fabricación de

tejido de recambio

en órganos afecta-

dos; por ejemplo,

el corazón.




Imaginemos que un amigo ha sufrido un grave ataque al corazón mientras hacía sende- rismo en un remoto parque nacional. Para

cuando llega al hospital sólo una tercera partede su corazón sigue en funcionamiento. Pareceimprobable que pueda reanudar su ritmo devida anterior. Amante pertinaz de la aventura,se ofrece como voluntario para un tratamientoexperimental. Le extraen una muestra de células

cutáneas; vacían luego su material genético,que inyectan en huevos humanos donados, alos que se les han extirpado los cromosomas.Estos huevos manipulados se incuban duranteuna semana en el laboratorio hasta formarembriones en un estadio precoz del desarrollo.Los embriones poseen células que se puedencultivar para producir células madre embrionarias(totipotentes), a partir de las cuales se puedenfabricar células del músculo cardíaco o cualquierotra línea celular.

El equipo médico prepara un cultivo de célulasmadre embrionarias. Le procura las condicionesnecesarias para que se desarrollen en célulascardíacas. Estas células, genéticamente idénticasa las de nuestro amigo, pueden trasplantarse asu corazón sin desencadenar reacciones de re-chazo inmunitario. Las células podrán crecer ysustituir a las dañadas en el ataque al corazón,devolviendo a la bomba salud y fuerza.

La anécdota, mera fantasía, no dista de larealidad cuanto pudiera parecer. Se conocen yavarios tipos de células madre. No están especia-lizadas en funciones propias de ningún órgano,sea el corazón, el hígado o el cerebro. Perocuando las células madre se dividen, parte dela progenie resultante “se diferencia”, es decir,sufre cambios que inducen su maduración encélulas de un tipo determinado. El resto de la

descendencia permanece siendo células madre.Así, las células madre intestinales regeneransin cesar la superficie del intestino, las célulasmadre cutáneas fabrican piel y las células madrehematopoyéticas dan lugar a la serie de célu-las que encontramos en la sangre. Las célulasmadre capacitan a nuestro cuerpo para repararel desgaste y las lesiones diarias.

Pero bastante más extraordinarias son lascélulas madre embrionarias. De ellas puededimanar cualquier tipo celular del organismo.Hasta 1998 no pudieron cultivarse las embrio-narias humanas. En febrero, James A. Thomson,de la Universidad de Wisconsin, identificó los

primeros candidatos al descubrir que ciertascélulas humanas en cultivo se parecían a lastotipotentes embrionarias que había obtenidotiempo atrás de embrión de mono rhesus. Amiles de kilómetros, en Baltimore, en la Uni-versidad Johns Hopkins John D. Gearhart aislabacélulas parecidas en un cultivo de fragmentos deovarios y testes fetales humanos. En California,se realizaban investigaciones similares en Geron

Corporation de Menlo Park y en mi laboratoriode la Universidad de San Francisco.Thomson aprovechó su experiencia previa con

células madre embrionarias de monos rhesus ytitíes, que son primates, igual que nosotros. Enlos meses siguientes, lideró el trabajo de losdemás grupos en la difícil tarea de inducir elcrecimiento en cultivo de las frágiles célulashumanas y confirmó que se trataba en verdadde células madre embrionarias.

En las informaciones publicadas en el nú- mero del 6 de noviembre de 1998 de

Science, Thomson demostraba que las célulashumanas formaban una amplia variedad de tejidos reconocibles cuando se las trasplantababajo la piel de ratones. Ante un inquisitivosubcomité del Senado estadounidense, Thomsonexpuso que las células daban lugar al epiteliointestinal, cartílago, hueso, músculo y epitelioneural (tejido precursor del sistema nervioso),entre otros tejidos. Aún más, estaban represen-tados derivados de las tres hojas fundamentalesde un embrión de mamífero. Algunos tejidosderivan de la capa más externa (ectodermo),otros de las capas media o interna (mesodermo,endodermo). Esta variedad prueba la flexibilidaddel desarrollo de las células. Los resultadosalentaron las esperanzas de que la investiga-

ción en totipotentes embrionarias condujera aldesarrollo de técnicas productoras de célulaspara su aplicación terapéutica, no sólo en losataques al corazón, sino también en cualquiersituación de daño en los tejidos.

Si fuera posible controlar la diferenciación decélulas madre embrionarias humanas en cultivo,las células resultantes podrían servir para repa-rar lesiones causadas por insuficiencia cardíacacongestiva, enfermedad de Parkinson, diabetesy otras. Estas células podrían revestir máximointerés en el tratamiento de las enfermedadesdel corazón y de los islotes del páncreas, que,por conservar pocas células madre en el adulto,

EMBRIONARIASen MEDICINA

Roger A. Pedersen

2. Células madre

embrionarias

que medran en

un medio de cultivo

(masa central ),

rodeadas por

una capa

de células de ratónque les sirven

de nodrizas

(alrededor ).



66

CAPA

DE CELULAS

DE RATONNODRIZAS

FACTOR

DE DIFERENCIACIONCOLONIA

DE CELULAS

MIOCARDICAS

COLONIA

DE ISLOTES

PANCREATICOS

COLONIA

DE CELULAS

DE CARTILAGO

MASA CELULAR INTERNABLASTOCISTO

MASA CELULAR INTERNA

AGREGADO

DE CELULAS

COLONIA DE

CELULAS MADRE

EMBRIONARIAS

1Cultivo de blastocisto

2 Eliminaciónde la capa externa

3 Adición de sustancias que disgregan la masa celular interna

4 Transferencia de los agregados celulares

a un nuevo pozo

5 Formación de célulasdiferenciadas a tejidos

dañados

6 Adición de factores de diferenciación seleccionados

7 Administración de células diferenciadas

a tejidos dañados

POZO

DE CULTIVO

3. El procedimiento para gene-

rar células madre embrionarias

(pasos 1-5 ) se inicia con el

cultivo de un embrión en esta-

dio de blastocisto, fase precoz

del desarrollo. Se ha abierto

el que se muestra en la

micrografía (izquierda ), para

mostrar la masa celular

interna. Las células derivadas

de las células madre embriona-rias en un futuro podrían admi-

nistrarse a pacientes (6 y 7 ).

si alguna, no pueden renovarse de un modonatural. Parece ahora que llegará el momentoen que se sabrá manipular células madre quehan adquirido ya un estado de diferenciaciónparcial con el fin de reorientar el curso desu desarrollo.

Pero antes habrá que conocer mucho mejorlos mecanismos de inducción en cuya virtudlas totipotentes embrionarias maduran en lostejidos deseados. Buena parte de lo sabido se

ha aprendido estudiando células madre de ratón,las primeras caracterizadas.

Se obtuvieron en 1981 a partir de embrionesde ratón, que se encontraban en un estadio dedesarrollo precoz: constaban de cien células.En esa fase, los embriones dibujan una bolahueca y delgada de células. El blastocisto, asíse llama, presenta un engrosamiento interiorde la pared, la masa celular interna. En elútero, del blastocisto derivaría el feto y susmembranas, entre ellas el amnios.

Pero si se cultivan blastocistos en una placade Petri, la capa externa de células se desplomacon rapidez y las células indiferenciadas de la

masa celular interna crean agregados; puestoséstos en cultivo, originan células madre em-brionarias, que, a su vez, crecen y se dividenpermaneciendo durante largo tiempo en unestado indiferenciado. Cuando se inyectan denuevo en un blastocisto de ratón, respondena las señales fisiológicas; las células madurasderivadas de estas células madre aparecen entodos los tejidos embrionarios. De ahí que lascélulas madre embrionarias se denominen toti-potentes, porque podrían formar cualquier tejido,salvo placenta. Las células madre embrionariastienen mucho en común con las células de lamasa celular interna, fuente de todas las cé-lulas del organismo. Pero no son idénticas: encultivo se producen cambios sutiles que limitanligeramente su potencial.



A medida que se fue experimentando condistintas condiciones de cultivo, se observabaque, si no se suministraba factor inhibidor dela leucemia, una sustancia biológica decisiva,las células iniciaban la diferenciación de formaimpredecible. Con todo, el repertorio de tiposcelulares que aparecía era harto más restringidoque el observado cuando se inyectaban las cé-lulas en un blastocisto, por la presumible razónde que el embrión tiene sustancias biológicas

cruciales que faltan en el medio de cultivo.¿Podrían crearse condiciones artificiales queremedaran las embrionarias?

Tales manipulaciones son posibles. El grupo encabezado por Gerard Bain y David I.

Gottlieb ha demostrado que, si se tratan cé-lulas madre embrionarias de ratón con ácidoretinoico, derivado de la vitamina A, se avivala producción de neuronas. Tan simple sustanciaejerce, por lo que parece, un potente efectosobre la célula mediante la activación de ungrupo de genes que sólo las neuronas usan, ymediante la inhibición de otros genes expresa-

dos en células que llegan a la diferencian porcamino distinto.Mi colega Mari Firpo y su grupo obtuvieron

un éxito similar partiendo de células sanguíneas.Descubrieron la acción de factores específicosdel desarrollo, que consistía en inducir a célulasderivadas de totipotentes embrionarias hacia laproducción de la serie entera de células quecomponen la sangre.

Las células madre embrionarias podrían in-cluso generar algunos tejidos útiles sin me-diar tratamiento especial alguno. No acabode sorprenderme cada vez que, al mirar almicroscopio los cultivos derivados de célulasmadre embrionarias, observo agregados condiferenciación espontánea que laten con el ritmode un corazón. Los investigadores podrían dejarque ocurrieran tales transformaciones y limitarseluego a seleccionar y cultivar el tipo celularque se precise.

A eso se ha ceñido el equipo de Loren J.Field. Con un método simple y elegante hanenriquecido cultivos de células musculares delcorazón, cardiomiocitos, de diferenciación es-pontánea, hasta alcanzar un grado de purezasuperior al 99 por ciento.

Para conseguirlo, insertaron, en células madreembrionarias de ratón, un gen de resistenciaantibiótica que se había modificado para que

se expresara sólo en los cardiomiocitos. Traspermitir la diferenciación de las células y ex-ponerlas a una cantidad de antibiótico suficientepara acabar con las células que no portaranel gen de resistencia, el equipo de Field ob-tuvo cardiomiocitos puros. Cuando se trasplantólas células al corazón de ratones adultos, loscardiomiocitos se integraron y fueron viablesdurante siete semanas, el período más largoque analizaron los investigadores.

En una línea similar, el grupo de TerrenceDeacon trasplantó células madre embrionariasen cierta región del cerebro de ratones adultos.Observaron que muchas de las células injertadas


El potencial de los recientes descubrimientos en torno a las células madre embrionarias sólo se podrá llevar a la práctica

en su plenitud si recibe el respaldo de la sociedad. Muchaspersonas consideran que un embrión humano que crezca en unlaboratorio, desde los estadios iniciales (de la fecundación a la

fase de blastocisto con cien células) merece una consideraciónmoral especial porque está capacitado para desarrollar un serhumano si se le devolviera al útero para la gestación. En 1994,un grupo de expertos en ética e investigadores se congregaronpara abordar el tema, a instancias del norteamericano InstitutoNacional de la Salud. Resolvieron que parte de la investigaciónen embriones, así la obtención y análisis de células madreembrionarias humanas, estaba éticamente justificada y podíarecibir financiación federal.

Pese a ello, el Congreso no ha autorizado todavía financia-ción pública para la investigación en embriones humanos. (Eltrabajo de James A. Thomson y John D. Gearhart, así comoel mío propio, han sido su-fragados por laboratorios.)En Gran Bretaña, ese tipo

de investigación goza delapoyo gubernamental. EnAlemania, sin embargo, semantiene lo contrario.

Me sumo al criterio dequienes sostienen que lainvestigación de laborato-rio sobre embriones hu-manos constituye una ac-tividad científica legítima,por las expectativas queabre en medicina. Hayque contar con el con-sentimiento informado delos donantes de cualquier material humano que se utilice

en investigación. En las clínicas para el tratamiento de lainfertilidad se crean rutinariamente embriones que, si no seimplantan en un útero, se destruyen a menos que se donenpara la investigación.

El implante de embriones experimentales en un útero debecumplir unos mínimos de ética y seguridad, porque con este actose permite su desarrollo y transformación en seres humanos.Cualquier manipulación de un embrión que vaya a completarsu desarrollo debe haberse demostrado segura y garantizarbeneficios inequívocos para la persona resultante.

Es obvio que la clonación de seres humanos no reúne estosrequisitos y dudo mucho de que jamás lo haga. Por ello lideréun moratorium voluntario sobre clonación humana.

El NIH ha anunciado que financiará la investigación en tornoa líneas de células madre embrionarias detrayendo fondos de

otras partidas. Así lo ha decidido tras considerar el potencialbiológico de estas células. Las células madre embrionarias noson equivalentes a un embrión en su capacidad de desarrollo.

Para cultivar células madre en el tubo de ensayo, se empiezapor quitar la capa externa de células del blastocisto originario.Estas células extraídas son indispensables para el desarrollo dela placenta, que nutre el fruto de la concepción y lo protegede reacciones de rechazo por el sistema inmunitario de lamadre. Al eliminarlas, el investigador acaba con la posibilidadde que las restantes puedan desarrollarse en un útero. Lascélulas madre embrionarias proporcionan una fuente de tejidosen diferenciación para uso médico que carecen del potencialde un embrión intacto.

—R.A.P.

Etica y células embrionarias

Embrión humano de cinco días



adoptaban la morfología característica de lasneuronas. Algunas de estas células produje-

ron una enzima necesaria para la síntesis delneurotransmisor dopamina, y lo hicieron en lacuantía propia de las neuronas encargadas dela secreción de dopamina. Otras sintetizaronuna sustancia que se atribuye a una clase deneuronas diferente. Y lo que resultaba todavíamás sorprendente, estas células paranerviosasdel injerto desarrollaron proyecciones parecidasa axones, largos ejes nerviosos de transmisiónde señales. En el cerebro, algunas se introdu- jeron en el tejido vecino. No está resuelto siestas células, además de parecer normales, sedesempeñan como tales. Tampoco está claro quéfactores de crecimiento —si los hubo— esti-

mularon en el trasplante la tarea formadora deneuronas; para sorpresa de todos, estas célulasparanerviosas se desarrollaron también en injertosadyacentes al riñón.

La técnica para establecer un cultivo de célu-las madre embrionarias se torna más sugerentecuando se arranca de embriones de primates. Enun cultivo, la capa celular externa del blastocistode primate no se separa fácilmente; hay queeliminarla, para evitar la muerte a las célulasde la masa celular interna. Por lo aprendido conel ratón, estamos convencidos de que a medidaque se gane experiencia con las células madreembrionarias humanas será posible inducir laproducción de células sanguíneas, miocárdicas ynerviosas. También se podría disponer de otrostipos celulares, como las células de los islotespancreáticos para el tratamiento de la diabetes,fibroblastos de la piel para sanar quemaduras yheridas, condrocitos para regenerar la pérdida decartílago en las artrosis y células endoteliales(formadoras de vasos sanguíneos) para restañarlos vasos dañados por la aterosclerosis.

Para nuestro infortunio, las células madreembrionarias presentan también su lado obscuro.El amasijo de tipos celulares que forman cuandose inyectan en ratones adultos constituyen unteratoma, un tumor. Antes de incorporarlas en el

repertorio terapéutico, habrá que dejar sentadoque todas las células estén diferenciadas y nopuedan, por ende, diseminarse indebidamente odesarrollar un tejido no deseado. Para protegera los receptores, se procederá a una previapurificación rigurosa de las células.

Hay fundadas esperanzas en las células obte-nidas por Gearhart a partir de ovarios y testesen desarrollo. Se las llama embrionarias germi-nales porque derivan de células precursoras de

espermatozoides y óvulos, células germinales.Gearhart ha demostrado la totipotencia de suscélulas. En la placa de Petri producen célulaspropias de cada capa básica del embrión. Nadaha dicho Gearhart de lo que sucedería si sem-brara sus células embrionarias germinales bajola piel de ratones; por tanto, la informacióndisponible sobre su capacidad generadora detejidos es todavía menguada.

Todas las células diferenciadas de las que nos hemos ocupado hasta ahora podrían

utilizarse en medicina como células aisladaso en suspensiones; no necesitan organizarse en

tejidos de determinada estructura para ejercer suvaliosa función en el organismo. Esta es, sinduda alguna, un buena noticia, habida cuentade la complejidad de la formación de órganos,un proceso tridimensional. En la generación deun órgano acostumbran intervenir tejidos em-brionarios procedentes de dos fuentes distintas.Los pulmones se tejen, por ejemplo, con célulasderivadas de la capa media del embrión queinteraccionan con las del precursor embrionariodel intestino, provenientes de la capa interna.Las células precursoras se ven impelidas aformar ramificaciones de las que resultaránlos pulmones. No será tarea fácil desentrañary remedar los mecanismos de que se valen lascélulas totipotentes para así constituir órganoscompletos, mediante interacciones similares.Ello no ha desanimado a quienes laboran enla solución de estos problemas, difíciles dondelos haya.

Otro desafío que se le plantea a la cienciaestriba en crear células que, una vez trasplan-tadas, no las considere foráneas el sistema in-munitario del receptor. En principio, se podríanalterar genéticamente células madre embrionariashumanas para que sirvieran de “donantes uni-versales”, compatibles con cualquier receptor.También podrían prepararse células madre em-


4. La miosina,

una proteína que se

encuentra fundamen-talmente en el músculo,

se muestra aquí en rojo

fluorescente en células

derivadas de células ma-

dre embrionarias de ratón

(arriba ). Una vez trasplan-

tadas en el corazón de

un múrido, las células se

mezclan con el miocardio

(derecha ). Las células

donadas se pueden distin-

guir por su fluorescencia

verde (más a la derecha ).

ROGER A. PEDERSEN, docente de obstetricia yginecología en la Universidad de California en SanFrancisco, ha dedicado los últimos treinta años alestudio de la embriología de mamíferos.



brionarias genéticamente idénticas a las célulasdel paciente.

La primera opción —creación de un tipocelular donante universal— requiere la mani-pulación de muchos genes en las células. Loscambios evitarían que las células presentasen ensu superficie externa ciertas proteínas que lasdelatan como extrañas para el sistema inmuni-

tario. La consecución de todas esas modifica-ciones sería complicada, porque se necesitaríaque las células madre embrionarias crecieranen condiciones muy adversas; en particular,deberían superar tandas múltiples de seleccióncon fármacos distintos.

La segunda opción, la obtención de célulasgenéticamente idénticas a las de los tejidos delpaciente, precisa la combinación de la técnicapropia de las células madre embrionarias conun paso fundamental de la clonación. Medianteuna micropipeta de diámetro diez veces menorque el de una cabello humano, se transferiríauna célula somática (no reproductora) —o sim-plemente su núcleo, con todos sus genes— aun óvulo sin fecundar y del que se habríanextraído de antemano los cromosomas. Luegose activaría el óvulo mediante un estímuloeléctrico para que iniciara el desarrollo con lainformación genética de la célula transferidaal donante.

Varios estudios sobre transferencia nuclearhan utilizado células de animales adultos vivoscomo donantes de genes. Luego, las célulasmodificadas se han implantado en el úterode un animal vivo. Estos experimentos dieronlugar a la oveja Dolly, a ratones y terneros.Para crear células para trasplante mediante estacombinación de métodos, el investigador utili-

zaría como donante una célula del paciente ycultivaría el embrión resultante sólo hasta quealcanzara el estadio de blastocisto. Después,emplearía el embrión para producir células madreembrionarias genéticamente indistinguibles delas células del paciente.

Las totipotentes embrionarias humanas podríanencontrar otras aplicaciones. Puesto que talescélulas podrían generar células humanas encuantía casi ilimitada, deberían resultar de sumointerés en la búsqueda de proteínas humanasraras. Se necesita gran cantidad de células paraobtener una proporción detectable de proteínaspor lo común escasas. Por parecerse las células

madre embrionarias a las células de embrionesprecoces, podrían servir para señalar fármacosque obstruyeran el desarrollo y provocaran de-fectos congénitos.

Estas células permiten, por último, un enfo-que éticamente aceptable del estudio moleculary celular sobre fases iniciales del desarrollohumano. Las implicaciones morales asociadas a

experimentos con embriones quedarían obviadasporque las células madre embrionarias carecende la capacidad de formar un embrión por símismas.

La investigación en torno a estas célulaspermitiría profundizar en la diferencia entrecélulas embrionarias y otras y en la causa desu ordenación en tejidos y órganos, cuestionesque han desconcertado durante décadas a losembriólogos. Las lecciones aprendidas en ra-tones, ranas, peces y moscas de la fruta sonaplicables al ser humano, pero la comprensiónde estos procesos en nuestra propia especie nosreportará los mayores beneficios y la satisfacciónmás profunda.


5. Cuando se colocan en un

cerebro de ratón (fondo azul ),

las células madre embrionarias

de ratón forman células pareci-

das a las neuronas (marrón y

dorado en la fotografía de la iz-

quierda ). Entre los signos que

indican que realmente podría

tratarse de neuronas se incluyen

la existencia de proyecciones en

el tejido vecino (flechas )y la producción de una enzima

(marrón en la fotografía de la

derecha ) sintetizada por ciertas

células nerviosas del cerebro.


STUDIES OF IN VITRO DIFFERENTIATION WITH EMBRYONIC STEM CELLS. Roger A. Pedersenen Reproduction, Fertility and Development ,vol. 6, n.o 5, págs. 543-552; 1994.

GENETICALLY SELECTED CARDIOMYOCYTES FROM DIFFERENTIATING EMBRYONIC STEM CELLS FORM STABLE INTRACARDYAC GRAFTS. Michael G. Klugy col. en Journal of Clinical Investigation, vol.98, n.o 1, págs. 216-224; julio de 1996.

BLASTULA-STAGE STEM CELLS CAN DIFFERENCIA-TE INTO DOPAMINERGIC AND SEROTONINERGIC NEURONS AFTER TRANSPLANTATION. T. Deacony col. en Experimental Neurology, vol. 149,págs. 28-41; enero 1998.

A COMMON PRECURSOR FROM PRIMITIVE ERY-THROPOIESIS AND DEFFINITIVE HAEMATOPOIESIS.M. Kennedy y col. en Nature, vol. 386, págs.488-493; 3 de abril de 1998.

EMBRYONIC STEM CELLS LINES DERIVED FROM HUMAN BLASTOCYSTS. J. A. Thomson y col.en Science, vol. 282, págs. 1145-1147; 6 denoviembre de 1998.




Pruebas de carácter restringido en humanos yestudios en mamíferos de cierto porte han dedilucidar la eficacia de terapias de inmunoais-lamiento en casos de hemofilia, anemia, retrasodel crecimiento y trastornos neurodegenerativos(enfermedades de Parkinson y de Huntington).

En roedores se han iniciado los ensayos de laterapia de la degeneración macular, una causafrecuente de ceguera, y otros tipos de enfer-medades oculares.

Las aplicaciones en boga implican la implanta-ción de células encapsuladas en el sitio escogidodel organismo. Algunas —el tratamiento delhígado, por ejemplo— precisan el concurso dedispositivos externos que recuerdan los aparatosde diálisis.

Porque supera limitaciones importantes de losimplantes de células libres, la terapia de inmu-noaislamiento despierta especial atracción. Lomismo que las libres, las células encapsuladasen membranas se hacen cargo de funcionescruciales que correspondían a las lesionadas operdidas, pueden suministrar analgésicos y otroselementos “extra” e incluso facilitar la terapiagénica, segregando las proteínas codificadas porlos genes que los expertos hayan introducido enlas células. Por el contrario, las células libresestán expuestas a la celada del sistema inmunita-rio, salvo que procedan de los mismos sujetos ode sus gemelos. De ahí que los pacientes suelannecesitar fármacos inmunosupresores. El bloqueomecánico contra los ataques inmunitarios, quese consigue a través de la encapsulación de lascélulas insertas dentro de membranas plásticas,haría superfluo este tipo de medicinas, que pre-

disponen a las infecciones, cáncer (linfomas) ydisfunción renal.

La protección inmunitaria conseguida con lasmembranas plásticas debería también permitirel trasplante celular de animal a hombre. Lascélulas animales sin encapasular no son unaopción viable porque los fármacos inmunosupre-sores no evitan por completo el rechazo de los

xenotrasplantes (implantes procedentes de otrasespecies). El recurso a células animales paliaríala escasez de donaciones de tejidos. Por último,las células implantadas dentro de un envaseplástico pueden retirarse si fuera preciso, tareaharto difícil con las células libres.

El empeño puesto ahora para encapsular célu- las para usos médicos no se entiende sin

el trabajo pionero de William L. Chick a me-diados de los años setenta. Chick había dirigidosus esfuerzos a la curación de la diabetes detipo I (dependiente de insulina), peculiar delas personas jóvenes. Se presenta la disfuncióncuando el páncreas deja de sintetizar insu-lina, una hormona que segrega en la cantidadadecuada para controlar la concentración deglucosa en sangre. Las inyecciones diarias deinsulina salvan vidas, pero no repiten el patrónnatural de secreción pancreática de la hormona.En consecuencia, ciertos tejidos pueden quedarexpuestos a cantidades excesivas de glucosa.Con el paso de los años, esa demasía generacomplicaciones asociadas a la diabetes, comoceguera y disfunciones renales.

Chick pensó que la implantación de cápsulasllenas de islotes pancreáticos —las agregacionesde células que segregan la insulina— podría res-taurar el patrón de liberación de esta sustancia

adecuado sin tener que administrar fármacosinmunosupresores. El empleo de islotes proce-dentes de cerdos (por aquel entonces la fuenteprincipal de insulina inyectada) garantizaría unsuministro abundante de células.

Diversos estudios realizados en roedores desdemediados de los setenta sugerían que andabaen lo cierto. Por desgracia, ciertos obstáculostécnicos han impedido que la terapia de in-munoaislamiento cuajara en la diabetes. Chickmurió en 1998 sin ver cumplidos sus deseos.Pero su feliz anticipación ha estimulado elprogreso en otros frentes, como el diseño dedispositivos.

MICHAEL J. LYSAGHT y PATRICK AEBISCHERcolaboran desde hace tiempo en el desarrollo deórganos biohíbridos. Lysaght, ingeniero experto enmembranas sintéticas para aplicaciones médicas,enseña en la Universidad de Brown. Aebischer,neurólogo, se ocupa del desarrollo de aplicacionesterapéuticas de la medicina molecular. Dirige elcentro de terapia génica adscrito a la facultad demedicina de la Universidad de Lausanna.

CELULARES

2. Sección de un

implante tubular. Se

aprecia

la estructura espon-

josa de la

membrana.

Un nuevo enfoque terapéutico

combina células vivas con membranas plásticas

que las protegen del ataque inmunitario

Michael J. Lysaght y Patrick Aebischer




Los sistemas de encapsulación, aunque poli-mórficos en su presentación, todos incluyen losmismos ingredientes básicos: las células (capaces

de segregar productos útiles), una matriz dondese prenden las células, contribuyendo a su su-pervivencia y funcionamiento, y una membranasemipermeable. Los bioingenieros han aprendidoque las células de un implante funcionan malo mueren si distan más de 500 micrometrosde los vasos sanguíneos u otras fuentes dealimentación.

Los diseños vasculares (o de paso de flujo)fueron los primeros en entrar en fase de pruebas,en concreto para tratar la diabetes en roedores.Estos dispositivos desvían la sangre del sistemacirculatorio del paciente hacia un tubo de plásticoy luego la devuelven al organismo. Las células

secretoras se colocan en una cámara cerradaque rodea a un segmento ligeramente poroso deltubo, como la rosquilla y su agujero. Cuando la

sangre fluye por esta parte del circuito, puedeabsorber las sustancias segregadas por las célulasterapéuticas y proporcionar oxígeno y nutrientes alas células. Si los islotes pancreáticos se colocanen el interior de la cámara, la concentración deinsulina que liberan se acomodará al nivel deglucosa en sangre. En otras aplicaciones podríaoptarse por células emisoras de un determinadoproducto a una velocidad constante.

Aunque se pueden preparar prototipos implan-tables de estos aparatos vasculares, es muyprobable que encuentren su aplicación principalcomo dispositivos externos. Una implantaciónrequiere cirugía vascular y la administración

MAQUINASEPARADORADE PLASMA

(no se muestra)

OXIGENADOR

BOMBA

COLUMNADE CARBONVEGETAL

DEPOSITODE PLASMA

PLASMA

TOXINAS

PRODUCTOSDEDEGRADACION

CAMARALLENADE CELULAS

CELULAS(HEPATOCITOSDE CERDO)

Un enfoque prometedor para la asistencia hepática

No todos los sistemas de encapsulación son implantes. Los sistemas de asistencia hepática que hoy en día se encuentran bajo estudio operan

fuera del hígado. Se busca mantener con vida a los que sufren un trastornohepático, hasta que llega un órgano compatible. El aparato de la fotografíaderecha y de la ilustración inferior fue desarrollado por los grupos encabe-zados por Claudy J. P. Mullon y Achilles A. Demetriou.

La máquina extrae sangre del enfermo y bombea el plasma, o componentefluido, hacia una columna de carbón vegetal (que elimina algunas toxinas)y a una unidad de oxigenación, tras lo cual entra en una cámara quecontiene hepatocitos sanos de cerdo. En la cámara (ver detalle ), el plasmarecorre ligeramente tubos porosos, que están rodeados por los hepatocitos.Las toxinas procedentes del plasma se difunden hacia las células, que con-vierten la ponzoña en sustancias inocuas. Cuando el plasma abandona lacámara, se vuelve a reunir con las células de la sangre y se reintroduceen el paciente.

—M.J.L. y P.A.



prolongada de anticoagulantes para impedir la forma-ción de trombos sanguíneos en el interior del tubo.Si un tubo implantado se rompiera, se produciría unahemorragia interna.

Afinales de los años setenta, durante su búsqueda de métodos menos agresivos, se introdujo la técnica

de “microencapsulación”. Las microcápsulas se fabricancolocando un islote pancreático o unos cuantos milesde células en una gota de solución acuosa donde hay

polímeros ligeramente dotados de carga. A continuación,se sumerge la gota en una solución de polímeros concarga opuesta. Los polímeros entran en reacción y creanuna película de unos 500 micrometros de diámetro asu alrededor.

Las microcápsulas, cuya preparación no entraña mayordificultad, resultan muy útiles para realizar experimentosrápidos, pero presentan graves limitaciones. Primera, sufragilidad. Una vez instalada, no será fácil dar con ellapara retirarla, un problema delicado si arrastra efectosindeseables. Es más, el volumen necesario para corregirun trastorno puede ser demasiado grande para ubicarloconvenientemente en el sitio idóneo.

El formato más práctico parece ser el de las ma-

crocápsulas preformadas, unas unidades inicialmentevacías que se cargan con la matriz y todas las célulasnecesarias para el tratamiento. Algunas macrocápsulasson discos del tamaño de una moneda de cinco pesetas,otras tienen una forma y tamaño similares a un ojalde camisa. Las macrocápsulas para uso en humanosacostumbran adoptar la forma de un tubo sellado, ocapilar, de varios centímetros de longitud y diámetrocomprendido entre los 500 y 1000 micrometros.

Las macrocápsulas son bastante más fuertes y durade-ras que las microcápsulas. Contienen refuerzos internos,se puede comprobar que estén bien cerradas antes dela implantación y se pueden diseñar para que permitannuevos rellenos en el interior del organismo. Es más,pueden retirarse con facilidad. Su principal limitación esel número de células que pueden acomodar: hasta unoscinco millones en un tubo y entre 50 y 100 millonesen un disco u hoja plana. Esas cifras son adecuadaspara muchas aplicaciones, pero no para todas. Si sehacen más largas es más probable que se doblen, lo quefacilita su rotura. Además, los bordes de las regionesdobladas estimulan la fibrosis, una retracción local delos tejidos que puede obstaculizar los intercambios delas células encapsuladas.

Los fabricantes de diseños vasculares, microcápsulasy macrocápsulas intentan conseguir que las membranastengan poros de un tamaño que permita la difusiónde moléculas de hasta 50.000 dalton, unidad de masaatómica. Los poros de este tamaño son lo bastante pe-

queños para bloquear la entrada de células y moléculasinmunitarias, pero lo bastante grandes para permitir laentrada de nutrientes y oxígeno, así como la salida delas proteínas segregadas por las células del implante. Sinembargo, los poros de las membranas reales acaban portener una gama de tamaños amplia, por lo que algunasmoléculas grandes del sistema inmunitario llegan alimplante atravesando las membranas. Por fortuna, estefenómeno no debilita a la mayoría de los implantes.

Hasta finales de los años ochenta, la mayoría delos instrumentos biohíbridos se apoyaban en célulasprimarias, o sea, las obtenidas directamente del tejidodonador. Las células primarias son útiles para realizarestudios reducidos en animales pequeños, pero obtener

las cantidades necesarias para un animal grande (incluidoel hombre) o para un número elevado de receptorespuede ser problemático. Además, al tener cada donadorsu propio historial, garantizar la seguridad de las célulasprimarias puede llegar a ser una empresa colosal. Poreso, a comienzos de los noventa, algunos equipos seencaminaron hacia las líneas celulares.

Estas líneas consisten en conjuntos de células in-mortales, que se dividen indefinidamente, capaces demultiplicarse en cultivos celulares sin perder su capa-

cidad para realizar funciones especializadas, como lasecreción de sustancias útiles. Debido a que muchascélulas primarias apenas se reproducen en cultivoscelulares o adolecen de otras carencias, los expertoshan alterado a menudo las versiones originales. Sinembargo, una vez establecidas, las líneas celularespueden proporcionar un suministro inagotable de célulasuniformes para trasplantes.

La utilidad potencial de las líneas celulares para la terapia de encapsulación quedó bien clara en las

pruebas animales que comenzamos a realizar en 1991.Se sabía que la conocida línea PC-12, derivada de untumor suprarrenal de roedor (o feocromocitoma), segregaba

grandes cantidades de dopamina, una molécula señalcuya síntesis se suspende en los cerebros afectados porla enfermedad de Parkinson. Para comprobar si valía lapena estudiar el uso de injertos de estas células en eltratamiento del Parkinson, introdujimos tubitos de lascélulas en cerebros de animales cuyas células productorasde dopamina habíamos dañado por medios químicos paraprovocar los síntomas característicos del Parkinson. Enmuchos individuos, entre ellos los primates no humanos,el procedimiento eliminó los síntomas.

Fue significativo observar que las células no proli-feraban de manera incontrolada ni perforaban la cáp-sula. Tan sólo reemplazaban las células muertas y nodejaban que su población excediese la capacidad delimplante. Los estudios también mitigaron los temoresde que las células inmortales engendraran tumores encaso de fuga. La inmortalización es un paso hacia laconversión de una célula normal en cancerosa. Paraser realmente malignas, las células tienen que adquirirla capacidad de invadir el tejido vecino, desarrollar supropio suministro sanguíneo y propagarse hasta lugaresdistantes. La formación de tumores es una preocupaciónpotencial en los trasplantes de células inmortales de lamisma especie, pero los trasplantes de especies distin-tas resultan ser menos preocupantes: la introducciónde células PC-12 de rata sin encapsular en cerebrosde primates no generó tumores. De hecho, ni siquierasobrevivieron; el sistema inmunitario del receptor seencargó de destruirlas rápidamente.

El trabajo con la línea PC-12 no prosiguió en lospacientes de Parkinson. Se adelantaron otros tratamientosprometedores. A pesar de todo, esos estudios demos-traron la viabilidad del despliegue de linajes celularesen terapias de inmunoaislamiento.

El éxito con los linajes celulares abrió también lapuerta a la utilización de células genéticamente manipu-ladas, debido a que las células en proceso de divisiónse hallan más proclives a incorporar genes introducidosy sintetizar las proteínas cifradas por ellos. En otraspalabras, la técnica de inmunoaislamiento se convirtióde la noche a la mañana en una nueva vía de la terapiagénica. Los biólogos moleculares insertarían genes parala producción de proteínas terapéuticas en líneas celulares




TAMAÑO REAL:5 a 7 cm × 800 µm

MICROCAPSULASCapacidad: de 1000 a 5000 células

MACROCAPSULASCapacidad: de 1 millón a 100 millonesde células

INSTRUMENTOS TUBULARESCapacidad: más de 1000 millonesde células

TAMAÑO REAL:5 cm × 1 cm × 500 µm

TAMAÑO REAL:Cápsula: unos 7 cm de diámetro

Tubo: unos 6 cm de diámetro

3. Los sistemas

de encapsulación

existen en diversos

tamaños y formas.

Las microcápsulas son

diminutas burbujas de

plástico rellenas de

células y líquido. Las

macrocápsulas, de

centímetros de longitud,se moldean antes de

cargarlas de células y de

una matriz sustentadora. El

“brazo” del implante superior

es la puerta de entrada que se

quita antes de colocar la implan-

tación. La “cola” azul del artilugio

inferior forma parte del cable. Los dis-

positivos mayores, llamados de paso de

flujo, dejan pasar sangre a través de un tubo

de plástico, un segmento del cual está rodeado por una cámara

llena de células (anillo ). El modelo de la figura es implantable. Las

siluetas de la derecha muestran los tamaños reales.

capaces de fabricarlas y estas células se incorpo-rarían en implantes encapsulados en plástico.

En terapia génica, suelen extraerse células delpropio paciente para insertar en ellas los genesdeseados; tras su multiplicación, las célulasalteradas tornan al organismo, con la esperanzade que las nuevas proteínas se sinteticen enlas cantidades necesarias. En comparación,la producción de cápsulas llenas de célulasalteradas genéticamente puede medirse antes

de introducir los implantes en el paciente.Si hubiera que proceder a ello no hay luegodificultad en quitar las cápsulas.

No se ha resuelto todavía si las líneascelulares candidatas a encapsulación debenprovenir de animales o de humanos. Las cé-lulas primarias, tomadas directamente de do-nantes, habrán de ser, casi con toda certeza,de animales, ante la escasez de donacionesde tejidos humanos. Algunos investigadoresprefieren líneas derivadas de animales porquelas células que se escapen de un implante,al ser extrañas al receptor, se encontraráncon una destrucción inmediata por parte del

sistema inmunitario.Para aportar proteínas terapéuticas humanasa un receptor, los citoingenieros podrían dotara las células animales con los genes humanosque las cifran. Otros expertos se inclinan porlas líneas de células humanas; no en vanosuelen comportarse mejor en el interior de lascápsulas. Y se evita el riesgo de que gérmenespatógenos propios de los animales se transmitanal hombre. Para mayor seguridad, las célulashumanas podrían manipularse de suerte talque saltaran las señales de alerta inmunitariaen cuanto se produjera una fuga.

Las células encapsuladas, alteradas genéti-camente o no, sirven a menudo para acarrearproteínas terapéuticas. Pero las proteínas puedenintroducirse por inyección. ¿Para qué, pues,implantar?

La terapia mediante células encapsuladas ad- quiere relieve cuando las inyecciones no

suministran la proteína suficiente, así en tu-mores o allende la barrera hematoencefálica,un filtro natural que evita que muchas sus-tancias transportadas en la sangre lleguen alcerebro o a la médula espinal. Las célulasencapsuladas pueden prestar también óptimoservicio cuando la excesiva inestabilidad dela proteína terapéutica impida recetarla como

fármaco o cuando se trate de reproducir elpatrón natural de administración (en la dia-betes, por ejemplo).

Es probable que las líneas celulares some-tidas a manipulación genética predominen enlos dispositivos biohíbridos del futuro. Ellono obsta para que las aplicaciones dondeintervienen células primarias, objeto de unestudio más dilatado, se encuentren en lafase última de los ensayos clínicos. Nosotroslo hemos comprobado en el tratamiento deldolor crónico, mencionado en el comienzo delartículo. Extraemos las células a implantar deglándulas suprarrenales de terneras, cuya cría


TAMAÑO REAL:500 micrometros (µm)



se realiza en unas condiciones muy controladas.Las células cromoafines, componentes adrena-les, liberan de forma natural analgésicos. Traspurificar cuidadosamente unos tres millones deestas células, las colocamos en una fibra huecaque sellamos en ambos extremos, atamos a unfilamento (para su recuperación) e implantamosen la columna vertebral mediante un procesomínimamente agresivo.

A mediados de los noventa, cuando los ci-

rujanos nos confirmaron que estos implantesfuncionaban durante meses, hallaron tambiénindicios de atenuación del dolor. Varios pacientesreconocieron que habían notado una caída sensiblede su malestar y de la necesidad de morfina.Pero estos experimentos no incluían un grupode control que recibiese un placebo (es decir,una cápsula vacía), lo que nos resolvería si lamejora debía atribuirse al tratamiento. Moses B.Goddarden dirige un amplio ensayo clínico conmás de cien pacientes, diseñado específicamentepara cuantificar el alivio del dolor.

Sea cual sea el resultado, los datos recogidosdemuestran que las células de origen animal in-

munoaisladas perviven largos meses en el sistemanervioso central de pacientes, sin necesidadde administrar fármacos inmunosupresores. Encomparación, ningún órgano trasplantado de unanimal al hombre ha sobrevivido sin encapsu-lación, por cuantiosos inmunosupresores que sele hayan administrado.

Otra aplicación bastante perfeccionada de la terapia de inmunoaislamiento nos la ofrece

el aparato de asistencia hepática. Fúndase encélulas extraídas directamente de animales. Enun hígado sano, los hepatocitos absorben toxinasy las degradan en formas inocuas. Si el hígadodeja de funcionar bien, las toxinas se acumulany pueden alcanzar niveles letales. Los trasplantesde hígado salvan a los pacientes, pero muchosmueren esperando la donación que no llega.Los sistemas hepáticos biohíbridos en estudio seproponen mantener con vida al paciente mientrasse espera el órgano de un donante.

Esta terapia de transición al trasplante se apoyaen un aparato vascular externo. En él, la sangredel paciente se bombea a una cámara cerrada,donde un segmento semipermeable del tubo quetransporta la sangre se encuentra rodeado de unasuspensión de hepatocitos de cerdo. Los hepato-citos absorben las toxinas del flujo sanguíneo ylas degradan, de modo que la sangre vuelve al

cuerpo más limpia para completar su circuito. Encontraste con la implantación analgésica, dondese introducen unos cuantos miligramos de célulasy se espera que funcionen de manera continuadurante meses o años, un aparato hepático puedeabrigar entre 20 y 200 gramos de hepatocitospurificados, para sólo trabajar entre seis y 24horas por tanda.

En un estudio inicial con 40 afectados de unaenfermedad hepática terminal, el aparato sujetoa prueba funcionó de acuerdo con lo esperado.Esta verificación, que se dio a conocer en 1998,preparó el camino para un ensayo a gran es-cala que ahora comienza en Estados Unidos y

Europa. Las expectativas de éxito son buenas. Encircunstancias especiales, pensemos en una crisishepática aguda provocada por ingestión abusivade acetaminofen, el hígado podría regenerarse,sin necesidad de recurrir al trasplante. Pero elrecuerdo de experiencias pasadas nos aconseja noechar las campanas al vuelo. El camino hacia lossistemas de apoyo hepático está empedrado deintervenciones que funcionaron muy bien en laspruebas iniciales pero fracasaron a la larga.

Lo mismo en las aplicaciones analgésicas queen las relacionadas con el hígado, hay que tomaren consideración la posibilidad de la presenciaescondida de genes de virus animales en loscultivos celulares, que podrían inducir infeccionespeligrosas en los receptores de trasplantes. (Paraasegurarse de que no se ha deslizado ningúngermen patógeno se procede a rastreos exhausti-vos.) Las membranas de plástico deben constituiruna formidable barrera contra la transmisión devirus animales. Hasta la fecha ningún pacienteha adquirido ni siquiera una infección benignaa partir de las células donantes.

Aunque están menos avanzadas, han comen-

zado las pruebas en humanos de las aplicacio-nes de la terapia génica. Dos investigacionesse circunscriben a enfermedades del sistemanervioso central. El primer ensayo con célulasencapsuladas alteradas genéticamente se centraen la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), neu-rodegeneración caracterizada por el deterioro delos nervios espinales que controlan los músculos.En 1996, seis pacientes recibieron implantes quecontenían una línea celular —derivada de célulasrenales de hámster recién nacidos— en la que sehabía incorporado el gen de la proteína CNTF(factor neurotrófico derivado de los cilios). Seeligió este gen porque otros estudios realizadosen animales y humanos sugerían que el factorneurotrófico podría demorar el deterioro y lamuerte de neuronas en los pacientes con ELA.El protocolo recordaba bastante el seguido conel dolor crónico: implantación en la columnavertebral de un tubito repleto de células.

El estudio examinó si las células sobrevivían yliberaban cantidades potencialmente terapéuticasde CNTF durante los tres meses que abarcóel experimento. Las células dieron buen resul-tado. Sin embargo, el tratamiento no frenabael progreso de la enfermedad; cierto es que lamuestra era muy pequeña y la prueba demasiadocorta para aportar información significativa. Contodo, se sugería que, de encontrarse el gen o

mezcla de genes adecuado para el tratamientode la ELA, las células encapsuladas serían elmedio idóneo para introducirlos en el sistemanervioso central.

Se hallan en fase de evaluación implantes deesta misma línea celular en pacientes con en-fermedad de Huntington. Se distingue ésta pormatar ciertas células cerebrales de manera gradual.Las cápsulas se han colocado en los ven trículoscerebrales, unos espacios llenos de líquido. Esteprotocolo se está ejecutando en París. Acaba decomenzar. Se han iniciado asimismo experimentoscon animales para evaluar la eficacia del inmu-noaislamiento en la terapia génica.


4. Este fino tubo lleno

de células de hámster

se sacó de la columna

vertebral de un pa-

ciente humano tras per

manecer en ella

17 semanas. Al

extraerlo, las células

continuaban segre-

gando una proteína

terapéutica y el aparatode encapsulación no

tenía ningún defecto

en su superficie. Los

resultados sustentan

las esperanzas de que

las implantaciones de

células no humanas

puedan funcionar du-

rante largos períodos

de tiempo.



Si las investigaciones sobre inmunoaislamientoprogresan de manera satisfactoria en muchosfrentes, ¿por qué nadie, tras 20 años largos deensayos, ha conseguido rematar un método deencapsulación que remedie la diabetes?

Desde 1977, año en que el grupo de Chicklogró la reversión de la diabetes en roedores, unadocena de laboratorios ha venido reproduciendola hazaña, con un amplio repertorio de diseñosde implantes en distintos modelos múridos dediabetes. Pero la terapia de inmunoaislamientobasada en los islotes pancreáticos no ha fun-cionado en perros, monos o humanos. Aunqueha habido excepciones con resultados positivos,examinadas con atención se revela que, en sumayoría, sólo se lograron con la ayuda deagentes inmunosupresores o cierta cantidad deinsulina inyectada.

En buena medida, la dificultad surge del nú-mero de islotes pancreáticos que requieren losanimales de cierto tamaño y humanos: en torno alos 700.000, que abrigan unos 2000 millones decélulas “beta”, productoras de insulina. Semejantecifra viene a multiplicar casi por mil el volumencelular que hoy podemos encapsular con éxito

en los implantes clínicos. La diabetes en ratonespuede curarse con tan sólo unos 500 islotes, quelos técnicos suelen extraer a mano del páncreasdonante. Pero recoger a mano 700.000 islotesqueda fuera de nuestra capacidad, y las técnicassemiautomáticas no han avanzado lo suficientepara aislar las cantidades requeridas de islotessanos. Además, en el páncreas originario cadaislote posee su propio suministro sanguíneo. Losislotes se resienten en el entorno espartano de lascápsulas implantadas. Por estas y otras razones,coincidimos con los que se muestran reticentesante implantes de páncreas semiartificiales basadosen islotes encapsulados.

Pero ese estancamiento podría romperse. Porlo menos tres grupos de investigación están de-sarrollando, desde distintos enfoques, unas líneascelulares que liberan insulina en respuesta a lascomplejas señales que disparan la secreción dela hormona en el páncreas sano. Se pretendecrear células que produzcan más insulina que lascélulas beta naturales (de manera que se necesitenmenos células) y sean capaces de sobrevivir enel ambiente del implante, pobre en nutrientes ydesprovisto de oxígeno.

De aquí a cinco años, si no antes, esperamosobtener líneas celulares secretoras de insulinaque respondan a la concentración de glucosa, enanimales grandes. Es de prever que esas líneaspasarán en seguida a los protocolos clínicos.Algunos expertos piensan que esta predicciónes demasiado pacata. Otros retrasan el horizontede su cumplimiento. Todos, sin embargo, estánde acuerdo en que la obtención de un páncreasartificial o de una versión biohíbrida debe seguirsiendo una de las prioridades para la medicinadel siglo XXI .


Aplicaciones de la terapia génica en estudio

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIAXENOTRASPLANTES. Robert P. Lanza, David K. C.

Cooper y William L. Chick en Investigación y Cien-cia, vol. 252, págs. 22-28; septiembre, 1997.

PRINCIPLES OF TISSUE ENGINEERING. Robert P.Lanza, Robert Langer y William L. Chick. R.G. Landes Company, 1997.

TREATMENT OF CENTRAL NERVOUS SYSTEM DISEASES WITH POLYMER-ENCAPSULATED XENOGENIC CELLS.D. F. Emerich et al. en Cell Transplantation for Neurological Disorders. Dirigido por Thomas B.Freeman y Hakan Widner. Humana Press, 1998.

5. Los trastornos

de la lista superior

son algunas de las

enfermedades que

podrían tratarse con

implantaciones de

células encapsuladas

y sometidas a mani-

pulación genética.

Las células implanta-

das que incorporen el

gen de una proteína

terapéutica podríanliberarla, de forma

ininterrumpida, en el

propio lugar del or-

ganismo donde se la

requiera.

Enfermedad

Esclerosis lateral amio-trófica (ELA)

Enfermedad

de Huntington

Enfermedadde Parkinson

Anemia

Hemofilia

Enanismo

Diabetes de tipo II (nodependiente de insulina)

Degeneración macular

Producto génico

Factor neurotrófico derivado de los cilios (CNTF),proteína que evita la muerte de las neuronas

CNTF

Factor neurotrófico derivado de la glía (GDNF),proteína que protege a las neuronas secretorasde dopamina

Eritropoyetina (EPO), proteína que estimulala producción de hematíes

Factor VIII o factor IX, proteínas de la coagulaciónde la sangre

Hormona del crecimiento humano, proteínaque estimula el crecimiento corporal

Péptido-1 semejante al glucagón (GLP-1),proteína que estimula la liberación de insulina

CNTF

Estado de la investigación

Los implantes en el líquido cefalorraquídeo de la columna vertebralya han pasado la fase I de las pruebas en humanos (donde seexamina su seguridad en un número restringido de sujetos)

Implantación en el ventrículo del cerebro; está en la fase I

de las pruebas en humanosImplantación en el ventrículo del cerebro; está en estudio enprimates no humanos

Implantación subcutánea; se encuentra en estudio en primatesno humanos y roedores

Implantaciones subcutáneas; se encuentran en estudioen perros y roedores

Implantación subcutánea; se encuentra en estudio en cerdosy roedores

Implantación de insulina; se encuentra en estudio en roedores

Implante en el ojo; está en estudio en roedores




En Organogenesis hemos creado Apligraf, la única piel artificial constituida por las dos capas de que consta la humana,

dermis (capa interna) y epidermis (capa ex-terna). La Administración estadounidense deFármacos y Alimentos (FDA) aprobó el pro-ducto en mayo de 1998, convirtiéndolo en elprimer preparado con células humanas vivasque lograba tal sanción.

Mientras trabajábamos en su obtención, huboque decidir entre solicitar la aprobación de loselementos precursores —dermis o epidermis—,por separado, o arriesgarse ante la competen-cia hasta conseguirlo entero. Optamos por lapiel de dos capas, lo más parecido a la pielverdadera. (Los injertos de ésta funcionabanmuy bien.) Además, el substrato dérmico re-forzaría la pervivencia de la capa epidérmica.La jugada salió bien.

La idea básica se remonta casi veinte añosatrás. Eugene Bell observó que los fibroblas-tos, células que forman la epidermis, podíaninfiltrarse en un gel de colágeno y convertirloen una matriz fibrosa viva. El colágeno es uncomponente fundamental de la matriz extrace-lular, el “pegamento” que mantiene las células

en su posición. Bell descubrió en 1981 que losqueratinocitos, las células de la capa epidérmica,podían crecer sobre ese substrato dérmico,formando un remedo rudimentario de la piel.Determinó que este producto podría injertarseen ratas. Organogenesis se fundó en 1985 paraponer en obra la técnica de Bell. Por mis co-nocimientos en biología de los queratinocitosentré en la empresa al año siguiente.

Confiábamos en la aplicación clínica denuestra piel bilaminar artificial. John F. Burkey Ioannis V. Yannas, del MIT, habían creadoun sustituto cutáneo transitorio constituido porcolágeno y una matriz extracelular adicional.

Aplicado a quemados en los ensayos clínicosprevios, evitaba la pérdida de agua y promo-vía la curación de la piel. Howard Green, deHarvard, había ideado un método de induccióndel crecimiento laminar de células epidérmicaspara quemados.

La primera dificultad en el desarrollo deApligraf fue conseguir un suministro de co-lágeno que sustentara el crecimiento celular:los proveedores no podían garantizarnos uncolágeno de suficiente pureza y conlas propiedades requeridas. Para resol-ver este problema, el equipo de PaulKemp ideó una técnica de obtenciónde colágeno de tendones bovinos; suyofue también el método de esteriliza-ción química en frío para destruir loscontaminantes.

Empezamos a buscar las condiciones de cultivo que proporcionaran el

número óptimo de queratinocitos hu-manos vivos. Todos los métodos decultivo de queratinocitos conocidos estabanprotegidos por patentes de otras compañías.Además, ciertos aspectos de los mismos no

se ajustaban a nuestros propósitos. Decidimospergeñar nuestros propios sistemas de cultivo,lo que nos permitió conocer mejor los pro-cesos de crecimiento de los queratinocitos y,con ello, desarrollar técnicas de producciónexclusivas.

Por fuente de fibroblastos y queratinocitospensamos en prepucios circuncidados de reciénnacidos; se trata de células fáciles de conseguiry dotadas de un extraordinario potencial deproliferación. Dominábamos ya el crecimientoinducido de capas de la dermis y la siembrade la parte superior con células epidérmicas.Pero había que lograr mantener la bilateralidad.

PIEL BIOARTIFICIALSe expende ya un primer producto de piel viva

obtenido mediante ingeniería histológica.

Pronto se comercializará el segundo.

¿Cómo se obtuvieron?

Así nació OrganogenesisNancy Parenteau

1. Apligraft adopta

la forma de la placa

en la que crece.

Ayuda a cicatrizarlas heridas de los

pacientes con úlceras

venosas causadas

por la mala

circulación sanguínea

en las piernas.



En el hombre, la piel migra para cubrir lasheridas y, si no se le pone restricciones, lacapa epidérmica proseguirá creciendo natural-mente hasta formar un quiste.

Encontramos la solución por carambola.Cierto día, Kemp depositó un retículo decolágeno en uno de los pocillos de las placasde cultivos. Las bases de los pocillos sonporosas y sus costados suelen tener pequeñascargas eléctricas que atraen la adhesión de las

células. Pero la placa de Kemp, vieja, habíaperdido su carga. El colágeno se hundió enel fondo poroso, despegándose de las paredesdel pocillo y adoptando en su parte superioruna forma casi plana en vez de la curva ha-bitual. Esta disposición especial resultó idealpara sustentar el crecimiento controlado de unacapa de epidermis encima del estrato dérmicoalimentado con colágeno.

Llegados a este punto podríamos haberdesarrollado cualquiera de las dos capas porseparado e intentar que la FDA las aprobara.Pero decidimos arriesgarnos hasta conseguirla piel bilaminar. De 1990 a 1992 comer-

cializamos una versión que se utilizó comoalternativa al empleo de animales en los es-tudios toxicológicos y farmacológicos. En esemomento, nuestro colega Michael Sabolinskise dispuso a determinar cuál sería la primeraaplicación médica más apropiada, de maneraque pudiéramos diseñar un ensayo clínicoque recibiera el visto bueno de la FDA.Apligraf, aunque artefacto, posee actividadbiológica. Por consiguiente, colaboramos conlos funcionarios de la FDA para determinarlos patrones de aprobación y las pruebas deseguridad y fabricación por los que habríamosde ser juzgados.

Como herida de prueba elegimos las úlce- ras venosas. Estas lesiones cutáneas se

producen con la filtración venosa motivada poruna disfunción de las válvulas de las piernas.Apligraf reveló múltiples mecanismos de ac-ción: en unos casos actuaba como un simpleinjerto; en otros estimulaba directamente lareparación de la herida mediante su propiocontingente natural de factores de crecimientoy otras proteínas. Las úlceras más difíciles,las que habían permanecido abiertas durantemás de un año, fueron las que mostraron lacuración más notable. Después de 24 semanas,el 47 por ciento de las heridas más reacias

se había cerrado tras el uso de Apligraf, encomparación con el 19 por ciento obtenido conel tratamiento habitual (se aplica una presióny se mantiene húmeda la herida). La FDAaprobó la comercialización de Apligraf, de loque hoy se encarga Novartis. Se suministra“fresca” y tiene un período de caducidad decinco días a temperatura ambiente.

NANCY PARENTEAU es vicepresidenta de Investigación y Desarrollo de la compañíaOrganogenesis.


2. La estructura

bilaminar (con

epidermis en la

parte superior

y dermis debajo)

es el sello

distintivo

de Apligraf.

En Advanced Tissue Sciences hemos creado dos tipos de piel: TransCyte, una piel inerte destinada a recubrir heridas,

y Dermagraft, constituida por células vivas. Enmarzo de 1997, la FDA dio el visto bueno ala utilización de TransCyte para el tratamientode quemaduras de primer grado, lo que lo con-virtió en el primer tejido producido mediantebioingeniería en recibir aprobación reglamentaria.En octubre de 1997, la FDA también aprobósu uso en el tratamiento de quemaduras desegundo grado.

TransCyte se fabrica a partir de fibroblastosprocedentes de prepucios de recién nacidos. Ennuestros procesos se utiliza un sistema estéril ycerrado constituido por polímeros, que formanla urdimbre sobre la que crecen las células.El medio imita las condiciones fisiológicas delorganismo; durante un período de crecimientode dos semanas, las células se dividen yproducen factores de crecimiento, colágeno yotras proteínas para formar una dermis humanafuncional. TransCyte es un material vivo hastaque se congela para facilitar su transporte yaplicación.

La preparación de TransCyte nos sirvió deescuela para abordar luego un proyecto másambicioso: Dermagraft. A diferencia de aquél,Dermagraft es un tejido que se mantiene vivo.Puede emplearse para inducir el crecimientode nueva piel, como en las úlceras podaleso decubitales de los diabéticos. Estas heridasprecisan los factores de crecimiento y demásproteínas que los tejidos vivos sintetizan paracurarse. (En cambio, las quemaduras rebosande actividad enzimática; TransCyte es un pro-ducto no metabólico que ayuda a calmar lafuriosa actividad química habitual en ese tipode heridas.) Se están realizando ensayos clínicoscon Dermagraft en Estados Unidos; Smith &Nephew lo comercializa para úlceras podales

de los diabéticos.Las técnicas que generan Dermagraft sonsimilares a las desarrolladas para fabricar Trans-Cyte. El producto vivo también se congela parafacilitar su transporte y almacenamiento, pero deuna manera que conserva las células vivas. Trasla crioconservación, el producto se transporta yalmacena a –70 grados Celsius; se descongelaantes de usarlo y se corta siguiendo la formay el tamaño exactos de la herida.

Hasta ahora, la odisea de Dermagraft através de la legislación ha sido a la vezinstructiva y frustrante. En un principio noexistían recetas para la fabricación de te-

BioingenieGail Naughton



jidos y se sabía muy poco sobrecrioconservación. Nosotros mismosdesarrollamos las técnicas de pro-ducción y aprendimos mucho sobrelos efectos de la congelación enla función hística. Durante nues-tro ensayo principal, que concerníaal tratamiento de úlceras de difícilcuración en los pies de diabéticos,aprendimos que, para conseguir elrendimiento óptimo, debe sobrevivirel 50 por ciento de las células de

Dermagraft. El quince por cientode los diabéticos desarrolla úlcerascuando sus células, que sufren unenvejecimiento prematuro, son incapa-ces de producir colágeno y proteínasde la matriz normales.

Los pacientes en los que se utilizóDermagraft con un cifra de célulasvivas superior al 50 por ciento mejoraron mu-cho: el 50,8 por ciento se curó en 12 semanas.Por contra, durante el mismo período sólo securaron las úlceras del 31,7 por ciento de lospacientes tratados con los métodos tradicionales.La evolución de los pacientes que recibieronDermagraft de baja actividad, con un númeroinsuficiente de células vivas, no fue mejor quela de los controles.

Un ensayo complementario de la versión activa de Dermagraft, esta vez no controlado,

mostró de nuevo una tasa de curación excelente,lo que confirma la importancia de la presenciade un número determinado de células vivas en elimplante. En enero de 1998, un panel de expertosexternos convocado por la FDA recomendó, ba-sado en estos datos, la aprobación de Dermagraftpara el tratamiento de las úlceras podales dediabéticos. La aprobación estaría condicionadaa los resultados de otro ensayo clínico que se

realizaría después de la comercialización delproducto. Aunque la FDA suele coincidir conlas recomendaciones de esos paneles, en estecaso pidió que se realizara un ensayo adicionalantes de dar su aprobación.

Desde entonces nos hemos embarcado enun ensayo en 30 centros, totalmente contro-lado, de la versión metabólicamente activa deDermagraft, que nos habrá de garantizar laaprobación de la FDA. El nuevo mundo detejidos obtenidos por ingeniería histológicaplantea retos insólitos a esta institución. Enunos países europeos, nuestros productos seconsideran productos farmacéuticos; en Esta-

dos Unidos son dispositivos. Pero no existeuna definición clara de las normas que de-ben satisfacer los dispositivos con actividadfarmacológica —como Dermagraft— en todaslas circunstancias.

Una vez aprobada su utilización para el tra-tamiento de las úlceras podales en diabéticos,Dermagraft debe encontrar utilidad en el tra-

tamiento de las úlceras venosas, las úlceras depresión (de decúbito) y otras heridas crónicas.El conocimiento obtenido en esta empresa nosha ayudado a crear una “receta” para la fabri-cación de tejidos congelados con largos períodosde caducidad. Lo aprendido se aplica ahora aotros productos en desarrollo, como el cartílagoy los vasos sanguíneos.

GAIL NAUGHTON es presidente de AdvancedTissue Sciences Incorporated.


2. Dermagraft constasólo de dermis. Losensayos clínicossugieren que eseficaz para el trata-miento de úlceraspodales de los diabé-ticos.

ía de la dermis

1. Dermagraft se

congela para descon-

gelarlo cuando debeaplicarse. Un prepu-

cio, que proporciona

las células de partida,

puede producir piel

suficiente para cubrir

seis campos de fútbol.



Tal como vienen repitiendo los demás ar- tículos de este informe especial, la in- geniería de tejidos se ha convertido en

un nuevo campo de la medicina. Hace tan sólounos años, la mayoría de los expertos opinabaque los tejidos humanos sólo podrían reempla-zarse por trasplantes procedentes de donantes opor piezas artificiales hechas de plástico, metaly circuitos integrados. Muchos pensaban que

nunca se construirían órganos bioartificiales (hí-bridos de células vivas con polímeros naturaleso artificiales) y que el empleo de órganos deanimales era la única solución ante la escasezde donaciones.

Sin embargo, investigaciones innovadoras eimaginativas en laboratorios de todo el mundoestán demostrando la viabilidad de órganosbiohíbridos. Las compañías dedicadas a la in-geniería de tejidos han puesto en movimientocifras milmillonarias, inversión que crece cadaaño. Pero el sector debe superar obstáculos im-portantes antes de que esta inversión empiece areportar beneficios médicos ostensibles y logrealiviar el sufrimiento causado por los daños detejidos muy diversos.

El objetivo primordial de los implicados es-triba en obtener una fuente de células fiable.Las células animales, una opción, ofrecen elinconveniente del rechazo inmunitario y lasdudas sobre su seguridad. La prudencia aconseja,pues, acudir a células humanas.

La reciente identificación de células madreen embriones humanos —células capaces de darorigen a distintos tejidos— aporta una posiblesolución al problema. Pero se está muy lejosde poder manipular cultivos de células madreembrionarias, para producir células totalmentediferenciadas que pudieran emplearse en la

reparación o creación de órganos específicos.

Una meta más inmediata sería el aislamientode células progenitoras a partir de tejidos.Estas ya han avanzado algunos pasos hacia laespecialización, pero su escaso grado de diferen-ciación posibilita todavía su transformación entipos celulares diversos. Por poner un ejemplo,el equipo encabezado por Arnold I. Caplan haaislado a partir de médula ósea humana ciertascélulas progenitoras que, en condiciones de

laboratorio, pueden ser forzadas a convertirseen osteoblastos, que dan lugar a los huesos,o en condrocitos, que componen el cartílago.De forma similar, Lola Reid ha identificadocélulas progenitoras ovaladas y pequeñas enhígados humanos adultos; podemos modificartales células en cultivo y formar hepatocitosmaduros —células que producen bilis y des-truyen toxinas— u obtener células epiteliales,que tapizan los conductos biliares.

Otro planteamiento consistiría en generarlíneas celulares del tipo “donante universal”.Para obtener estas células habría que eliminar,o enmascarar con otras moléculas, las proteínasde superficie que delatan como extrañas lascélulas procedentes de donantes. Los labo-ratorios Diacrin emplean esta estrategia paraproducir células de cerdo aptas para trasplantesen humanos. Diacrin también planea adoptar latécnica de “enmascaramiento” en los trasplan-tes con donantes humanos incompatibles. EnEstados Unidos se han autorizado los ensayoscon células hepáticas humanas “enmascaradas”en ciertos trastornos del hígado.

En principio, no es de esperar que el recep-tor rechace las células donantes universales; sepodrían generar varios tipos celulares a partirde tejidos diferentes y mantenerlas creciendoen cultivo hasta que fueran necesarias. Pero no

acabamos de barruntar qué respuesta darán lascélulas donantes universales en ensayos clínicosa gran escala.

La búsqueda de métodos para producir célulasy tejidos no ha sido nada fácil. Sólo se haidentificado una pequeña parte de las señalesbioquímicas que dictan la diferenciación de lascélulas madre embrionarias y de las célulasprogenitoras en tipos celulares especializados.Todavía no se pueden aislar cultivos de célu-las madre, ni de células progenitoras a partirde médula ósea, sin tenerlas que mezclar concélulas de tejido conectivo, como los fibroblas-tos. (Deben evitarse los fibroblastos porque se

ROBERT S. LANGER y JOSEPH P. VACANTI,creadores de muchas de las técnicas empleadas eningeniería de tejidos, han instruido a otros quetrabajan actualmente en este campo. Langer enseñaingeniería biomédica y química en el Instituto deTecnología de Massachusetts. Vacanti, profesorde cirugía en Harvard, dirige el laboratorio deingeniería de tejidos y fabricación de órganos enel Hospital General de Massachusetts.

INGENIERIA DE TEJIDOS:


Los obstáculos que se oponen a la fabricación

de nuevos órganos a partir de células y polímeros

sintéticos, aunque notables, pueden superarse




dividen rápidamente y provocan un crecimientoexcesivo de los cultivos de células madre.)

Hay que desarrollar también procedimientosmás avanzados para cultivar grandes cantidadesde células en los biorreactores, cámaras decrecimiento equipadas con agitadores y sensoresque regulan la cuantía adecuada de nutrientes,gases (oxígeno y dióxido de carbono, porejemplo) y productos de desecho. Los méto-

dos actuales producen a menudo muy pocascélulas o películas de tejido más delgadas delo deseable.

Pero están apareciendo nuevas soluciones.Durante muchos años, los investigadores se es-forzaron en hacer crecer segmentos de cartílagode espesor suficiente para aplicaciones médicas;por ejemplo, en la substitución de cartílagodesgastado de la rodilla. No obstante, cuandoel cartílago crecía más allá de cierto grosor, loscondrocitos del centro quedaban demasiado lejosdel medio de crecimiento y no podían obtener

nutrientes y gases, ni responder a las señalesfísicas y químicas que regulan el crecimientoo eliminar los desechos. Gordana Vunjak-No-vakovic y Lisa Freed resolvieron el problemacultivando los condrocitos sobre una urdimbretridimensional de polímeros en el interior deun biorreactor. La trama relativamente sueltay la agitación del biorreactor aseguraban quetodas las células se unieran de modo uniforme

con la urdimbre polimérica y se bañaran en elmedio de cultivo.La potenciación de las propiedades mecánicas

de los tejidos durante su crecimiento en losbiorreactores será crucial, pues muchos teji-dos se remodelan, o cambian su organizaciónglobal, en respuesta a tensiones, estiramientoso compresiones. Así, un cartílago bioartificialaumenta de tamaño y contiene más cantidadde colágeno y de las demás proteínas queforman la matriz extracelular si se cultiva enrecipientes rotatorios, que exponen el tejido

URDIMBRE POLIMERICA

1. Los biorreactores ya

están produciendo en

serie partes del cuerpohumano, mediante una

urdimbre polimérica y cé-

lulas. En el biorreactor de

la fotografía inferior se es-

tán desarrollando varios

tacos de cartílago que

se usarán para reparar

articulaciones. Al girar el

tambor, todas las células

del cartílago se empapan

por igual en el medio de

desarrollo.

Robert S. Langer y Joseph P. Vacanti




en desarrollo a variaciones en las fuerzas delfluido. (La matriz extracelular es una suerte

de red de telaraña que sirve de soporte parael crecimiento y organización de las células entejidos.) El cartílago cultivado contiene proteí-nas de la matriz extracelular que lo hacen másconsistente y duradero, capaz de una mejorrespuesta fisiológica ante fuerzas externas.

Por una vía similar, John A. Frangos hademostrado que los osteoblastos cultivados enperlas de colágeno y agitados en un biorreac-tor producen más minerales óseos que losque crecen en una placa estacionaria. LauraE. Niklason ha comprobado que las arteriolasobtenidas por ingeniería a partir de célulasendoteliales (que tapizan la pared de los vasos)y células de la musculatura lisa en forma detubo desarrollan propiedades mecánicas propiasde vasos sanguíneos naturales si el medio esrecorrido por pulsos que imitan la presiónsanguínea generada por los latidos del cora-zón. Otros grupos de investigación —incluidoel nuestro— elaboran métodos para desarrollarmúsculo esquelético y cardiaco, tejidos que

adquieren mayor vigor conforme se vansometiendo a tensiones.

Aprender a regular el comportamientocelular representa otro reto importante.Los sistemas vivos revisten una increíblecomplejidad. Nuestro hígado humano, porejemplo, contiene seis tipos diferentes

de células, que se organizan en unasformaciones microscópicas denominadaslóbulos. Cada célula puede realizar cien-tos de reacciones bioquímicas diferentes.Agréguese a ello que la actividad bioquí-mica de cada célula depende a menudode su interacción con otras células y conla matriz extracelular que atraviesa cadatejido. David J. Mooney ha demostradoque los hepatocitos producen diferentesniveles de determinada proteína según la

adherencia del material sobre el que medran.Antes de desarrollar órganos como hígadosbioartificiales injertables —uno de los principa-

les objetivos de la ingeniería de tejidos— losexpertos deberán comprender mejor cómo hacer

cultivar hepatocitos y otras células del hígadoen condiciones que maximicen su capacidad dedesempeñar funciones fisiológicas normales.

Comprender los mecanismos de remodelaciónserá esencial para dar forma a los órganos ytejidos bioartificiales que se integran en elreceptor. En las pruebas de laboratorio conproductos bioartificiales que han cosechado losmejores resultados, el trasplante estimula elcrecimiento de las células y de los tejidos delreceptor, que han terminado por substituir a lospolímeros artificiales y a las células trasplanta-das del injerto. En colaboración con ToshiharuShinoka y John E. Mayer, hemos demostradoque una laminilla de válvula cardiaca fabricadaa partir de polímeros artificiales, células epi-teliales y miofibroblastos de cordero (un tipode células que promueve la cicatrización) sehizo más fuerte, más elástica y más delgadatras ser trasplantada a una oveja. Transcurridas11 semanas, la laminilla no era ya de políme-ros artificiales, sino que, remodelada, conteníasólo matriz extracelular de oveja. Con todo, esmuy pobre nuestro conocimiento de las señalesbioquímicas y los factores de crecimiento quedictan los procesos de remodelado.

La creación de nuevos materiales que sean ala vez biodegradables y no induzcan la formaciónde tejido cicatrizante es un campo muy vivo

de la ingeniería de tejidos. La mayoría de losmateriales que se emplean hoy en la urdimbreson sintéticos, como el material biodegradablede las suturas, o naturales, como el colágenoo el alginato (substancia gelatinosa que se ex-trae de las algas). La ventaja de los materialessintéticos reside en que se puede controlar suresistencia, su velocidad de degradación y sumicroestructura durante su producción; pero lascélulas se adhieren con mayor facilidad a losmateriales naturales.

Se busca ahora combinar lo mejor de ambasestrategias para diseñar nuevas generaciones demateriales con propiedades específicas. En esa

2. Válvula cardiaca

bioartificial de plástico

biodegradable. Se está

“sembrando” con célu-

las del endotelio vascu-

lar sanguíneo de oveja.

Una vez se ha injertado

en una oveja receptora,el plástico se descom-

pone gradualmente,

substituido mediante

un mecanismo de remo-

delación por proteínas

naturales que sintetizan

las células del receptor.



línea, se preparan polímeros biodegradables conregiones biológicamente activas que remedan la

matriz extracelular natural de un tejido. Uno deestos polímeros contiene la secuencia RGD dela fibronectina, una proteína de la matriz extra-celular. Las siglas RGD remiten a los símbolosde los aminoácidos que la componen: arginina(R), glicina (G) y ácido aspártico (D). Es usualque muchos tipos de células se engarcen en lafibronectina a través de RGD. Por tanto, lospolímeros que contienen esta sustancia podríanproporcionar un entorno más natural para lascélulas en crecimiento.

También hay quien se propone producir po-límeros conductores de la electricidad —quese podrían utilizar para hacer crecer nerviosmediante ingeniería de tejidos— o polímerosque se aglutinen rápidamente. Estos políme-ros de decantación pronta pueden servir ensustancias bioartificiales inyectables, como lasque se podrían emplear en el relleno de unhueso roto.

El proceso de angiogénesis, o inducción delcrecimiento de los vasos sanguíneos, será cru-cial para el sostén de muchos órganos obte-nidos por ingeniería de tejidos; en particular,páncreas, hígados y riñones, que requieren ungran suministro sanguíneo. Se ha logrado esti-mular la angiogénesis en tejidos bioartificialesrevistiendo la urdimbre polimérica con factoresde crecimiento inductores de la formación de

vasos. Habrá ahora que examinar cuáles sonlos mejores métodos para liberar los factoresde crecimiento y controlar su actividad a fin deque los vasos se formen sólo en el momentoy lugar donde se requieran.

Conviene desarrollar nuevos métodos de pre-servación de tejidos que aseguren su integridaden el transporte y durante el trasplante. Noestaría de más fijarse en las técnicas dominadasen los trasplantes de órganos. Los cirujanoshan aprendido que las lesiones de un órganotrasplantado se presentan, sobre todo, durantela reperfusión, momento en que el órgano seconecta a un suministro sanguíneo en el re-

ceptor. La reperfusión induce la formación deradicales libres de oxígeno, que horadan las

membranas y matan las células. Para evitar losdaños de la reperfusión, los cirujanos suelenañadir a la solución de preservación sustanciasquímicas que absorben los radicales libres. Así,será preciso encontrar moléculas más eficientespara proteger a los tejidos bioartificiales delas lesiones debidas a la reperfusión y de lasisquémicas, que se producen cuando el riegosanguíneo es insuficiente. También se debenperfeccionar las técnicas de crioconservaciónpara que los órganos y los tejidos puedan man-tenerse congelados hasta que sean necesarios;los métodos que se emplean con las célulasdeben desarrollarse aún más para que funcionenen tejidos de mayor tamaño.

Estamos seguros de que los científicos y lasadministraciones eliminarán todos los obstáculosdescritos en este artículo y que en los próximosaños se comercializarán diferentes productosobtenidos por ingeniería de tejidos. Aún que-dan muchos retos por superar, pero algún día—quizá dentro de unos años— injertar a lospacientes tejidos y órganos obtenidos por in-geniería de tejidos podría resultar tan rutinariocomo la introducción hoy de un divertículocoronario (bypass).



TISSUE ENGINEERING. Robert Langer y JosephP. Vacanti en Science, vol. 260, págs. 920-926;14 de mayo, 1993.

ORGANOS ARTIFICIALES. Robert Langer y JosephP. Vacanti en Investigación y Ciencia, n.o 230,págs. 64-67; noviembre, 1995.

AN ECONOMIC SURVEY OF THE EMERGING TISSUE ENGINEERING INDUSTRY. M. J. Lysaght, N. A.P. Nguy y K. Sullivan en Tissue Engineering,vol. 4, n.o 3, págs. 231-238; otoño, 1998.

3. Urdimbre de políme-

ros biodegradables, en

secuencia progresiva de

ampliación (de izquierda

a derecha ). Se utilizacomo base para la ob-

tención de tejidos y ór-

ganos mediante ingenie-

ría de tejidos. Se busca

crear mejores materiales

para esa malla, capaces

de alcanzar las propie-

dades físicas y bioló-

gicas de los productos

que se procesan.




tica. Si desde las nubes se difundenfotones procedentes de esas fuentesen cantidad suficiente, el efecto deesos fotones superaría al ruido in-terno de un fotodiodo que trabajea la temperatura ambiente. Por ellome decidí a probar con un radióme-tro no enfriado. Los primeros datosparecen prometedores, especialmentepara nubes bajas y espesas.

Los fotodiodos de infrarrojo quese venden son muy sensibles a laslongitudes de onda de 0,9 micras, o900 nanómetros. Pero también captanla luz visible (longitudes de onda entre400 y 700 nanómetros) y ésta debeeliminarse con filtros. Algunos foto-diodos, como el NTE3033, de Fry’sElectronics, están encapsulados enun plástico opaco que bloquea la luzvisible, pero no la infrarroja. Otros,como el SD3421, de Honeywell MicroSwitch, requieren un filtro externo.Edmund Scientific vende un filtro

circular de 25 mm de diámetro conla referencia H43948.Tal como se emplea en este ra-

diómetro, el fotodiodo transforma laintensidad fotónica en una corrienteeléctrica muy débil, que luego debeconvertirse en una tensión y amplifi-carse. Para el circuito, me decidí porel amplificador operacional AD795JN,fabricado por Analog Devices, queapenas produce un susurro de ruidoelectrónico. Puede experimentarsecon amplificadores operacionales demenor calidad, como el TL082 quevende Radio Shack; pero los de siem-pre, como el 741, son excesivamenteruidosos.

La primera etapa del circuito da10 milivolts por cada nanoampèregenerado por el fotodiodo. La segundaetapa vuelve a ampliar la señal, peroincrementa también el ruido generadopor el circuito. Oportunamente, laseñal que buscamos es de muy bajafrecuencia, ya que el cielo nocturnopresenta una luminosidad casi cons-tante. Por tanto, el circuito puedesuprimir el ruido con un filtro depaso bajo (compuesto de una resis-

tencia y un condensador) sin afec-tar a la señal. El filtro bloquea lasfrecuencias superiores a 10 hertz,responsables de los dos tercios delruido generado en este circuito porel AD795JN. (Los condensadores enparalelo de la primera etapa cumplentambién esta función.) Globalmentela segunda etapa multiplica por 100la salida de la primera a la vez quemantiene la salida de ruido en sóloalgunas décimas de milivolt.

En oscuridad total, la etapa dosde mi prototipo dio una señal de 3

milivolts con fluctuaciones aleatoriasde 0,3 milivolts aproximadamente. Alcolocarlo en un cuarto de baño aoscuras y sin ventanas, y apuntandohacia la puerta con el telemandodel televisor, la salida saltó a 300milivolts.

En la tercera y última etapa seemplea un comparador, microcircuitoque compara la salida con una tensiónde referencia similar a la de un cielosin nubes. El LM339, disponible enRadio Shack (referencia 276-1712),reúne cuatro comparadores por micro-circuito, de los que aquí sólo necesi-tamos uno. El comparador transformala señal analógica de la segunda etapaen una salida de dos estados paraindicar nublado o despejado.

Para emplearlo como detector denubes, hay que encerrar el circuitoen una caja metálica a prueba deintemperie. Péguese pan de aluminiodentro de un embudo de plásticogrande y móntese el fotodiodo juntoal fondo. Tal bocina reflectora guía la

luz cenital hacia el sensor y bloqueala radiación del suelo. Móntese labocina de modo que apunte verti-calmente. Con un cielo estrellado,la segunda etapa de mi instrumentodio una salida de unos 0,5 volts. Alaparecer nubes, ese valor aumentóhasta un poco más de un volt. Noreaccionó a la luz lunar.

Para calibrar el instrumento, enuna noche clara apúntese la bocinaverticalmente y ajústese el potenció-metro R1 hasta que la tensión en laentrada negativa del comparador sea

0,2 volts mayor que la señal registradaen su entrada positiva. La salida dela tercera etapa será, entonces, de0 volt aproximadamente. Al inclinarla bocina reflectora hacia una luz lalectura debe saltar a casi 5 volts. En-sáyese el detector en la primera nochenubosa. El circuito tiene que generarunos 0 volt con la bocina tapada yunos 5 volts cuando se exponga alcielo nuboso. Si es necesario, se rea- justará R1. Los residentes en zonasurbanas y suburbanas podrán hallar unajuste que distinga fiablemente entrecielos despejados y nublados. Con unainterficie adecuada, esa señal podríaalimentarse a un ordenador.

No se requieren especiales modifi-caciones para crear otros instrumentosútiles. Por ejemplo, si leemos la salidade la segunda etapa directamente enun voltímetro digital, tendremos un fo-tómetro de infrarrojo próximo. Puestoque un objeto que pase por delantealtera la cantidad de luz infrarrojaque llega al sensor, el dispositivo

sirve de detector de movimientos.Sustituyendo el fotodiodo infrarrojopor otro más sensible al espectroóptico resulta un radiómetro de luzvisible, capaz de hacer cosas talescomo medir la contaminación lumi-nosa y la radiación energética deorganismos luminiscentes.

Para más información acerca deéste y otros proyectos expuestosen esta sección, compruebe la pá-gina Web de la Society for AmateurScientists en web2.thesphere.com/ SAS/ WebX.cgi.

FOTODIODO

NTE3033

EMBUDO DE PLASTICO

PAN DE

ALUMINIO

DIODO LUMINOSO DE LAFUENTE DE ALIMENTACION

El radiómetro infrarrojo dirige la luz procedente del firmamento

hacia un fotodiodo, el cual la transduce en corriente eléctrica




¿Por qué está siempre retor-

cido el cordón del telé- fono? Al instalar el apa-

rato, el cordón pende con pulcritudy elegancia. Pero con el paso de lassemanas, el cordón se va enmarañandoy retorciendo. Es lo que ocurre conuna cinta elástica si la sostenemos,floja, entre los dedos pulgar e índicede cada mano y hacemos rodar losdedos. También se puede tomar untrozo de calabrote entre los dedosy hacer rodar los extremos. Estefenómeno de superenrollamiento loexperimentan los cables submarinos

y la doble hélice del ADN.Conozco la causa del superenro-llamiento del cable telefónico de micasa. Es el mismo mecanismo generalresponsable de que la cinta elásticay el trozo de calabrote se arrollensobre sí mismos de esa forma carac-terística. Cuando suena el teléfono,lo descuelgo con la mano derecha;al acercarlo a la cara lo hago girarunos 90 grados. Durante la conversa-ción suelo cambiarlo de mano y, alhacerlo, le imparto un giro de otros180 grados más. Al terminar uso la

mano izquierda para volver a colgarlo

en la pared. Cada vez que uso elteléfono, imprimo al cordón un girocompleto de 360 grados, siempre enla misma dirección.

Si mantuviera el teléfono en lamano derecha, al colgar el receptordesharía la torsión que había impar-tido al cordón. Pero la transferenciade una a otra mano deja selladasu suerte. Lo mismo les ocurre alcable eléctrico de mis herramientasde jardinería. Después de utilizar-los suelo enrollar el cable sobre elhombro como si fuera una cuerda

de montañero. Con el tiempo, elcable se va retorciendo más y másen toda su longitud. Las vueltas dearrollamiento se están convirtiendo envueltas de torsión. ¿Por qué?

La rama de las matemáticas queorganiza nuestros razonamientos so-bre esta clase de problemas es latopología, la “geometría de la láminaelástica”, el estudio de las transfor-maciones continuas. En topología sedistinguen dos formas de generar unbucle con una cinta plana: torsionesy volutas. Para ver la diferencia,

JUEGOS MATEMÁTICOSIan Stewart

a

b

c

1. Arrollando una tira de papel en torno al dedocorazón de la mano izquierda se obtiene una voluta

(a y b). Al separar las manos, la volutase transforma en una torsión (c)

¡Retorcida topología!conviene preparar una tira de papelfuerte, de unos veinte centímetros yde un dedo de ancho. Mejor que suscaras sean distinguibles; colorearemos

una en verde y la otra en lila.Mantengamos la cinta plana y

apuntando directamente hacia afuera,sujetando entre el pulgar y el índicede la mano izquierda el extremomás cercano al cuerpo y el extremomás alejado. Desplacemos la manoderecha con la intención de arrollarun bucle de la cinta en torno aldedo corazón de la mano izquierda.Retiremos el dedo corazón, dejandoun bucle libre. Acabamos de insertaruna voluta en la cinta. Pero si ahoraseparamos lentamente las manos, la

cinta se deforma, convertida en una“torsión”. Se logra el mismo efectomanteniendo la cinta plana sobre elpecho, sosteniendo fijo el extremoizquierdo y retorciendo 360 gradosel derecho. La voluta, deformadatopológicamente, se transforma entorsión.

Volutas y torsiones tienen orienta-ción: pueden ser “positivas” o “nega-tivas”. En cuanto hayamos decididoque una determinada voluta o torsiónes positiva, las concordantes con laimagen reflejada en un espejo seránnegativas. Lo más fácil es declararque la voluta de la ilustración espositiva, mientras que la torsión esnegativa. Esta elección origina lasencilla ecuación T + V = 0, siendoT el número de torsiones y V el devolutas. Si arrolla la tira de papeldos veces en torno al dedo corazónizquierdo, le estará impartiendo dosvolutas positivas: si separamos lasmanos, las volutas se convertirán endos torsiones negativas. Si experi-mentamos con tres o cuatro volutas,descubriremos que cualquier númerodado de volutas positivas puede ser

convertido en igual número de tor-siones negativas.Podemos observar el mismo fenó-

meno al retorcer un trozo de cordónliso normal. Se puede llevar el con-trol de la forma en que el cordel sesuperenrolla imaginando que por sueje corre una cinta plana. Cuandose retuerce un extremo de la cuerda,la cinta se retuerce también, y elnúmero de torsiones de la cinta seráigual al número de vueltas completasque se le impriman a la cuerda. Simantenemos tensa la cuerda, sólo




cabrá retorcerla; si acercamos losextremos, la cuerda forma bucles yaparece el superenrollamiento.

La razón de que la cuerda prefieracrear volutas se debe a su leveelasticidad. Aunque puede doblarse,se engendra en ella una fuerza derecuperación cuando se dobla. Cuantomás se la dobla, tanto mayor es lafuerza con que trata de enderezarse.De la preferencia por las volutas seocupó en 1833 Alfred G. Greenhill,quien demostró que una forma in-voluta tiene menos energía elásticaque la correspondiente en torsión.Otro tanto vale para las cintas depapel, como se puede confirmar ex-perimentalmente: a menos que seimparta energía manteniendo tensala cinta, ésta prefiere engendrar vo-lutas. Greenhill demostró que, siuna varilla infinitamente larga essometida a torsión mediante fuerzas“en el infinito”, se comba y adoptaforma helicoidal. D. M. Stump, K.E. Gates y W. B. Fraser analizaronla teoría de elasticidad de una varillavaliéndose de hipótesis de modeliza-

ción más realistas. Hallaron fórmulasespecíficas para la forma exacta delsuperenrollamiento, que son particu-larmente útiles para los ingenierosque tienden cables submarinos.

La situación correspondiente al cor-dón del teléfono es, en principio,más complicada, porque la formainicial del cordón ya es helicoidal.No obstante, también un cordón he-licoidal convierte torsiones en volu-tas, lo mismo que un cordón liso,al menos, si no se permite que suspropias espiras se deshagan. (Se pro-

ducen también curiosas anomalías enel cordón telefónico allí donde lasespiras no se acomodan debidamente.)Podemos imaginar, entretejida entre

las espiras helicoidales del cable unalarga cinta plana; al retorcerse elcable, también lo hará ese cordón,y con él, la cinta.

El material hereditario, la molé-cula de ADN, forma otra hélice. Conmayor precisión, una doble hélice.En ella, dos filamentos helicoidalesse enroscan y dan vueltas uno entorno al otro. Los biólogos han decomprender la geometría de la doblehélice de ADN en múltiples situacio-nes, y han observado que tambiénésta experimenta superenrollamiento,con transiciones de volutas a tor-siones. Para la interpretación de lasfotografías de los bucles de ADN esimportante comprender estas transicio-nes. Además, el ADN y el cable delteléfono pueden hacer algo imposiblepara el cordón liso: formar o desha-cer sus espiras helicoidales. Tal vez

baste una sola propiedad topológicadel ADN para dar una idea de lasteorías que biólogos y topólogos estánconcibiendo. Esta propiedad concierne

a 3 características de un bucle ce-rrado de ADN:El número de enlace L, que es

número de veces que uno de los fila-mentos se cruza con el otro al extenderla molécula sobre un plano;

El número de torsión T , que es elde vueltas helicoidales del ADN;

El número de volutas V , quemide la magnitud del superenro-llamiento.

La fórmula fundamental es L = T + V , que generaliza la dada ya parauna cinta plana, T + V = 0. Los bordesde la cinta plana no están conectados,por lo que L = 0 en ese caso. Para unbucle de ADN dado, L es fijo; cabeintercambiar volutas por torsiones, yviceversa. En la figura 2 se puedeapreciar cómo opera la fórmula enun bucle de ADN con número deenlace igual a 20.

Número de enlace (L) = 20

Vueltas helicoidales (T ) = 20

Número de volutas (V ) = 0

L = 20

T = 21

V = –1

L = 20

T = 19

V = 1

a b c

Ha sido mucha la correspondencia sobre los algoritmos de repar-

tición de tartas mencionados en elartículo “¡Te ha tocado más que a

mí!” [febrero de 1999]. Saman Majdapaciguó mis dudas sobre los algorit-mos de cuchillo móvil. En ellos, unoo varios cuchillos se van desplazandolentamente a través de la tarta, y los jugadores han de deci r cuándo sedan por satisfechos con la pieza queva a ser cortada. Me preocupaba eltiempo de reacción. La idea de Majdes que, en lugar del cuchillo móvil,los jugadores hagan marcas sobrela tarta (o en un modelo a escala).Se empieza, primero, eligiendo unadirección (la norte-sur, sea por caso) y

se le pide después, por turno, a cadauno de los n jugadores que tracensobre la tarta una línea norte-surlo más occidental posible. (Es decir,

la línea estaría donde ellos estimenque el “valor” de la rebanada situadaa la izquierda es 1/ n .) El jugadorque sitúe su marca más al oesteha de cortar por ella y abandonarla partida.

Se continúa ahora con este mismoprocedimiento general. La ordenaciónde los cortes en la dirección este-oeste hace las funciones del tiempo,y la misma idea puede aplicarse atodos los métodos de cuchillo móvil.¡Retiro mis reticencias!

—I.S.

2. Un bucle cerrado de ADN ha deobedecer a la fórmula L = T + V, estérelajada la molécula de ADN (a) osuperenrollada (b y c)

Acuse de recibo




Un brote reciente de histeria

contra un hipnotizador del espectáculo, cuyos demandan-

tes le acusaban de haberles causadoangustia persistente, me ha recordadocómo empezó todo. Me refiero a lahisteria. En 1880, Joseph Breuer, emi-nente médico vienés, comenzó a tratara la señora Bertha Pappenheim, de loque él consideraba histeria (síntomas:estrabismo convergente, alteracionesde la visión, parálisis, contracturasen brazos y piernas), con una técnicaradicalmente nueva, del tipo “míremefijamente a los ojos”. El tratamiento

resultó tan eficaz, que junto con sucolaborador fundó la entera cienciadel psicoanálisis. Gracias a ella elcolega de Breuer se hizo famosísimo.Sólo diré que respondía al nombrede Sigmund.

Freud se trasladó después a Paríspara hablar del tema a todo el que

estuviera interesado, lo que no eracaso de su profesor, el neurólogofrancés Jean-Martin Charcot (alias el“Napoleón de la neurosis” por lamanera en que guardaba una manobajo su abrigo cuando argumentabay por su personalidad egocéntricae histriónica). Charcot estaba dema-siado ocupado intentando persuadir almundo de que, en lo que se referíaal cerebro, lo mental era realmentefísico. En aquel tiempo, el cerebro seconsideraba el sistema “más avanzado”del organismo, por su control del sis-

tema nervioso, y se le suponía detrás

de todas las enfermedades. Desdelos griegos persistía la idea de quecierto tipo de fluido mágico corríapor los nervios, uniendo zonas delcerebro diferentes con distintas partesdel cuerpo. Supremacía de la mentesobre la materia, se podría decir.

Hacia 1820 Kasper Spurtsheim yJoseph Gall, dos médicos vieneses...(pero ¿qué ocurría en Viena?) dieroncon una variación sobre el mismotema. Su idea partía de la divisióndel cerebro en treinta y siete órga-nos, cada uno de ellos con control

sobre una característica específica dela personalidad. Cuanto más desarro-llado estaba uno de estos centros decontrol en el cerebro, tanto mayor eray tanto más sobresalía en el cráneo(un bulto grande detrás de la oreja

izquierda significaba que su portadorera un buen amante, por si el lec-

tor lo quiere comprobar). En 1815Spurtsheim había impartido clases enEdimburgo sobre asuntos de materiagris e inspiró a George y AndrewCombe la fundación de la SociedadFrenológica.

La frenología tuvo un éxito instantá-neo (en la reina Victoria, entre otros)porque, una vez hallada la eminenciaen la que se estaba interesado, talvez se podían realizar ejercicios paraaumentarla. En el caldo de cultivo dela autosuperación de mediados delsiglo xix, la posibilidad de aumentar

el bulto del conocimiento era irre-

sistible. La frenología alentó inclusolas esperanzas de los reformadoressociales que querían reducir el tamañode las eminencias relacionadas con latendencia a la criminalidad. Así lascosas, George Combe decidió aplicarseel cuento. ¿Qué mejor cosa podíahacer que examinar el cráneo de sufutura esposa? Superó la prueba yse casó con ella porque “su lóbuloanterior era grande; su benevolencia,su conciencia, firmeza, autoestima ysu amor de aprobación ampliamentedesarrolladas.” Y rica.

La moda craneal se impuso in-cluso entre los hombres de negocios,como Henry Maudslay. Inventor deun torno para fabricar tornillos,ingenio sin el que la RevoluciónIndustrial podría no haberse pro-ducido, recomendaba a todos losmozos que inspeccionaran el cráneode sus amadas. Tanto apreciaba lacuantificación, que inventó tambiénuna máquina con la que se podíamedir con la precisión de milésimasde milímetro. Uno de los pupilosde Maudslay fue Richard Roberts,prófugo durante la guerra napoleó-nica y a quien ya he mencionadoen otra ocasión por su invención deuna máquina con que se hicieron deforma automática los agujeros paralos remaches del puente Britannia ydel vapor Great Eastern.

Al principio de su carrera, Robertshabía trabajado como modelista paraJohn Wilkinson, hombre de hierroque fundó uno de los primeros altoshornos. Wilkinson sustituyó el carbónvegetal por hulla para alimentar lafundición y empezó a producir lin-gotes de hierro a toneladas. Hacia

1770 inventó otra de esas cosas sinlas cuales tal vez no hubiera ha-bido una revolución industrial: unamáquina de barrenar cañones. A pe-sar de las poco amistosas relacionesanglofrancesas, pasó de contrabandola técnica al otro lado del Canal dela Mancha, donde los franceses laemplearon para fabricar cañones queluego enviarían a los EE.UU. con otrotipo de revolución en mente. Mientrastanto, James Watt supo apreciar que lamáquina de Wilkinson podía perforarlos cilindros con precisión suficiente

NEXOSJames Burke

Zzzzzzz




para que su nueva máquina fuerahermética al vapor.

Wilkinson se hizo lo bastante ricocon todo ello. Quiso que lo enterraranen un ataúd de hierro (tras tres intentosantes de dar con el tamaño apropiado).También le dio para subvencionar elequipo de experimentación y el tiempoinvertido del marido de su hermana,un preste reformado transformado en

científico. A Joseph Priestley, ése erasu nombre, le tocó la lotería cuandose mudó con su esposa a Leeds, alinmueble vecino de una cervecería. Enesas circunstancias es difícil que eldióxido de carbono pase inadvertido.Priestley se lo echó al agua e inventóla soda. En aras de la justicia com-pletemos la información: descubrió eloxígeno, escribió un libro definitivosobre electricidad y se hizo amigode todos los científicos importantesde la época, incluido Ben Franklin.Esta última relación no era del todo

del gusto de una plebe patriotera queen 1794 incendió su laboratorio y leforzó a zarpar para América.

Otro de los que proporcionaronequipo a Priestley (y miembro de la

Sociedad Lunar, un grupo de innova-dores y librepensadores que se reuníancada luna llena, cuando los caminosnocturnos eran más seguros) fue elalfarero Josiah Wedgwood, conocidoentre los exquisitos de la cerámica.Wedgwood amasó una fortuna con“la vajilla de la Reina”, que diseñó.La tenía todo aquel que quería seralguien en sociedad. Se vendieron por

miles, incluida la que llegó a manosde la emperatriz de Rusia. Puso loneoclásico de moda al inspirarse enel estilo de los jarrones, estatuas,pedestales y frontones (y todo conlo que pudo arramblar) “recogido”en Pompeya y sus alrededores porun coleccionista de antigüedadesamigo de Wedgwood, Sir WilliamHamilton. Enviado extraordinario ala corte de Nápoles, se dejaba caerde vez en cuando por las reunionesde los Lunáticos.

Otro Lunático fue Erasmus Darwin,

conocido dipsómano que rechazó laoferta de Jorge III de una plaza demédico real. La mayor de las hijas deWedgwood casó con el hijo de Darwinpara ser madre de Charles Darwin.

Tenía éste un primo llamado FrancisGalton, gran estadístico, del que secree que alcanzaba un coeficienteintelectual de 200. En una ocasión,Galton llevó a cabo un estudio sobrela efectividad de la oración y otrosobre el peso de tres generaciones dearistócratas británicos. (¿Quién dijoque el coeficiente intelectual no loes todo?) Galton tal vez sea más

recordado por haber acuñado el tér-mino “eugenesia”. Fue un miembroentusiasta y secretario general de laAsociación Británica para el Avancede la Ciencia.

En 1853, uno de los asistentesregulares de la asociación, JamesBraid, escribió un artículo con unapéndice titulado “Movimiento enla mesa e invocación de espíritus”.Como parte de sus investigacionesen terapia mental, trance y magne-tismo animal, descubrió la inducciónde “un estado particular de mente

y cuerpo”, cosa que reputaba buenapara la salud. Joseph Breuer estaríaun día de acuerdo. Braid bautizó sutruco “hipnotismo”. He de terminar.Me pesan los párpados.




Morfogénesis

Y reproducción

LES MODÈLES DU VIVANT DE DESCARTES À LEIBNIZ, por FrançoisDuchesnau. Vrin; París, 1998. THE LIFE SCIENCES IN EIGHTEENTH CENTURY FRENCH THOUGHT, porJacques Roger. Edición inglesa prepa-rada por Keith R. Benson y traducciónde Robert Ellrich. Stanford UniversityPress; Stanford, 1997.

ART FORMS IN NATURE. THE PRINTS OF ERNST HAECKEL. Con la cola-

boración de Olaf Breidbach, IrenäeusEibl-Eibesfedlt y Richard Hartmann.Prestel; Munich, 1998. DEVELOPMEN-TAL BIOLOGY IN RUSSIA. Ediciónpreparada por Alexander T. Mikhailovy Sergei G. Vassetzky (The Interna-tional Journal of Developmental Bio-logy. vol. 41. n.o 6, 1997). HANS SPE-MANN, 1869-1941. EXPERIMENTE LLE FORSCHUNG IM SPANNUNGSFELD VON EMPIRIE UND THEORIE, porPeter E. Fässler. Springer; Berlín,1997.

THE ART OF GENES. HOW ORGA-NISMS MAKE THEMSELVES, porEnrico Coen. Oxford UniversityPress; Oxford, 1999. MASTER CONTROL GENES IN DEVELOPMENT AND EVOLUTION: THE HOMEOBOX STORY, por Walter J. Gehring.Yale University Press; New Haven,1998. MORPHOGENESIS: CEL LULAR INTERACTIONS. Dirigido por RaulFleischmajer, Rupert Timbl y ZenaWerb. The New York Academy ofSciences; Nueva York, 1998.

Los fenómenos de la generación y

el desarrollo embrionario consti-tuyen la piedra de toque de las teoríassobre el ser vivo. Desde Hipócratesy Aristóteles, vida y reproducciónse imbrican y autodefinen. No fuepor casualidad que el pensamientobiológico de la revolución científicagirara en torno a estos problemasde profunda implicación filosófica,como han puesto de relieve cuantoshan abordado tema y período, desdeJacques Roger en Les sciences de lavie dans la pensée française du XVII I siècle. La génération des animaux de

Descartes à l’Enciclopédie, de cuyaversión americana nos hacemos eco,

hasta el recentísimo Les modèles duvivant de Descartes à Leibniz, deFrançois Duchesnau.

¿Es el desarrollo un desplieguede lo preexistente o van apare-ciendo los órganos poco a poco?En pro de la preexistencia, Fabricid’Acquapendente apela a un criteriode coherencia funcional. Desde eltercer día, el corazón del embriónde pollo comienza a latir. De elloinfiere que el hígado está ya formado,aunque sea imperceptible, pues deacuerdo con la fisiología galénica

los órganos que dispensan las fun-ciones vegetativas deben producirse yformarse antes que los órganos quedispensan las funciones sensitivas ymotoras. Habría desde la concepciónun boceto general, que compendiaríalas partes esenciales del pollo.

William Harvey, afín a la doctrinaaristotélica, aboga por la epigéne-sis, por la formación sucesiva delas estructuras del embrión. En las Exercitationes anatomicae de gene-ratione animalium (1651), exponeel resultado de sus observacionessobre la generación de ovíparos yvivíparos. La hembra infunde en elhuevo sin fecundar una suerte de almavegetativa que le permite persistir ynutrirse. Luego, por influencia dela semilla masculina, se produce lafecundación.

Descartes propugna un modelo deepigénesis mecanicista y acepta lamezcla de “semillas” procedentes delos dos sexos. Retoma la vieja tesishipocrática del defluxus, según lacual en la generación se mezclaríanpartículas emanadas de los principalesórganos de los progenitores. Tras

el corazón, que ejercería la funciónde primum movens, van apareciendocerebro, pulmón, hígado, etc., asícomo los vasos en redes circularesque los enlazan para formar sistemascada vez más integrados.

Adversario resuelto de la metafísicacartesiana, Pierre Gassendi instaurauna filosofía empirista fundada enla hipótesis corpuscular. Aborda lageneración espontánea siguiendo elmodelo de la cristalización mineral yde la vegetación. Plantas y cristalesrequieren una fuerza seminal espe-

cial para asegurar su producción yreproducción siguiendo el orden de

una constitución uniforme. A fortiori,también los animales, que reclamanun grado netamente superior de or-ganización. En la semilla confluyenlos exudados de cada órgano; por esoreproduce el conjunto de caracteres.La semilla contendría el animal enesquema, listo para su despliegueulterior.

Entre 1660 y 1680 se producen dosdescubrimientos extraordinarios: el delos óvulos en hembras vivíparas, fun-damento de la doctrina ovista, y el delos espermatozoides, base de la tesis

animalculista. En 1667 Steno hablade los “testículos de la hembra” delos vivíparos, a imagen de los ovariosde los ovíparos. Reinier De Graaf yJohan Van Horne precisan en 1668la equiparación entre el ovario delas hembras ovíparas y las vesículasováricas de las hembras vivíparas. Lasvesículas ováricas serían reservoriosde la “semilla” femenina que, unavez segregada, alcanzaría el útero porlos trompas de Falopio. Las vesículasováricas se asimilan a huevos realesque se desprenden de los ovarios,envolviendo, tras la fecundación, elcrecimiento del embrión en el útero.El ovismo se afianza, durante de-cenios, en la interpretación de lageneración animal y vegetal.

El dogma de la preexistencia apa-reció en 1669 con la publicación dela Historia insectorum generalis , ofte Algemene Verhandelung van de Bloede-loose Dierkens, de Jan Swammerdam.Examinando pupas y larvas, con-cluía que los insectos no acometíanla metamorfosis. “Si levantamos lapiel externa de una oruga, veremosenteramente formada la mariposa.”

Swammerdam añadía que el germenpreexistente estaba en el huevo, quelos huevos humanos procedían de Evay que, una vez agotados, se acabaríala raza humana.

La teoría de la preexistencia delos gérmenes invadió el pensamientobiológico de finales del siglo XVII,perduró a lo largo del siglo XVIII ymurió lentamente en el XIX . No eslo mismo preformación del germenque su preexistencia . La doctrinade la preexistencia de los gérmenescoincidía parcialmente con la teoría

LIBROS




Desmidiea (lámina 24)




de la preformación. Igual que ésta,afirmaba la teoría de los gérmenesque los seres vivos existían ya ca-bales en la semilla o semen. Pero ladoctrina de la preexistencia añadíaque el germen contenido en el se-men o semilla no era producido porel progenitor masculino, sino quehabía sido creado en el comienzodel mundo.

Con la observación de los animál-culos espermáticos, también llamadosvermes o espermatozoides, por Antonivan Leeuwenhoek toma cuerpo lahipótesis animalculista. Para NicolasHartsoeker y George Garden, si el em-brión estaba preformado en el esper-matozoide, sólo puede desarrollarsepor una fecundación realizada trasla penetración en el huevo. Mientrasque el ovismo se había ido fraguandopoco a poco, el descubrimiento delos vermes espermáticos fue repen-tino e inesperado. En 1686 y 1687

aparecieron, en holandés y latín, res-pectivamente, la primera colección delas cartas de Leeuwenhoek.

Ovismo, animalculismo y teoría delos gérmenes preexistentes ocupará elcentro de las especulaciones biológi-cas hasta mediados del XVIII. Adscritoa la corriente ovista, Fontenelle podíamanifestar en 1701 que “el sistemarelativo a la generación del hombre através del óvulo es algo comúnmenteaceptado hoy”. Antonio Vallisneri en1711 situaba el ovismo entre losgrandes descubrimientos. El principalargumento del ovismo fue la fuerzade la analogía con plantas e insec-tos. Todas las plantas existen porhuevos (semillas); todos los animalesovíparos deben su ser a los huevos;parece, pues, verosímil que tambiénlos vivíparos.

Contra la doctrina animalculistase esgrimieron sólidas objeciones.Argüía Lister en 1698: si los animálcu-los nacían, crecían y se multiplicaban,contarían con un desarrollo específicodesde el nacimiento hasta el estadoadulto. Ahora bien los animálculosque devenían hombres tenían un se-

gundo desarrollo: el embrión humano.La idea de un doble desarrollo re-sultaba absurda. Tras la muerte deLeeuwenhoek en 1723, el animal-culismo vegetó.

Los problemas de la teoría de lapreexistencia empezaron cuando secuestionó su carácter filosófico yhubo que explicar el problema dela herencia y de los híbridos. Si lospadres no eran responsables de laformación de los seres que habíanexistido desde el comienzo de lossiglos, ¿cómo se asemejaba a ellos

la descendencia? Maupertuis resta-bleció el principio de la epigénesisy devuelve la generación al dominiode las causas segundas, fuera del te-rreno filosófico. Nada más conformea los sentidos y la razón que admitirque el embrión se formaba con elconcurso de ambos progenitores. Laepigénesis permitía, más aún reque-ría, el estudio de la herencia y delentorno (milieu).

Maupertuis aceptaba que la epigé-nesis trascendía el poder del mecani-cismo. Al añadir unas “fuerzas pene-trantes” a su “molde interior”, Buffoncreyó haber acertado con la clave dela singularidad de la morfogénesis.Pero lo de “molde interior” no eramás que una imagen y las “fuerzaspenetrantes”, puro humo verbal. Nodudó, sin embargo, en aceptar quela congregación de partículas inertesbastaba para que adviniera la vida,siempre que se atuvieran a ciertoorden. Más tarde, Buffon derivaríasus moléculas orgánicas de una reac-ción química. La epigénesis se habíaconvertido en transformación, en or-ganización progresiva de la materia

por medio de un germen vivo.El curso cambió en el siglo XIX.Desempeñó un papel decisivo laAcademia de Ciencias de San Peters-burgo. Hasta ese centro liminar de lainvestigación embriológica se retro-traen los editores de Developmental Biology in Russia para fechar el naci-miento de la nueva ciencia. ChristianHeinrich Pander y Karl Ernst vonBaer trabajaron largos años vinculadosa la institución en un tiempo en queprimaba el enfoque morfológico ymicroanatómico de los procesos.

Pander pergeñó la formación delpollo a partir de hojas de tejidoembrionario, las hojas germinales.Adelantó que las paredes de las cavi-dades se formaban de la capa serosa,en tanto que el canal digestivo, elmesenterio y los vasos sanguíneosprocedían de capas mucosas y vas-culares, respectivamente.

K. E. von Baer desarrolló las ideasde Pander sobre las capas germinales,cuya trayectoria embrionaria inves-tigó. Demostró en particular que lacapa “cutánea” se transformaba en laepidermis y en el sistema nerviosocentral; de la capa “muscular” proce-dían músculos, esqueleto y tejidos desostén; la capa “vascular” originabavasos sanguíneos y mesenterios; yel tapiz interno del tracto digestivose desarrollaba a partir de la capa“mucosa”.

Al estudiar los embriones de pollo,descubrió el “notocordio”. Teóricovigoroso, buscó las regularidades enlos procesos. Apreció que los rasgosgenéricos aparecían antes que losespecíficos, que los embriones de unaespecie no atravesaban estadios “espe-

cíficos del adulto” de otros animalesinferiores, sino que se apartaban deéstos conforme progresaba su confi-guración. El embrión de una “forma”animal superior nunca es igual alde otra “forma” animal adulta, sinopróximo a otro embrión precoz (leyde la similaridad embrionaria).

La embriología se puso al serviciode la evolución con Ernst Haeckel,pugnaz defensor de la doctrina deDarwin. Bajo su dermis polemista,se escondía un pulcro sistemático.Aprehende en los radiolarios pautas

Karl Ernst von Baer (1792-1876)

Christian Heinrich Pander (1794-1865)




al “experimento del organizador”,que fue la herramienta dominanteentre los años treinta y cincuenta.En plena primera guerra, rememoraPeter E. Fässler en Hans Spemann,1869-1941. Experimentelle Forschungim Spannungsfeld von Empirie undTheorie, se centró en la identifica-ción y análisis de los tejidos conactividades inductoras del eje. Las

manipulaciones embriológicas demos-traron que las comunicaciones entreel mesodermo y el ectodermo serequerían para el desarrollo y forma-ción de pautas del embrión normal.Además estos estudios identificaroncentros de señalización especialesque “organizaban” el patrón a seguirpor el embrión.

Spemann observaba que la capa-cidad de semiembriones de anfibiospara producir duplicaciones cesabaal final de la gastrulación. Para ave-riguar si en esa fase las distintas

partes del embrión se obligaban yaa tomar una trayectoria de desarrollodeterminada, realizó el siguiente ex-perimento. Trasplantó diversas partesde una gástrula donante precoz endiferentes sitios de un embrión recep-tor, que atravesaba idéntica fase. Silos implantes seguían una evoluciónautónoma, indicaríase que las célulasestaban ya comprometidas en unadirección dada. Pero si el implanteadoptaba el sino del entorno receptor,las células en cuestión se hallabantodavía indeterminadas en esa fase.

En la fase precoz de gástrula, laspartes destinadas a convertirse en placaneural podían intercambiarse libre-mente con epidermis futuras, y lascélulas diferenciarse de acuerdo consu nuevo entorno. No estaban, pues,determinadas. Pero si se trasplantabandespués de la gastrulación, cuando sehace ya visible la placa neural, lascélulas se diferenciaban autónoma-mente en razón de su origen, y no deacuerdo con su nuevo entorno.

La única parte que se comportabade una manera singular era el labiodorsal del blastoporo. Cuando Spe-

mann trasplantó el labio dorsal deldonante al costado del receptor enla fase temprana de gástrula, el tras-plante no se diferenciaba de acuerdocon su nuevo entorno, sino que seinvaginaba en el interior, formandoun segundo tubo neural bajo el quese tendía un notocordio y dos filasde somites. Puesto que el labio delblastoporo era capaz de inducir laformación de un nuevo eje embrio-nario, el labio del blastoporo fuedesignado centro de organización uorganizador.

Los tres últimos libros recogentreinta años de avances espectacularesen biología del desarrollo. The Art ofGenes de Enrico Coen es el ramalazodeslumbrante de la imaginación. En Master Control Genes in Developmentand Evolution Walter J. Gehring poneel contrapunto de la fuerza de loshechos. Por fin, Mor phogenesis re-fleja el estado de la cuestión a tra-

vés de las ponencias presentadas enel postrer congreso de la Academianeoyorquina de Ciencias.

A través de una síntesis originalde ciencia y arte, Coen conjuga laexplicación de flores que echan pé-talos en vez de estambres o pistiloscon los cuadros de Magritte. Trazaparalelismos entre la forma en quelos genes responden al patrón de de-sarrollo de un organismo y la formaen que un artista responde a la pin-tura creada en el caballete. Se valede esa comparación para apostillar

que el organismo se forja a travésde un diálogo interactivo en el queno existe una separación tajante entreplan y ejecución.

El desarrollo, señala, se parecemás a un proceso creador, en el quecada etapa nueva interpreta y elaborala precedente, que a un proceso defabricación. En los organismos, eseayer es la selección natural operadaa lo largo de millones de años. Adiferencia del ingeniero, la evoluciónno produce nada de la nada. En unasuerte de “bricolage”, con lo queya existe la evolución transformael sistema y le asigna una nuevafunción, o combina varios sistemaspara producir otro más complejo.

En el bricolage distinguimos dostipos de actividad. La primera, física,consiste en rebuscar y reunir laspiezas; la segunda, asegurarse de queel cachibache funcionará. Las altera-ciones, las mutaciones, deben locali-zarse en el ADN, en las sustitucionesde bases, duplicaciones u otros. Lasegunda tarea, la de comprobación,se desarrolla en el organismo y enla población. El cambio adaptativo

operado en el ADN sólo tiene eficaciasi se transmite por herencia y se vaimponiendo entre la población.

Gehring, ligado para siempre alcomplejo homeótico, rinde un re-cuerdo a la labor de quienes pusieronlos cimientos y posibilitaron el des-cubrimiento de los genes maestros decontrol. En pocos lugares hallará ellector una reivindicación más acertadade Miescher.

¿Qué son los mutantes homeó-ticos? El término homeosis se re-monta a los Materials for the Study




of Variation, Treated with Especial Regard to Discontinuit ies in theOrigin of Species, que WilliamBateson publicó en 1894. Subdividíaéste las variaciones que conducíana la formación de nuevas espe-cies en merísticas y sustantivas.Las variaciones merísticas eran loscambios geométricos o numéricos;por ejemplo pétalos supernumera-rios. Las atribuía a causas físicas.Eran sustantivas las variaciones queimplicaban otros cambios, de colorpor ejemplo. Les asignaba una causaquímica.

Los cambios en número se produ-cían por adición o por sustracción.Pensemos en el número de segmentosde Peripatus, cuya cifra varía entre29 y 34. Pero también un elementoestructural podría transformarse enotro; verbigracia, la modificación delas antenas de un insecto en unapata o el ojo de un crustáceo en unaantena. Para este fenómeno Batesonpropuso el nombre de homeosis, y lodefinió vagamente como el cambiode algo en la verosimilitud de algodistinto.

La prueba definitiva del origengenético de determinadas transforma-ciones homeóticas se obtuvo con elaislamiento de mutantes homeóticos.El primer mutante homeótico fuehallado por Calvin Bridges en 1915.El mutante muestra una duplicaciónparcial del tórax; por eso se llamóbithorax (bx). La mutación transformael tercer segmento torácico en elsegundo. Esta mutación se convirtióen punto de arranque del análisisgenético del complejo bithorax porEdward B. Lewis. En estos embriones

todos los segmentos abdominales setransforman en el segundo segmentotorácico. El examen de la función delos genes del complejo bithorax deltipo silvestre reveló varias propieda-des del sistema: se requería un geno una región cromosómica para cadasegmento; los genes se disponían enel cromosoma en el mismo orden enque se expresaban a lo largo del ejeanteroposterior del organismo, reglade la colinearidad que se aplicaríaa otros organismos.

Los insectos suelen tener cuatroalas. Una excepción son los díp-teros, con dos. Drosophila es undíptero. Las alas posteriores del ter-cer segmento torácico (T3) se re-ducen a halterios. En las mutantesde cuatro alas, la inactivación delos genes Ultrabithorax (Ubx) deltercer segmento torácico conduce ala transformación de T3 en T2 y laconversión de los halterios en elsegundo par de alas. Podemos, a lainversa, construir una mosca con cua-tro halterios induciendo las mutacio-nes Contrabithorax (Cbx ) o Haltere mimic ( Hm). En cuanto se dispuso

de técnicas de clonación se logróla del locus bithorax. Gehring optópor hacerlo con su gen homeóticofavorito, el Antennapedia . Al finalde las investigaciones se comprobóque el último exón de Ultrabithorax podía acometer una hibridación cru-zada con los de Antennapedia y fushi tarazu : así nació la palabra yel concepto de homebox. Se tratade una secuencia de 180 pares debases de un segmento de ADN quecomparten, en un 75-77 por ciento,los tres genes mencionados.

El plan corporal del embrión seestablece gradualmente mediante lasubdivisión del mismo a partir decoordenadas espaciales aportadas porgradientes morfogenéticos, primero engrandes dominios que abarcan variossegmentos y, luego, en bandas detamaño decreciente hasta que quedaespecificada cada célula. A partir degradientes morfogenéticos, el plan

corporal se subdivide primero porgenes de intervalo en dominios am-plios, luego por genes de regla par enunidades segmentariamente repetidasy, por fin, genes de polaridad delsegmento en compartimentos (hemi-segmentos).

La resonancia biomédica de estainvestigación básica en embriologíase hace patente en los trabajos pre-sentados en Morphogenesis. Podemosdetenernos en algunas ventanas abier-tas. Del conocimiento de la morfo-génesis saldrá la luz que necesitan

los procesos inversos, degenerativoso patológicos. Sea el caso del epite-lio pigmentario retiniano (EPR). Estacapa externa de la retina realizafunciones clave para la integridadde los fotorreceptores. Entre talesmisiones, la de transporte de meta-bolitos y procesamiento de retinoides.Además de su pigmentación caracte-rística, el fenotipo del EPR está de-finido por propiedades morfológicasy moleculares adquiridas en el úteroen humanos y en las dos primerassemanas posnatales en la rata. Unaserie de cambios drásticos forma unacapa de células precursoras. En lasúltimas etapas de la morfogénesisdel EPR adquieren interés proteínascuya alteración provoca enfermedadesdegenerativas.

Otro ejemplo, la identificación delas vías moleculares comunes parala morfogénesis y la reparación es-quelética. El desarrollo del esqueletoentraña una relación compleja entreprogramas de desarrollo y diferen-ciación celular. Importan, asimismo,la formación y remodelación de unamatriz extracelular. Se desencadena

una gavilla de sucesos parecidosdurante la reparación del hueso enel adulto. Las células mesenquimá-ticas se agregan en la zona de lalesión, proliferan y se diferencianen respuesta a factores de creci-miento producidos por los tejidosdañados. Durante las últimas fasesde reparación, la matriz acomete unaextensa remodelación. La reparacióndel hueso en el adulto recapitula, entodo o en parte, el proceso de laformación fetal del hueso.

LUIS ALONSO

Nikolai Konstantinovich Koltsov(1872-1940)

Boris Lvovich Astaurov(1904-1974)



BOLSA DETURBULENCIA

ALTA PRESION

BAJA PRESION

TURBULENCIA

LEVE

ALTA PRESION

ANVERSO HACIA ARRIBA

REVERSO

HACIA ARRIBA

“Frisbee” es la marca registrada de un disco de plás- tico de cantos redondeados que los jugadores se lanzan entre sí. Recordemos al disco volador de

hojalata, con una vejez de decenios, de la Frisbie Pie Company.Pero unos y otros discos vuelan por las mismas causas. Ambosson esencialmente alas rotatorias que se mantienen en el airemerced a la sustentación aerodinámica y a la estabilidad gi-roscópica.

VOLANDO HACIA ADELANTE el disco surca el aire con su borde deataque. Mitad del aire pasa por debajo del disco, la otra mitad por encima.Como el borde de ataque está inclinado hacia arriba, el disco desvía haciaabajo la corriente de aire inferior. Así, cuando el “frisbee” empuja el airehacia abajo, el aire empuja el disco hacia arriba, fuerza esta conocida como

sustentación aerodinámica. La corriente de aire superior es asimismo desviadahacia abajo. Como todo fluido viscoso, el aire tiende a seguir el contorno delas superficies, aunque éstas sean curvas y se separen de la corriente de aire.La concavidad de la corriente superior está acompañada de una disminuciónimportante en la presión del aire inmediatamente encima del disco, succionándolohacia arriba.

Los límites de la capacidad de la corriente de aire para seguir el contorno deuna superficie explican por qué un “frisbee” vuela tan mal con su reverso boca arriba.Cuando la corriente de aire superior intenta adaptarse al afilado contorno del asiderode un disco invertido, su propia inercia le separa de la superficie. Entonces, tras el discose forma una bolsa de aire turbulento y se destruye la succión, aumentando la resistenciadel aire. Cuando ésta haya agotado el impulso hacia adelante del disco, éste caerá comouna piedra. Los jugadores pueden aprovechar ese efecto para apuntarse un martillo, unlanzamiento difícil de devolver.

SUSTENTACION

PARAERODINAMICO

DISCO SIN ROTACION DIRECCION DE VUELO

DISCO CON ROTACION

EJE DE ROTACION

IDEAS APLICADAS

Discos voladores

Louis A. Bloomfield

LA ROTACION es crucial. Sin ella, hasta un disco voladorbien nivelado caería como una hoja desprendida del árbol.¿La causa? Las fuerzas aerodinámicas, que no están perfec-tamente centradas. Desde luego, la sustentación suele ser algomás intensa en la mitad delantera del disco, por lo que esaparte acostumbra alzarse, haciendo que el juguete cabecee.

Un disco en rotación, empero, puede conservar su orientacióndurante largo rato dado que posee un momento cinético, locual cambia radicalmente el modo en que reacciona a los

pares aerodinámicos. Un “frisbee” meticulosamente diseñadoconsigue que la sustentación actúe casi exactamente en sucentro. El disco es más grueso en los bordes, con lo quese maximiza el momento cinético cuando gira. Y, además, lasestrías de su cara superior crean una turbulencia microscópicaen la capa de aire inmediatamente contigua al marbete. Por

raro que parezca, esa turbulencia contribuye a mantener lacorriente de aire superior adherida al disco, con lo que elrecorrido de éste puede alargarse.



Seguiremos explorandolos campos del conocimiento

AGUJEROS NEGROS SIN CARETA, por Jean-PierreLasota Hasta hace poco disponíamos sólo de pruebas circunstanciales sobrela existencia de los agujeros negros. Podríamos tener una demostracióndirecta entre manos: en determinados volúmenes del espacio, la energíadesaparece sin dejar ni rastro.

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investigación y ciencia 273 - junio 1999

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