Nano <i>Bio</i> Ciencia: La vuelta al sabio renacentista

La revolución que supuso la microelectrónica tuvo un fuerte impacto en su tiempo y su influjo aún nos sorprende en la actualidad. Todavía no hemos tenido un punto tan álgido en la nanotecnología, pero desde un punto de vista científico ambas revoluciones están enraizadas de manera muy diferente. La microelectrónica, aunque altamente influyente incluso en ámbitos sociales, se reduce a un ámbito científico muy pequeño: el área de la electrónica, que ni siquiera ocupa un área de conocimiento en la disciplina de la física. Por el contrario, la nanotecnología, se expande de manera que tiende a ocupar todas las disciplinas científicas. Es por ello que el científico que trabaja en nanotecnología necesariamente tiene que tener conocimientos generales y actualizados de todo; aparte de, por supuesto, especializados en los problemas a los que se dedica.

Todo debe de estar relacionado, aunque de momento no entendamos cómo. Los científicos hoy seguimos suscribiendo esta idea

El sabio renacentista, además del afán por recuperar todo el conocimiento del mundo clásico y medieval, perseguía entenderlo e interrelacionarlo. Ya Galileo, con su famoso principio de relatividad, hizo un esfuerzo increíble para la época: conectar conceptos dentro de la física, que era la ciencia natural más desarrollada de aquel tiempo. Fue una época en la que la mentalidad científica empezaba a asumir la idea de continuidad en el saber: todo debe de estar relacionado, aunque de momento no entendamos cómo. Los científicos hoy seguimos suscribiendo esta idea. Un ejemplo que refleja esta mentalidad es el de la mecánica cuántica y la mecánica clásica. Muchos esfuerzos de científicos teóricos han estado dirigidos a poder relacionar ambas áreas de la física, y a día de hoy no han sido suficientes. Otro ejemplo de objetivo que muchos físicos persiguen hoy es el de poder relacionar la teoría de la gravitación de Einstein con la teoría cuántica. La ciencia está hoy altamente especializada, lo cual implica que es muy difícil tener, por ejemplo, conocimientos altamente detallados de biología molecular y de física cuántica. Pero las fronteras se están empezando a desdibujar, de tal manera que el científico de hoy necesita volver al ideal del sabio renacentista. El mejor ejemplo lo tenemos en la Nano bio ciencia, auspiciada en España en centros como IMDEA-Nanociencia, en donde ciencia, tecnología e interdisciplinariedad se dan hoy la "nano-mano".

Una primera impresión errónea que podemos arrastrar al adentrarnos en la nanociencia es el de asociarla a una o dos disciplinas de conocimiento. La nanotecnología es un concepto que por el hecho de construirse sobre la palabra "tecnología" parece implicar primordialmente las disciplinas de física e ingeniería. Sin embargo, no sólo la tecnología no es un asunto exclusivo de estas dos disciplinas, sino que también se da la circunstancia de que es justo en el ámbito nano donde esta exclusividad queda más en evidencia. La nanotecnología, al igual que la nanociencia, se construye sobre un escenario altamente interdisciplinario(1). La primera representa la investigación aplicada y la segunda, la base de fundamentos más directamente relacionada con la observación. La nanociencia es, desde la física, el estudio de todos aquellos fenómenos situados en una escala mesoscópica, distinta de la macroscópica en que no está regida únicamente por comportamientos promedio, y distinta, al mismo tiempo, de la microscópica-cuántica -que ¡cuidado!, no es micro sino sub-nano- por no ser las fluctuaciones un ingrediente a nivel de principios. En la escala mesoscópica los comportamientos promedio existen pero están altamente afectados por las fluctuaciones, que tienen un origen determinista, y que constituyen una parte integral del comportamiento de los sistemas físicos. Desde un punto de vista biológico, la nanociencia está situada en y por debajo del nivel celular.

Figura 1

Las ramas de la biología estructural, molecular y genética están claramente imbuidas en los objetivos de la escala nano de la ciencia. La nanotecnología se ha constituido como el brazo ejecutor y recombinante de todos los desarrollos a nivel nanométrico, y desde este prisma, su futuro está prácticamente por describir. Ni la biología es solamente un ámbito en donde se extienden las aplicaciones de la tecnología nano, ni la nanotecnología representa solamente las clásicas disciplinas de conocimiento filtradas a la escala nanométrica. Ocurre hoy que en la escala nano se está dando el espacio de encuentro científico con el mayor grado de interrelación entre disciplinas de conocimiento dispares. Un ejemplo de ello es el estudio de biomáquinas moleculares, como la del experimento representado en la figura 1.

La Nano bio ciencia, auspiciada en España en centros como IMDEA-Nanociencia, en donde ciencia, tecnología e interdisciplinariedad se dan hoy la "nano-mano"

La necesidad de intrincar, en la resolución y planteamiento de un problema, aspectos tan diferentes de áreas de la física, la química, la ingeniería y las ciencias de la computación, está llegando más allá de la depuración o diseño de tecnologías y técnicas experimentales más o menos complejas. En este sentido, la biología a nivel molecular y celular, no sólo se está beneficiando de este nuevo enfoque, sino que está aportando por sí misma un laboratorio único de fenómenos en la escala nanométrica. Piénsese sólo que la célula es una fuente "hasta hace unos años casi inadvertida" de modelos para el desarrollo de la nanotecnología, y que estos han sido labrados bajo la eficiente tutela de la evolución.

La investigación en biología se está haciendo más cuantitativa, las técnicas se sofistican progresivamente y los descubrimientos que se realizan se sitúan cada vez más en la intersección de lo que antes eran consideradas disciplinas separadas. Sorprende también que la investigación fundamental en la biología de dicha intersección esté teniendo consecuencias y proponiendo aplicaciones relativamente inmediatas en nanotecnología.

En el Instituto IMDEA-Nanociencia, se trabaja en el campo de la Biofísica Molecular y Celular, adentrándose en el estudio de las macromoléculas que componen la maquinaria de las células. El laboratorio de Nanomanipulación (véase detalle en la figura 2) intenta ir más allá de la comprensión de las moléculas de la vida como sustancias bioquímicas. Asomándose a la célula con perspectiva física puede llegar a ver, por un lado, que el citoplasma es un medio enormemente condensado en donde las estructuras moleculares como las proteínas motoras, cromosomas, ribosomas, poros nucleares, canales de membrana, huso acromático y centrómero, anillo contráctil, etc., deben funcionar como si de una orquesta se tratasen.

Muchas de estas estructuras están presentes en números notablemente pequeños, cada una trabajando individualmente y sujetas a grandes fluctuaciones que son, en muchos casos, una parte integral de su función. Las moléculas biológicas han sido estudiadas tradicionalmente con métodos bioquímicos de volumen, donde un gran número de ellas son analizadas simultáneamente. Estos experimentos macroscópicos proporcionan promedios poblacionales y temporales de las características individuales de cada molécula. El conjunto de propiedades deterministas y de variación lenta así obtenidas dan lugar a una imagen idealizada, esto es, moléculas con dinámicas lentas y bien definidas.

Figura 2

Pero al nivel de molécula individual, la imagen es bien diferente: se las puede encontrar en estados lejos del comportamiento promedio de la población, y sus dinámicas instantáneas son rápidas y altamente aleatorias. A este nivel de detalle, la imagen macroscópica falla y la descripción mesoscópica se hace necesaria⁽²⁾.

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[1] Gershon, D. (2000). Pushing the frontiers of interdisciplinary research: an idea whose time has come. Nature 404:313-315, 2000.
[2] Hormeño, S., and Arias-Gonzalez, J.R. (2006). Exploring mechanochemical processes in the cell with optical tweezers. Biol. Cell 98:679-695.
Figura 1: Esquema del estudio de un motor molecular que opera sobre ADN, como puede ser una polimerasa. Los motores moleculares son nanomáquinas biológicas que realizan un trabajo mecánico consumiendo, típicamente, energía química y de las fluctuaciones térmica. En el experimento representado, el ADN se engancha entre dos microesferas. La microesfera superior está sostenida por Pinzas Ópticas, que permiten manipular por medio de láseres macromoléculas biológicas, y medir en tiempo real las fuerzas ultrapequeñas que desarrollan, así como los subsecuentes desplazamientos nanométricos.
Figura 2: Laboratorio de Nanomanipulación Óptica del Dr. J. Ricardo Arias-González, en IMDEA-Nanociencia. Detalle del instrumento de "Pinzas Ópticas", con el que se miden las fuerzas ultrapequeñas realizadas por motores moleculares.