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Vacunas

Historia de unas herramientas tan eficaces contra las enfermedades infecciosas que pueden morir de éxito.

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El arte de coleccionar elementos químicos

O cómo materializar la tabla periódica, un fenomenal constructo científico y un paraíso para el experimentador inquieto.

ecía el extraordinario Jorge Wagensberg, divulgador científico y museólogo de prestigio internacional, que la tabla periódica pergeñada por Dmitri Mendeléiev hace ahora 150 años es uno de los mayores logros intelectuales de la ciencia contemporánea. Admiraba esa forma de resumir en una simple hoja de papel el vasto corpus de conocimiento necesario para describir los elementos químicos y sus propiedades. Quien esto escribe no puede estar más de acuerdo.

Pero mi admirado profesor Wagensberg también solía decir que una colección de elementos químicos no era más que un contenedor con piedrecillas de colores más o menos aburridas. En eso, en cambio, nunca he estado de acuerdo. Y aprovecharé que este año celebramos el 150 aniversario del nacimiento de la tabla periódica para demostrarlo científicamente. El coleccionismo de elementos químicos ofrece una maravillosa puerta de entrada a la belleza, material e intelectual, de la química, nos permite descubrir las propiedades de los mismos, ensayar su comportamiento y desarrollar nuestra percepción sensitiva. Desgranaremos estos aspectos a lo largo del texto.

Vayamos por partes. Para formar los casi 10.000 minerales que existen en nuestro planeta, las innumerables moléculas orgánicas que componen las formas vivas y los millones de compuestos artificiales que empleamos en el mundo contemporáneo tan solo son necesarios poco más de noventa tipos de átomos con los que la naturaleza nos ha obsequiado. Mendeléiev tuvo la genial intuición de agruparlos, según su comportamiento y propiedades, en un infograma: la tabla periódica de los elementos químicos. Con el paso del tiempo, esta se ha enriquecido con nuevos conocimientos hasta convertirse en un potente mapa visual de la estructura atómica.

En esta ocasión, nuestro objetivo será coleccionar muestras —cuanto más puras, mejor— del mayor número posible de elementos y hacerlo de forma que se convierta en una experiencia estimulante y formativa. Expliquémonos. Podríamos caer en el error de solventar el tema a golpe de tarjeta de crédito, ya que lo más cómodo y rápido sería comprarlos de una vez en Internet —se venden muestras espectaculares perfectamente envasadas— o en alguna tienda de material de laboratorio o productos químicos. Pero eso sería poco enriquecedor y muy, muy caro. Por otro lado, si al elemento químico le sumamos ejemplos de sus fuentes de obtención y aplicaciones, obtendremos una auténtica enciclopedia elemental. Ilustremos este punto con un ejemplo.

El cobre es un elemento abundante, fácil de conseguir y con importantísimas aplicaciones. Como muestra del elemento puro podemos hallar sin dificultad un buen trozo de barra prismática en algún taller de electricidad industrial. También podemos obtener el cobre a partir de un amplio abanico de minerales. En cuanto a las aplicaciones, se utiliza, sobre todo, para el suministro eléctrico, la refrigeración, la conducción de agua en el ámbito doméstico y la preparación de aleaciones como el latón o el bronce.

A menudo, cuando alguien se propone confeccionar una colección de elementos me pregunta por dónde empezar. La respuesta es simple: hallaremos muestras de elementos químicos puros básicamente en cuatro ámbitos o, lo que es lo mismo, explorando cuatros grandes «yacimientos». Comenzaremos por lo cercano y avanzaremos hacia lo abstracto.

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Nuestra primera expedición será de andar por casa. Tanto en nuestro hogar como en comercios de proximidad podemos proveernos de un buen número de especímenes de elementos prístinos; eso sí, en forma de aplicación, casi nunca en bruto. En el joyero encontraremos oro y plata casi puros. En el estudio, carbono (en el lápiz de grafito), wolframio (en el filamento de una bombilla antigua) e iridio (en la punta de una pluma estilográfica). En la cocina, aluminio (en forma de papel) y cobre (en forma de cable eléctrico). Y en el botiquín, quizá mercurio (en aquel viejo termómetro que deberíamos sustituir por uno menos tóxico). Sin salir de casa podemos localizar entre 10 y 15 elementos químicos.

Salgamos ahora a la calle. En la tienda de recambios de automóvil encontraremos iridio y platino (en los electrodos de una bujía). En la carpintería metálica, aluminio, hierro y cobre (en forma de perfiles). En la ferretería, tornillos cromados, niquelados, zincados y cadmiados, que, sin ser muestras macizas de cromo, níquel, zinc ni de cadmio, sí permiten descubrir el color de estos elementos. En la fontanería encontraremos plomo y estaño puros (en forma de varillas). En la droguería, azufre. En una tienda de productos de seguridad, americio (en los detectores de humo por ionización). En la farmacia, yodo. En establecimientos dedicados a tatuajes y piercings, titanio y niobio (en los adornos corporales). Y en las tiendas de esoterismo o minerales, bismuto, silicio y carbono vítreo (se venden como pseudominerales), además, claro está, de los minerales que ya de por sí constituyen muestras de elementos relativamente puros de origen natural.

Pasemos ahora a los elementos o minerales nativos que acabamos de citar. Todos sabemos que, esparcidas por ahí, hay pepitas de oro que se buscan con afán. Ello se debe a la nobleza química de este preciado elemento. Sus vecinos de arriba (en la misma columna de la tabla periódica), la plata y el cobre, también se encuentran puros en el sustrato mineral. Pero, curiosamente, hay muchos elementos más reactivos que se pueden encontrar libres en plena naturaleza cuando la mineralogénesis lo permite. Nos referimos al azufre, el selenio, el telurio, el mercurio, el platino, el bismuto, el antimonio, el arsénico, el hierro, el plomo y el carbono (tanto en forma de diamante como de grafito). Y la lista sigue. Preparando esta colaboración he descubierto con asombro que también se han hallado, en estado casi puro, iridio, osmio, aluminio, silicio, cromo, zinc, molibdeno, rutenio, cadmio, indio, estaño y wolframio. Es decir, el sustrato geológico de nuestro planeta nos ofrece al menos unos 25 elementos químicos de origen natural, sin duda las joyas de nuestra colección.

Si de minerales se trata, se nos abre un nuevo espacio de obtención: la síntesis —permítanme la broma— en condiciones de laboratorio. A partir de la malaquita es muy fácil obtener cobre (un calentamiento intenso con algo de carbón mezclado será suficiente). Lo mismo podemos hacer con la plata y sus minerales [véase «Arqueometalurgia», por Marc Boada; Investigación y Ciencia, marzo de 2005]. Más difícil, pero no demasiado, es conseguir plomo a partir de la galena, estaño de la casiterita, antimonio de la estibina o zinc de la blenda. Mayor pericia experimental deberá tener el coleccionista que quiera obtener hierro [véase «Microsiderurgia», por Marc Boada; Investigación y Ciencia, febrero de 2015], cobalto, níquel, manganeso y cromo de sus óxidos naturales. Y, ya con mayor detenimiento, podemos separar el silicio y el titanio de la arena de playa [véase «Tesoros en la arena», por Marc Boada; Investigación y Ciencia, agosto de 2011].

La capacidad de experimentación metalúrgica es importante, no solo para obtener los elementos metálicos de sus fuentes minerales (recordemos que son la parte del león de la tabla periódica), sino también porque, una vez conseguido ese reto químico y disponiendo de la técnica necesaria, resulta mucho más fácil fundir lingotes idénticos de los distintos metales.

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No terminaríamos de buscar elementos metálicos si antes no atendiéramos a otras posibilidades. La primera: el reciclaje. Fundir esos lingotes a partir de latas de aluminio, de tuberías de plomo y cobre e, incluso —y es una afición que cuenta con muchos seguidores— separar el oro de los diversísimos componentes electrónicos que quedan obsoletos cada día es fácil, muy fácil. Y, para los más expertos, existen todavía otras opciones como la obtención electrolítica de sodio, potasio, litio o calcio por la vía de la electrolisis de las sales fundidas. Mediante procedimientos puramente metalúrgicos o electrometalúrgicos podemos proveernos, pues, de unos 15 o 20 elementos.

Para los que no dispongan de un excelente sistema de ventilación o una cabina de absorción de gases donde llevar a cabo esos experimentos, lo mejor es localizar alguna empresa especializada en la venta de metales técnicos. Estas compañías ofrecen metales listos para su aplicación a un precio mucho más razonable que el de las muestras purísimas que acostumbran a vender los suministradores de material para laboratorio, sector al que deberemos llegar para conseguir buena parte de la tabla periódica.

Elementos interesantes porque dan paso a un amplio grupo de la tabla periódica, como el cerio, con espectros de emisión espectaculares como el estroncio, o con propiedades físicas singulares como el gadolinio, escapan a nuestras posibilidades experimentales. Por desgracia, estos tienen siempre un precio elevado y la inversión se justifica solo, quizá, por su interés científico.

Pasemos ahora a los elementos que son gases a temperatura ambiente. El aire es una mezcla cuyos componentes mayoritarios son el oxígeno y, sobre todo, el nitrógeno. Podemos considerar que un balón de vidrio lleno de aire contiene una muestra de nitrógeno con una quinta parte de impurezas. Pero podemos purificarlo mucho más mediante un simple proceso de absorción del oxígeno presente. Llenemos un balón de vidrio con el aire insuflado a través de un tubo de cobre lleno de lana de acero calentados fuertemente con un soplete. El gas que emerge es nitrógeno casi puro. Pasemos ahora al oxígeno. Pongamos agua oxigenada en un matraz, añadamos algo de pirolusita machacada o unas gotas de sangre humana. Empezará una fuerte efervescencia (ambas sustancias catalizan la descomposición del peróxido de hidrógeno), que liberará oxígeno suficiente para llenar un globo. Otra opción para conseguir oxígeno consiste en electrolizar agua acidulada, con lo que, además, obtendremos hidrógeno. Atención: ¡la mezcla es explosiva!

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¿Qué ocurre con los otros gases? Sorprendentemente, podemos conseguir con facilidad lámparas eléctricas rellenas con algunos de ellos. Hay bombillas con argón, neón, xenón y criptón. Bajo una suave descarga eléctrica, lucen con bellos colores. Otra opción más cara la encontraremos en algunas páginas web que ofrecen tubos de descarga a alta tensión de todos los gases. Y, ya en otro plano, podemos localizar lámparas industriales de vapor de mercurio, de sodio y de amalgama de galio.

Vemos, pues, que, buscando por casa, visitando tiendas y ferias de minerales, explorando talleres mecánicos, ferreterías, lampisterías, buscando por Internet en páginas para coleccionistas o solicitando oferta a especialistas en productos químicos podemos materializar buena parte de la tabla periódica. Sin embargo, como decíamos al principio, resulta más interesante aderezar la colección con las aplicaciones prácticas y, atención, específicas, de cada elemento.

Recomiendo centrarse primero en las aplicaciones que materializan una propiedad física singular. Por ejemplo: el hierro destaca por su tenacidad, flexibilidad o por sus propiedades magnéticas; el aluminio, por su baja densidad, y lo mismo le ocurre al magnesio. Por tanto, buscaremos aplicaciones que pongan de manifiesto estos aspectos.

También podemos explorar el mundo de los medicamentos. Se prescriben compuestos de litio para tratar los estados de ánimo bajos; de bismuto, para mejorar el funcionamiento del sistema digestivo; el potasio, en forma de cloruro, para las articulaciones; el gadolinio, como contraste, se utiliza en la obtención de resonancias magnéticas; el nitrógeno, en forma de nitroglicerina, para evitar ciertos problemas cardíacos… la lista es larguísima.

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Y no solo la farmacopea tiene un nexo directo con los elementos. También el arte. Los pigmentos blancos se obtienen a partir de compuestos sencillos de estaño, plomo o titanio. Los verdes, de hierro o cromo. El zinc, el cadmio y el manganeso se utilizan en pinturas al óleo; el oro, el uranio y el cobre, en vidrieras de colores. Más aún, ¿de cuántos elementos químicos puros, o casi, se fabrican tornillos? No será fácil, pero el coleccionista los puede encontrar de al menos 7 elementos casi puros y de, como mínimo, 5 grandes grupos de compuestos. ¿Adivina cuáles?

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¿Es la anorexia nerviosa una enfermedad del metabolismo?

Un análisis genético, de miles de pacientes, sugiere que el origen de este trastorno de la alimentación no reside solo en la mente.

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La anorexia nerviosa afecta entre el 1 y el 4 por ciento de la población mundial femenina, así como el 0,3 por ciento de la masculina. Hasta la fecha, esta compleja enfermedad se define como un trastorno psiquiátrico. Sin embargo, un estudio genético reciente, publicado por la revista Nature Genetics, sugiere que el metabolismo también desempeña un importante papel en el desarrollo de la enfermedad.

Hunna J. Watson de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, junto con más de 100 científicos de centros de investigación europeos, norteamericanos, australianos y asiáticos, realizó un estudio de asociación del genoma completo (GWAS, por sus siglas en inglés) e identificó 8 variantes genéticas relacionadas con la anorexia nerviosa.

El análisis GWAS comparó 16.992 casos de anorexia nerviosa con 55.525 sujetos sanos, de descendencia europea y 17 nacionalidades distintas. Este tipo de confrontación de datos procedentes de un elevado número de individuos permite hallar genes presuntamente asociados con características observables, como por ejemplo enfermedades.

De acuerdo con los resultados, las alteraciones genéticas identificadas  en la investigación también participan en otros desórdenes de conducta, como la depresión, la ansiedad, la esquizofrenia y el trastorno obsesivo compulsivo. Ello explicaría por qué algunos pacientes manifiestan la anorexia nerviosa junto con estas enfermedades psiquiátricas.

No obstante, la novedad del trabajo reside en otra coincidencia. Al parecer, la anorexia nerviosa compartiría características genéticas con la diabetes de tipo 2 o el metabolismo de las grasas. Asimismo, las regiones del genoma alteradas también influenciarían la actividad física. De hecho, la hiperactividad patológica constituye una de las manifestaciones clínicas de este trastorno de alimentación.

Hasta la fecha, cualquier cambio observado en el metabolismo de los pacientes se atribuía a la inanición ocasionada por la poca o nula ingesta de comida. Ahora, sin embargo, los autores postulan que las alteraciones metabólicas podrían constituir el origen, no la consecuencia, de la anorexia nerviosa. Asimismo, para los investigadores, la desregulación del metabolismo dificultaría a los pacientes recuperar el peso perdido, incluso después de someterse a tratamiento médico.

De confirmarse, el hallazgo no solo ofrecería nuevas vías para luchar contra la enfermedad, si no que también supondría una nueva definición de la anorexia nerviosa como un trastorno metabólico, además de psiquiátrico.

Marta Pulido Salgado

Referencia: «Genome-wide association study identifies eight risk loci and implicates metabo-psychiatric origins for anorexia nervosa», de H. J. Watson et al., en Nature Genetics, publicado el 15 de julio de 2019.

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Preparados para ver cómo cambia la vida célula a célula

El análisis de célula única permitirá entender el asombroso poder de regeneración de las salamandras, cartografiar todas nuestras células en un ‘Google Maps’ biológico y combatir el cáncer o las patologías autoinmunes. Por algo fue el Método del Año para la revista ‘Nature’ en 2013 y el gran avance científico de 2018 en ‘Science’.

La sala es emocionante, pero más por lo que esconde que por lo que muestra. Realmente es tan solo un espacio muy blanco de paredes curvadas plagado de mesas móviles. Y, en cada una de ellas, unos bloques negros y blancos que recuerdan por su tamaño a ordenadores antiguos.

Falsas apariencias.

Los bloques son, en realidad, unos de los más modernos secuenciadores genéticos del momento: el motor del Centro Nacional de Análisis Genómico (CNAG), en Barcelona. Nos los muestra Holger Heyn, un alemán que lleva ya cerca de diez años investigando en España y que ahora es el responsable del equipo de Genómica de Célula Única en el propio CNAG.

Ese análisis célula a célula es la gran esperanza científica para desentrañar el desarrollo de los organismos —humanos incluidos—, para establecer las bases de la regeneración de órganos, para crear un mapa de todas nuestras células o para destapar claves de algunas enfermedades tan esquivas como el cáncer. De ahí que haya sido escogido como avance científico del año 2018 por la revista Science, y de ahí esta visita.

De batidos y árboles

“La genómica unicelular ha alcanzado la madurez de manera increíble”, decía hace un tiempo en una conferencia Eric Lander, el más que influyente director del Instituto Broad del MIT y Harvard. “Y, una vez que te das cuenta de que podemos hacer los análisis en células individuales, ¿cómo vas a aceptar un batido? Es una locura estar haciendo genómica en batidos”.

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Visitamos el principal laboratorio dedicado al análisis célula a célula en España: el CNAG de Barcelona./ CNAG

Los ‘batidos’ de Lander son los análisis tradicionales donde se recogen un montón de células cuyo ADN (o ARN, el mensajero del ADN) se mezcla antes de pasar por los secuenciadores. La información que resulta es un promedio del conjunto. Habrá árboles particulares que queden ocultos por el bosque y, sobre todo, no permite saber qué información concreta contiene cada célula en particular. El individuo se disuelve en la masa.

El análisis célula a célula es la gran esperanza científica para destapar claves de enfermedades tan esquivas como el cáncer

Estos análisis ya habían sido escogidos como el Método del Año en 2013 por la revista Nature. “Pero por entonces apenas podían estudiarse diez o veinte células, eran tremendamente caros y muy poco resolutivos”, comenta Heyn. Ahora, en cambio, “podemos analizar 10.000 células en un solo experimento y hay proyectos para hacerlo con hasta un millón”.

La tecnología clave que ha posibilitado este salto es la basada en microfluidos, una herramienta que permite separar y canalizar cada célula en gotas diminutas a la vez que se introduce en su ADN un marcador o código de barras. Ese marcador permite identificar cada una de ellas una vez que han sido analizadas.

De esa manera puede estudiarse su ADN, su ARN e incluso su información epigenética, que pone los puntos y comas a la lectura del genoma. “La resolución no es perfecta todavía en ningún caso —reconoce Heyn—, pero lo más potente ahora mismo es el estudio del ARN”. En algunos de esos estudios se basó el reconocimiento al avance del año.

Un gusano que crece célula a célula

La planaria Schmidtea mediterranea es un animal insólito. Este gusano de apenas un centímetro es potencialmente inmortal: sus células madre renuevan sus órganos de manera continua y, si se parte en varios trozos, de cada uno emerge un nuevo gusano. La cabeza es capaz de regenerar una cola y la cola una cabeza, que incluso parece conservar algunos de sus recuerdos. Fue descubierto por el biólogo Jaume Baguñà en un pantano de Montjuic en 1968. Que se sepa, hoy apenas vive en Barcelona, en ciertas zonas de Menorca… y en una veintena de laboratorios de todo el mundo.

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Foto de ‘Schmidtea mediterránea’ con dos cabezas en un experimento realizado durante la regeneración del tronco. / Dany S Adams

Uno de ellos está en el Centro de Medicina Molecular Max Delbrück, en Alemania. Allí, en 2018, usaron las técnicas de análisis célula a célula no solo para establecer un atlas celular del animal, sino también para estudiar los programas genéticos que conducían a su formación y regeneración. Entre otras sorpresas, encontraron que la cantidad de algunas células disminuía muy rápidamente. Eso indicaba que podían ser la reserva que alimentara el proceso de regeneración.

¿Podrían aplicarse esos descubrimientos a humanos para impulsar la medicina regenerativa? “Aún nos falta mucho por saber”, contestan en un correo consensuado Mireya Plass y Jordi Solana, los dos primeros firmantes del trabajo. “Las planarias adultas tienen más de un 30 % de células madre, cosa que dista mucho de nosotros. Aun así, esperamos que algunos de los mecanismos sí que sean los mismos”.

Lo que tienen claro es que antes no eran capaces de distinguir los distintos tipos de células en el desarrollo embrionario, y ahora van a recoger información “que será crucial para generar en el laboratorio células, tejidos y órganos que sirvan para tratar distintas patologías”.

Experimentos con el anfibio de Cortázar

Hubo un tiempo en que el escritor Julio Cortázar “pensaba mucho en los axolotl”. Tanto como para dedicarles un cuento asombroso a estos anfibios hipnóticos que se confunden con salamandras y que, como ellas, son capaces de regenerar sus miembros, esqueleto incluido. Cortázar estaba obsesionado con su mirada, ¿pero cómo consiguen ese inmenso poder de renovación?

Usando el nuevo arsenal de técnicas, investigadores alemanes han comprobado cómo un tipo particular de células se desprograma para volver a un estado similar al embrionario y, a partir de ahí, dirigir la regeneración en los axolotl. Nuestra limitadísima habilidad para conseguir algo parecido quizá se deba a la incapacidad para reprogramar este tipo de células hasta esos estados. Nuestro hígado o nuestra piel pueden regenerarse parcialmente, pero son excepciones. No podemos hacer lo mismo con una pierna, un riñón o un corazón.

Gracias a estas técnicas se ha podido ver cómo actúan las células de los axolotl para regenerar sus miembros

Aquí el análisis crucial es el del ARN. El ADN no aporta información valiosa: esencialmente es el mismo en cada célula, lo importante es cómo se lee el código en forma de ARN en cada momento y lugar. Eso es lo que permite estudiar cómo, a partir de una única célula, se forma un animal con todos sus órganos y tejidos, tan diferentes entre sí pero tan iguales en su genética inicial. Cómo somos lo que somos.

Así lo han hecho otros grupos de investigación en 2018 con peces y ranas, viendo cómo se encienden y apagan los genes en cada célula durante su desarrollo. Y así han conseguido seguir el desarrollo del cerebro y la médula espinal de un ratón hasta el día once tras su nacimiento, identificando en el camino más de cien tipos de células diferentes.

“Son estudios muy bonitos”, reconoce Heyn. “Permiten ver cosas que antes no podíamos ver y seguir el crecimiento sin hipótesis previas: cómo una célula se divide y empieza a hacer cosas diferentes en cada división”. Sin embargo, “esa es solo una pequeña parte de las posibilidades que ofrece”. Heyn se refiere a la posibilidad de trazar todo un atlas humano y a sus posibles aplicaciones en la medicina.

Axolotl

Axolotl, el anfibio que intrigaba a Cortázar y que es capaz de autorregenerarse. / Research Institute of Molecular Pathology

Un atlas celular que es una tabla periódica

Eric Lander lo explica así: “Si tuviéramos una tabla periódica de las células seríamos capaces de averiguar la composición de cualquier muestra”. Esa teórica tabla periódica que en su día revolucionó la química ha adoptado otra imagen, la de un atlas celular, y ha dado lugar a un proyecto que recoge la idea: el “Human Cell Atlas” (el Atlas Celular Humano).

Su objetivo es identificar cada célula del cuerpo, dónde se localiza y cómo actúa junto con el resto para formar los órganos y tejidos. Algo así como un Google Maps celular que sirva de referencia para “que luego podamos colocar las casas y los edificios encima”, visualiza Heyn, quien no duda de que será algo que “cambiará las reglas del juego, como en su día lo hizo el Proyecto Genoma”. La próxima reunión de la iniciativa tendrá lugar en octubre, en Barcelona.

Aunque es un consorcio voluntario y sin una financiación específica, ha contado con mecenas tan populares como Mark Zuckerberg, el fundador de Facebook, que “impulsó su inicio y colabora cofinanciando estudios concretos”.

Según los expertos, el Atlas Celular Humano cambiará las reglas del juego, como en su día lo hizo el Proyecto Genoma

El grupo de Heyn participa de dos maneras: es el responsable del control de calidad del proyecto y está encargado de estudiar todos los tipos de linfocitos B —las células que fabrican los anticuerpos— que existen en el cuerpo humano. “Queremos ver cómo se desarrollan y activan en cada lugar, cómo funcionan y cómo cambian mientras viajan por el cuerpo”.

Antes se pensaba que había 500 tipos de células diferentes, ahora se dice que hay al menos diez veces más. “Pero los números bailan mucho y seguramente sean aún mayores”, reconoce Heyn. “La clave está en pensar que las células son increíblemente plásticas, que hay muchísima más variedad de la que hasta hace nada podíamos estudiar”.

En apenas dos años de vida, el proyecto ya ha producido avances: ha servido para identificar un nuevo tipo de neuronas, a las que han llamado ‘rosa mosqueta’ y que por el momento parecen exclusivas de los humanos; ha permitido establecer un mapa de las células de la barrera placentaria y descubrir aquellas que modulan la respuesta de las defensas e impiden su rechazo; han hallado, incluso, un nuevo tipo de célula pulmonar que parece involucrada en la fibrosis quística, una enfermedad hereditaria potencialmente mortal.

Una vez delimitada la función de una célula, cuando esa función falle en el organismo sabremos quién es la responsable, qué célula hay que estudiar. El proyecto LifeTime propone enfocar este tipo de técnicas al estudio de la enfermedad. La iniciativa aspira a conseguir —y ha llegado a la fase final de evaluación— una financiación de 1.000 millones de euros de la Comisión Europea como proyecto Flagship (igual que lo fueron el Proyecto Grafeno o el del Cerebro Humano).

Una de las enfermedades donde más darán que hablar las nuevas herramientas es el cáncer. Si estas técnicas tienen sentido “allí donde haya heterogeneidad”, como subraya Heyn, el cáncer es el perfecto candidato.

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El alemán Holger Heyn es el responsable del equipo de Genómica de Célula Única en el CNAG. / CNAG

En la salud y en la enfermedad

Un tumor es, en esencia, una máquina evolutiva. Acumula cambios y mutaciones de forma desenfrenada. Pero los cambios pueden ser diferentes en unas células u otras. Algunas pueden dar lugar a metástasis, otras son capaces de resistir a los tratamientos y regenerar el tumor y las de más allá se limitan a crecer sin aparente control. Si las células sanas comparten en esencia un mismo ADN, las de un tumor pueden ser primas muy lejanas.

La heterogeneidad y la capacidad evolutiva del cáncer son uno de los grandes retos de la medicina y, seguramente, el gran obstáculo de la nueva medicina de precisión. El que algunas células adquieran nuevas mutaciones clave —o que unas pocas sean capaces de resistir el tratamiento escogido— hace que la eficacia de las terapias sea, generalmente, solo temporal. Las técnicas de análisis célula a célula pueden servir para conocer mejor la biología del cáncer y, con ello, superar parte de estos obstáculos.

El análisis ya ha dado lugar a un posible tratamiento para prevenir el retinoblastoma, un cáncer hereditario

“Antes teníamos que deducir esa evolución, ahora puedes ver directamente el árbol que construye”, explica Heyn. Las aplicaciones —aunque incipientes y no exentas de dificultades— son notables. Por ejemplo: los grandes proyectos de medicina de precisión se están basando en dar tratamientos si encuentran una determinada mutación en el tumor, pero no tienen en cuenta la cantidad de células que la contienen y, sobre todo, no pueden saber qué tipo de células son y cuál es su función. Así no solo es más difícil predecir su eficacia, también lo es evitar las recaídas de la enfermedad.

Otro ejemplo: no se conoce el tipo de células que dan origen a muchos tumores. En el caso del retinoblastoma, un cáncer hereditario, este análisis ha permitido identificar la pequeña población de células de la retina que lo inicia. Al aislarlas y estudiar su metabolismo, los investigadores han propuesto un tratamiento para prevenirlo. “Como los efectos se producen solo en estas células, no podíamos verlos cuando analizábamos el tejido completo del ojo”, explican.

Por qué somos como somos

Los potentes programas informáticos de estos análisis contribuirán también al desarrollo de la biopsia líquida, la posibilidad de detectar o seguir la evolución de un tumor a través de su rastro en la sangre. Y la tecnología ya se está empleando para estudiar con detalle la respuesta de nuestras defensas y qué tipo concreto de células actúan en la tan prometedora inmunoterapia contra el cáncer. Conocerlas es un paso clave para conseguir mejorarla.

“Podemos ver aquello que ni siquiera sabíamos que existía”, afirma Heyn

“Otras enfermedades que pueden beneficiarse de estas técnicas son las autoinmunes —afirma Heyn— porque todavía no sabemos qué tipo de células son las que producen los ataques”. Entre ellas están enfermedades inflamatorias como la de Crohn, el lupus o la esclerosis múltiple. “Y también servirá para saber en el alzhéimer qué tipo de células mueren en cada etapa”.

La visita termina con una declaración entusiasta en la que, sin embargo, es difícil encontrar impostación: “Estas técnicas nos permiten ver aquello que ni siquiera sabíamos que existía”, afirma Heyn. “Nos van a ayudar a estudiar la complejidad de la vida, a saber cómo estamos construidos. Y, una vez tengamos un atlas, podremos compararlo con aquello que falla, en nosotros y entre nosotros”.

¿Eran o no eran emocionantes los bloques de la sala inicial?

Zona geográfica: Internacional
Fuente: SINC

Jesús Méndez

Escritor, periodista científico, exinvestigador de la epigenética del cáncer y médico de formación. Colabora con Sinc escribiendo sobre lo que sabe (más o menos).

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Publicado en Anatomía Aplicada, Artículos científicos, Ciencia, Nutrición, Nutrición, Nutrición, Nutrición, alimentación y salud, Recursos, Tutoría, Vídeos
Publicado el 10 jun. 2019

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Creer que comer de todo es saludable, que el desayuno es la comida más importante del día o que añadiendo vitamina D y C a tu alimentación tendrás más salud son algunos de los mitos más extendidos entre la población. En el siguiente vídeo, el dietista-nutricionista Julio Basulto, afirma que la clave de una alimentación equilibrada no está en comer bien, sino en dejar de comer mal: “Los daños a la salud no se compensan tomándote soja germinada; es mejor que recuerdes que, tanto para tus hijos como para ti, la clave es alejar de tu día a día los productos malsanos, que piensas que son excepción pero que, en realidad, son norma”.

Basulto es editor de la Revista Española de Nutrición Humana y Dietética, también ejerce como docente en diversas instituciones y consultor en varios comités especializados. Además, es colaborador de múltiples medios y autor de numerosas publicaciones científicas y libros como ‘No más dieta’, ‘Mamá come sano’, o ‘Se me hace bola’, entre otros; donde aborda temas como la alimentación vegetariana, la obesidad infantil y la creciente preocupación por comer sano. Julio Basulto desmonta falsas creencias a través de una sólida base científica. Su principal objetivo es que comamos conscientemente. “No se trata de ‘imponer’, sino de incorporar dentro de casa un patrón de dieta sana para que nuestros hijos aprendan con el ejemplo”, concluye.

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Preparados para ver cómo cambia la vida célula a célula

Visitamos el mayor laboratorio de ‘single cell’ en España

El análisis de célula única permitirá entender el asombroso poder de regeneración de las salamandras, cartografiar todas nuestras células en un ‘Google Maps’ biológico y combatir el cáncer o las patologías autoinmunes. Por algo fue el Método del Año para la revista ‘Nature’ en 2013 y el gran avance científico de 2018 en ‘Science’.

La sala es emocionante, pero más por lo que esconde que por lo que muestra. Realmente es tan solo un espacio muy blanco de paredes curvadas plagado de mesas móviles. Y, en cada una de ellas, unos bloques negros y blancos que recuerdan por su tamaño a ordenadores antiguos.

Falsas apariencias.

Los bloques son, en realidad, unos de los más modernos secuenciadores genéticos del momento: el motor del Centro Nacional de Análisis Genómico (CNAG), en Barcelona. Nos los muestra Holger Heyn, un alemán que lleva ya cerca de diez años investigando en España y que ahora es el responsable del equipo de Genómica de Célula Única en el propio CNAG.

Ese análisis célula a célula es la gran esperanza científica para desentrañar el desarrollo de los organismos —humanos incluidos—, para establecer las bases de la regeneración de órganos, para crear un mapa de todas nuestras células o para destapar claves de algunas enfermedades tan esquivas como el cáncer. De ahí que haya sido escogido como avance científico del año 2018 por la revista Science, y de ahí esta visita.

De batidos y árboles

“La genómica unicelular ha alcanzado la madurez de manera increíble”, decía hace un tiempo en una conferencia Eric Lander, el más que influyente director del Instituto Broad del MIT y Harvard. “Y, una vez que te das cuenta de que podemos hacer los análisis en células individuales, ¿cómo vas a aceptar un batido? Es una locura estar haciendo genómica en batidos”.

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Visitamos el principal laboratorio dedicado al análisis célula a célula en España: el CNAG de Barcelona./ CNAG

Los ‘batidos’ de Lander son los análisis tradicionales donde se recogen un montón de células cuyo ADN (o ARN, el mensajero del ADN) se mezcla antes de pasar por los secuenciadores. La información que resulta es un promedio del conjunto. Habrá árboles particulares que queden ocultos por el bosque y, sobre todo, no permite saber qué información concreta contiene cada célula en particular. El individuo se disuelve en la masa.

El análisis célula a célula es la gran esperanza científica para destapar claves de enfermedades tan esquivas como el cáncer

Estos análisis ya habían sido escogidos como el Método del Año en 2013 por la revista Nature. “Pero por entonces apenas podían estudiarse diez o veinte células, eran tremendamente caros y muy poco resolutivos”, comenta Heyn. Ahora, en cambio, “podemos analizar 10.000 células en un solo experimento y hay proyectos para hacerlo con hasta un millón”.

La tecnología clave que ha posibilitado este salto es la basada en microfluidos, una herramienta que permite separar y canalizar cada célula en gotas diminutas a la vez que se introduce en su ADN un marcador o código de barras. Ese marcador permite identificar cada una de ellas una vez que han sido analizadas.

De esa manera puede estudiarse su ADN, su ARN e incluso su información epigenética, que pone los puntos y comas a la lectura del genoma. “La resolución no es perfecta todavía en ningún caso —reconoce Heyn—, pero lo más potente ahora mismo es el estudio del ARN”. En algunos de esos estudios se basó el reconocimiento al avance del año.

Un gusano que crece célula a célula

La planaria Schmidtea mediterranea es un animal insólito. Este gusano de apenas un centímetro es potencialmente inmortal: sus células madre renuevan sus órganos de manera continua y, si se parte en varios trozos, de cada uno emerge un nuevo gusano. La cabeza es capaz de regenerar una cola y la cola una cabeza, que incluso parece conservar algunos de sus recuerdos. Fue descubierto por el biólogo Jaume Baguñà en un pantano de Montjuic en 1968. Que se sepa, hoy apenas vive en Barcelona, en ciertas zonas de Menorca… y en una veintena de laboratorios de todo el mundo.

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Foto de ‘Schmidtea mediterránea’ con dos cabezas en un experimento realizado durante la regeneración del tronco. / Dany S Adams

Uno de ellos está en el Centro de Medicina Molecular Max Delbrück, en Alemania. Allí, en 2018, usaron las técnicas de análisis célula a célula no solo para establecer un atlas celular del animal, sino también para estudiar los programas genéticos que conducían a su formación y regeneración. Entre otras sorpresas, encontraron que la cantidad de algunas células disminuía muy rápidamente. Eso indicaba que podían ser la reserva que alimentara el proceso de regeneración.

¿Podrían aplicarse esos descubrimientos a humanos para impulsar la medicina regenerativa? “Aún nos falta mucho por saber”, contestan en un correo consensuado Mireya Plass y Jordi Solana, los dos primeros firmantes del trabajo. “Las planarias adultas tienen más de un 30 % de células madre, cosa que dista mucho de nosotros. Aun así, esperamos que algunos de los mecanismos sí que sean los mismos”.

Lo que tienen claro es que antes no eran capaces de distinguir los distintos tipos de células en el desarrollo embrionario, y ahora van a recoger información “que será crucial para generar en el laboratorio células, tejidos y órganos que sirvan para tratar distintas patologías”.

Experimentos con el anfibio de Cortázar

Hubo un tiempo en que el escritor Julio Cortázar “pensaba mucho en los axolotl”. Tanto como para dedicarles un cuento asombroso a estos anfibios hipnóticos que se confunden con salamandras y que, como ellas, son capaces de regenerar sus miembros, esqueleto incluido. Cortázar estaba obsesionado con su mirada, ¿pero cómo consiguen ese inmenso poder de renovación?

Usando el nuevo arsenal de técnicas, investigadores alemanes han comprobado cómo un tipo particular de células se desprograma para volver a un estado similar al embrionario y, a partir de ahí, dirigir la regeneración en los axolotl. Nuestra limitadísima habilidad para conseguir algo parecido quizá se deba a la incapacidad para reprogramar este tipo de células hasta esos estados. Nuestro hígado o nuestra piel pueden regenerarse parcialmente, pero son excepciones. No podemos hacer lo mismo con una pierna, un riñón o un corazón.

Gracias a estas técnicas se ha podido ver cómo actúan las células de los axolotl para regenerar sus miembros

Aquí el análisis crucial es el del ARN. El ADN no aporta información valiosa: esencialmente es el mismo en cada célula, lo importante es cómo se lee el código en forma de ARN en cada momento y lugar. Eso es lo que permite estudiar cómo, a partir de una única célula, se forma un animal con todos sus órganos y tejidos, tan diferentes entre sí pero tan iguales en su genética inicial. Cómo somos lo que somos.

Así lo han hecho otros grupos de investigación en 2018 con peces y ranas, viendo cómo se encienden y apagan los genes en cada célula durante su desarrollo. Y así han conseguido seguir el desarrollo del cerebro y la médula espinal de un ratón hasta el día once tras su nacimiento, identificando en el camino más de cien tipos de células diferentes.

“Son estudios muy bonitos”, reconoce Heyn. “Permiten ver cosas que antes no podíamos ver y seguir el crecimiento sin hipótesis previas: cómo una célula se divide y empieza a hacer cosas diferentes en cada división”. Sin embargo, “esa es solo una pequeña parte de las posibilidades que ofrece”. Heyn se refiere a la posibilidad de trazar todo un atlas humano y a sus posibles aplicaciones en la medicina.

Axolotl

Axolotl, el anfibio que intrigaba a Cortázar y que es capaz de autorregenerarse. / Research Institute of Molecular Pathology

Un atlas celular que es una tabla periódica

Eric Lander lo explica así: “Si tuviéramos una tabla periódica de las células seríamos capaces de averiguar la composición de cualquier muestra”. Esa teórica tabla periódica que en su día revolucionó la química ha adoptado otra imagen, la de un atlas celular, y ha dado lugar a un proyecto que recoge la idea: el “Human Cell Atlas” (el Atlas Celular Humano).

Su objetivo es identificar cada célula del cuerpo, dónde se localiza y cómo actúa junto con el resto para formar los órganos y tejidos. Algo así como un Google Maps celular que sirva de referencia para “que luego podamos colocar las casas y los edificios encima”, visualiza Heyn, quien no duda de que será algo que “cambiará las reglas del juego, como en su día lo hizo el Proyecto Genoma”. La próxima reunión de la iniciativa tendrá lugar en octubre, en Barcelona.

Aunque es un consorcio voluntario y sin una financiación específica, ha contado con mecenas tan populares como Mark Zuckerberg, el fundador de Facebook, que “impulsó su inicio y colabora cofinanciando estudios concretos”.

Según los expertos, el Atlas Celular Humano cambiará las reglas del juego, como en su día lo hizo el Proyecto Genoma

El grupo de Heyn participa de dos maneras: es el responsable del control de calidad del proyecto y está encargado de estudiar todos los tipos de linfocitos B —las células que fabrican los anticuerpos— que existen en el cuerpo humano. “Queremos ver cómo se desarrollan y activan en cada lugar, cómo funcionan y cómo cambian mientras viajan por el cuerpo”.

Antes se pensaba que había 500 tipos de células diferentes, ahora se dice que hay al menos diez veces más. “Pero los números bailan mucho y seguramente sean aún mayores”, reconoce Heyn. “La clave está en pensar que las células son increíblemente plásticas, que hay muchísima más variedad de la que hasta hace nada podíamos estudiar”.

En apenas dos años de vida, el proyecto ya ha producido avances: ha servido para identificar un nuevo tipo de neuronas, a las que han llamado ‘rosa mosqueta’ y que por el momento parecen exclusivas de los humanos; ha permitido establecer un mapa de las células de la barrera placentaria y descubrir aquellas que modulan la respuesta de las defensas e impiden su rechazo; han hallado, incluso, un nuevo tipo de célula pulmonar que parece involucrada en la fibrosis quística, una enfermedad hereditaria potencialmente mortal.

Una vez delimitada la función de una célula, cuando esa función falle en el organismo sabremos quién es la responsable, qué célula hay que estudiar. El proyecto LifeTime propone enfocar este tipo de técnicas al estudio de la enfermedad. La iniciativa aspira a conseguir —y ha llegado a la fase final de evaluación— una financiación de 1.000 millones de euros de la Comisión Europea como proyecto Flagship (igual que lo fueron el Proyecto Grafeno o el del Cerebro Humano).

Una de las enfermedades donde más darán que hablar las nuevas herramientas es el cáncer. Si estas técnicas tienen sentido “allí donde haya heterogeneidad”, como subraya Heyn, el cáncer es el perfecto candidato.

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El alemán Holger Heyn es el responsable del equipo de Genómica de Célula Única en el CNAG. / CNAG

En la salud y en la enfermedad

Un tumor es, en esencia, una máquina evolutiva. Acumula cambios y mutaciones de forma desenfrenada. Pero los cambios pueden ser diferentes en unas células u otras. Algunas pueden dar lugar a metástasis, otras son capaces de resistir a los tratamientos y regenerar el tumor y las de más allá se limitan a crecer sin aparente control. Si las células sanas comparten en esencia un mismo ADN, las de un tumor pueden ser primas muy lejanas.

La heterogeneidad y la capacidad evolutiva del cáncer son uno de los grandes retos de la medicina y, seguramente, el gran obstáculo de la nueva medicina de precisión. El que algunas células adquieran nuevas mutaciones clave —o que unas pocas sean capaces de resistir el tratamiento escogido— hace que la eficacia de las terapias sea, generalmente, solo temporal. Las técnicas de análisis célula a célula pueden servir para conocer mejor la biología del cáncer y, con ello, superar parte de estos obstáculos.

El análisis ya ha dado lugar a un posible tratamiento para prevenir el retinoblastoma, un cáncer hereditario

“Antes teníamos que deducir esa evolución, ahora puedes ver directamente el árbol que construye”, explica Heyn. Las aplicaciones —aunque incipientes y no exentas de dificultades— son notables. Por ejemplo: los grandes proyectos de medicina de precisión se están basando en dar tratamientos si encuentran una determinada mutación en el tumor, pero no tienen en cuenta la cantidad de células que la contienen y, sobre todo, no pueden saber qué tipo de células son y cuál es su función. Así no solo es más difícil predecir su eficacia, también lo es evitar las recaídas de la enfermedad.

Otro ejemplo: no se conoce el tipo de células que dan origen a muchos tumores. En el caso del retinoblastoma, un cáncer hereditario, este análisis ha permitido identificar la pequeña población de células de la retina que lo inicia. Al aislarlas y estudiar su metabolismo, los investigadores han propuesto un tratamiento para prevenirlo. “Como los efectos se producen solo en estas células, no podíamos verlos cuando analizábamos el tejido completo del ojo”, explican.

Por qué somos como somos

Los potentes programas informáticos de estos análisis contribuirán también al desarrollo de la biopsia líquida, la posibilidad de detectar o seguir la evolución de un tumor a través de su rastro en la sangre. Y la tecnología ya se está empleando para estudiar con detalle la respuesta de nuestras defensas y qué tipo concreto de células actúan en la tan prometedora inmunoterapia contra el cáncer. Conocerlas es un paso clave para conseguir mejorarla.

“Podemos ver aquello que ni siquiera sabíamos que existía”, afirma Heyn

“Otras enfermedades que pueden beneficiarse de estas técnicas son las autoinmunes —afirma Heyn— porque todavía no sabemos qué tipo de células son las que producen los ataques”. Entre ellas están enfermedades inflamatorias como la de Crohn, el lupus o la esclerosis múltiple. “Y también servirá para saber en el alzhéimer qué tipo de células mueren en cada etapa”.

La visita termina con una declaración entusiasta en la que, sin embargo, es difícil encontrar impostación: “Estas técnicas nos permiten ver aquello que ni siquiera sabíamos que existía”, afirma Heyn. “Nos van a ayudar a estudiar la complejidad de la vida, a saber cómo estamos construidos. Y, una vez tengamos un atlas, podremos compararlo con aquello que falla, en nosotros y entre nosotros”.

¿Eran o no eran emocionantes los bloques de la sala inicial?

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Una máquina crea el genoma de un ser vivo artificial

Una máquina crea el genoma de un ser vivo artificial

Científicos del Instituto Tecnológico de Zurich han creado un algoritmo que abarata y hace más sencilla la síntesis química de genomas completos

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Muere el Nobel Sydney Brenner, el científico que revolucionó la biología con un gusano

El investigador sudafricano se considera uno de los más influyentes del siglo XX por sus trabajos en la regulación genética del desarrollo celular

Sydney Brenner nació en Sudáfrica en 1927 y ha muerto hoy, 92 años después, en Singapur. Durante la segunda mitad del siglo XX, fue protagonista de los hallazgos que revolucionaron la forma de entender el funcionamiento de los seres vivos; cómo convierten la información contenida en su ADN en los tejidos de sus órganos o en sus comportamientos.

En 2002, mucho más tarde de lo que quizá hubiesen merecido sus méritos, recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina. El motivo fue su aportación al conocimiento sobre cómo regulan los genes el desarrollo y la muerte de las células. Para conocer esos mecanismos eligió al gusano Caenorhabditis elegans, un diminuto organismo con solo 959 células, lo bastante simple para responder a preguntas científicas básicas. Ahora, cientos de científicos los utilizan en todo el mundo para responder todo tipo de preguntas sobre biología, y compañías como la valenciana Biopolis prueban en ellos sustancias que pueden ayudar a retrasar el envejecimiento o reducir la grasa corporal.

Brenner recibió el Nobel por su trabajo con el gusano, pero como recuerda el biólogo y expresidente del CSIC Carlos Martínez Alonso, “podría haberlo recibido por muchos otros motivos”. En 1952, llegó al laboratorio de Cambridge donde Francis Crick y James Watson estaban a punto de resolver la estructura del ADN y desde entonces no abandonó la vanguardia de la investigación biológica. Entre 1953 y 1966 participó en la edad dorada de la biología molecular, cuando se desvelaron los principales secretos del código genético y la producción de las proteínas.

Algunos de los descubrimientos que podrían haber valido un Nobel según Martínez son los que se refieren al código genético. Junto a su mentor Crick, Brenner probó que ese código requiere tres unidades de ADN para montar cada uno de los aminoácidos, los ladrillos con los que se fabrican las proteínas. En 1960, junto a Matthew Meselson y François Jacob, demostró la existencia del ARN mensajero, el intermediario encargado de llevar la información contenida en los genes hasta las factorías que producen proteínas en las células. Este hito también habría merecido el máximo galardón científico.

Muere el Nobel Sydney Brenner, el científico que revolucionó la biología con un gusano

A mediados de los 60, tras una década que lo cambió todo, Crick y Brenner decidieron que ya habían resuelto los problemas fundamentales de la herencia y la biología molecular. El científico sudafricano decidió dedicar su genio a tratar de resolver un problema aún más complejo: cómo los genes diseñan animales. Para asaltar el enigma, Brenner propuso utilizar como modelo un organismo que se pudiese cultivar en un laboratorio. El elegido fue el C. elegans, hasta entonces nunca empleado en investigación.

Además del desarrollo de un organismo a partir de sus genes, al científico le interesaba el funcionamiento del cerebro. El gusano tenía un sistema nervioso lo bastante simple como para tratar de identificar la relación entre su comportamiento y las conexiones entre sus neuronas. Pero incluso con un cerebro tan sencillo como el de C. elegans, esta última tarea resultó imposible, aunque el trabajo con este organismo produjo resultados fascinantes. Junto a dos de sus estudiantes, John Sulton y Robert Horvitz, con los que después compartiría el Nobel, fue capaz de definir los pasos por los que a partir de una sóla célula de un huevo se podía construir un adulto con 959 células. El gusano también fue el primer organismo pluricelular en ser secuenciado, un paso que sirvió en el camino para la secuenciación del genoma humano.

Brenner ha trabajado prácticamente hasta el final de sus días y la muerte le ha encontrado en Singapur, un país que ayudó a convertir en una potencia en investigación biomédica desde que empezó a asesorar a su Gobierno a principios de los 80. Hasta el final también siguió apoyando a los más jóvenes, porque son los únicos capaces de resolver los problemas nuevos. “Mi problema es que se demasiado para enfrentarme a algunos problemas. Soy un firme creyente en que la ignorancia es importante para la ciencia. Si sabes demasiado, empiezas a ver por qué las cosas no funcionarán. Por eso es importante cambiar de campo de trabajo, para acumular ignorancia”, decía al New York Times en el 2000.

Se ha ido Brenner, uno de los gigantes de la biología del siglo XX, y se le llorará, casi siempre con sinceridad. Los que lo hagan con lágrimas de cocodrilo serán perdonados por el científico sudafricano. Él, que lo hizo todo en biología, tuvo entre sus primeros empleos, según le contó un día Brenner a Martínez, el de plañidero.

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