Predicción de la estructura de las proteínas mediante IA

La solución a un problema que ha tenido en jaque a los científicos durante casi 50 años es, para Science, el descubrimiento más destacado de 2021.

Utilizando un algoritmo de inteligencia artificial (AlphaFold, de la empresa británica Deepmind), los científicos han logrado predecir la compleja estructura tridimensional que adopta una cadena de aminoácidos al plegarse para dar lugar a una proteína funcional.

“Esto supone un avance en dos frentes”, explica el editor jefe de Science, Holden Thorp, “primero porque resuelve un problema que ha traído de cabeza a los investigadores durante casi medio siglo; y, segundo, porque va a convertirse en una herramienta revolucionaria que incrementará el desarrollo científico, como en su día lo fueron CRISPR o la criomicroscopía electrónica”.

Las proteínas son consideradas los ladrillos fundamentales de la vida, y su funcionalidad depende directamente de la estructura tridimensional que adopten. En el pasado, determinar su estructura requería tiempo y el uso de complejos y costosos procesos de laboratorio.

Pero este año, dos artículos simultáneos publicados en Nature y Science presentaron los algoritmos de aprendizaje automático AlphaFold y RoseTTA- Fold. Ambos resuelven el “problema del plegamiento de proteínas”, demostrando que pueden determinar la estructura en la que se pliega una proteína basándose solo en los aminoácidos que contiene. Todo un hito histórico en biotecnología.

Los autores han hecho pública la base de datos con los modelos de predicciones, que está disponible para aquellos investigadores o investigadoras que quieran usarla.

Dos avances para luchar contra la covid-19

Las vacunas están teniendo un papel crucial para frenar la pandemia, pero un nuevo actor se ha unido a ellas: los antivirales, que previenen los síntomas y la muerte si se toman en una fase temprana de la infección. Se ha informado de resultados positivos con PF-07321332 de Pfizer y Molnupiravir de Merck, y algunos genéricos como la fluvoxamina (usada en el tratamiento del trastorno obsesivo-compulsivo) también podrían resultar útiles, pero se sigue investigando.

Estos antivirales representan otro de los logros del año para la revista Science, que apunta uno más en este campo: el desarrollo de medicamentos basados en anticuerpos monoclonales, ya que ayudan a luchar contra el SARS-CoV-2 y otros virus, como el VIH. Para fabricarlos se aíslan los anticuerpos más potentes de animales de laboratorio y humanos, y luego se reproducen en cantidades masivas.

En el caso de la covid-19, su objetivo es la proteína de la espiga o S del coronavirus (que este utiliza para entrar en las células humanas), impidiendo así su función. 

Algunos ejemplos son los medicamentos Ronapreve y Regkirona, que en noviembre la Comisión europea consideró como opciones terapéuticas prometedoras, o casirivimab e imdevimab, recomendados por la OMS en ciertos casos. Si se utilizan en las primeras etapas de la infección, reducen significativamente la hospitalización y las muertes en pacientes con riesgo de covid grave.

Nuevas medidas de muon que desafían el modelo estándar

En abril de 2021 se publicaron las conclusiones del experimento Muon g-2, llevados a cabo en el laboratorio estadounidense Fermilab.

Los resultados generaron un gran revuelo en la comunidad científica al mostrar que los muones —partículas fundamentales 200 veces más masivas que el electrón— se comportan de una forma distinta a la que predice el modelo estándar de física de partículas, lo que parece insinuar que están interaccionando con otras partículas o fuerzas desconocidas.

Sin embargo, los datos combinados de Fermilab y un experimento anterior, realizado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE UU), muestran una discrepancia con la teoría que presenta una desviación estándar o significación de 4,2 sigma, un poco menos de las 5 sigma que los científicos requieren para afirmar un verdadero descubrimiento.

Aun así, es una señal convincente de nueva física. Según los investigadores, la probabilidad de que los resultados sean una fluctuación estadística es de aproximadamente 1 entre 40.000.

El análisis de los datos del segundo y tercer run —período de ejecución— de Muon g-2 ya se está realizando, la cuarta fase está en curso, y hay prevista una quinta. La combinación de los resultados de las cinco ejecuciones proporcionará a los científicos una medición aún más precisa del bamboleo del muon, revelando con mayor certeza si efectivamente se esconden fuerzas o física desconocida dentro de la espuma cuántica. 

Observaciones sísmicas del interior de Marte

En julio de 2021 se publicaron los primeros datos del módulo de aterrizaje Insight de la NASA, diseñado para recoger la actividad sísmica del planeta rojo.

Los editores de Science lo han elegido entre los hitos más representativos de la ciencia en este año porque Insight ha proporcionado información clave sobre la estructura interna y composición del cuarto planeta del sistema solar. 

Las ondas sísmicas mostraron que el planeta rojo tiene una fina corteza, un manto poco profundo y un núcleo líquido inusualmente grande. Los nuevos datos ofrecen pistas sobre cómo se formó Marte hace miles de millones de años y cómo ha evolucionado a su estado actual. 

Insight cuenta con participación española en su estación medioambiental TWINS, diseñada por el Centro de Astrobiología.

Obtención de ADN humano antiguo en sedimentos

Hace poco más de una década, el sueco Svante Pääbo revolucionaba el campo de la paleontología fundando la paleogenómica, el análisis de ADN antiguo a partir de restos fósiles.

Pero, como destaca Science, en 2021 se ha demostrado que ya no son imprescindibles esos restos humanos fósiles para secuenciar el ADN, si no que basta con analizar el sedimento de una cueva prehistórica para identificar a sus antiguos pobladores.

Gracias a esta técnica, el equipo liderado por Benjamin Vernot, del Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva (Alemania), ha conseguido obtener ADN mitocondrial y ADN nuclear de varios individuos neandertales —de los que no existen restos fósiles— en dos yacimientos de los montes Altai, en Siberia, y en la Galería de las Estatuas de la Cueva Mayor de la Sierra de Atapuerca (Burgos).

Aplicación in vivo de la técnica CRISPR

Las aplicaciones de la técnica de edición genética CRISPR-Cas9, —que valió a sus creadoras el Nobel de Química en 2020— no paran de aumentar. Hasta ahora, todos los tratamientos que usaban estas tijeras genéticas eran ex vivo, es decir, administrados en una muestra en el laboratorio. La revista Science destaca que este año se ha dado un paso más aplicando la tecnología CRISPR directamente en el cuerpo, in vivo. 

Para luchar contra la amiloidosis hereditaria mediada por transtiretina (AhTTR), una enfermedad en la que una proteína TTR mal plegada se acumula y daña los nervios y el corazón, investigadores de Intellia Therapeutics y Regeneron Pharmaceuticals (EE UU) administraron a seis pacientes diminutas bolas de grasa que con un ARN guía y las instrucciones de una enzima CRISPR para cortar el gen defectuoso, y funcionó. Al cabo de cuatro semanas, los niveles medios de TTR en sangre se redujeron un 52 % o un 87 %, según la dosis, según informaron en The New England Journal of Medicine.

En otra investigación, científicos de Editas Medicine (EE UU) inyectaron un virus inofensivo portador de ADN CRISPR en los ojos de seis adultos con un trastorno hereditario de la visión denominado amaurosis congénita de Leber, y al cabo de unos meses dos pacientes, que habían estado casi completamente ciegos, podían percibir más luz y uno de ellos pudo correr una carrera de obstáculos con poca luz.

El desarrollo exitoso de este tipo de terapia puede sentar las bases para el tratamiento de multitud de dolencias de origen genético, aunque estas investigaciones se encuentran todavía en una fase incipiente.

La ‘cría’ de embriones abre ventanas en el desarrollo temprano

El conocimiento de las primeras etapas del desarrollo embrionario ayuda a entender los abortos espontáneos y los defectos congénitos, así como a perfeccionar los protocolos de fecundación in vitro, pero limitaciones legales y éticas restringen el estudio con embriones humanos. 

Este año, la comunidad científica ha avanzado en posibles soluciones. En marzo un equipo consiguió alargar hasta 11 días (en lugar de 3 o 4 como hasta ahora) la vida de embriones de ratón extraídos de la madre. El paso clave es girar los frascos donde están, como si fuera una noria, de tal forma que los nutrientes llegan mejor. Los embriones se sometieron a una etapa de reorganización celular y les crecieron algunos órganos y las patas traseras. 

Otros equipos crearon réplicas de blastocisto (una etapa embrionaria crucial) a partir de células madre embrionarias humanas o bien células adultas reprogramadas. Estos trabajos permitirán comprender mejor los defectos del desarrollo temprano y a avanzar en nuevas terapias de reproducción asistida. No son embriones reales, pero ayudan en la investigación y son menos controvertidos. 

En 2021, la organización internacional que establece las directrices para la investigación con células madre también ha relajado la prohibición de cultivar embriones humanos en el laboratorio durante más de 14 días, lo que facilita su estudio más allá de esas dos semanas.

Drogas psicodélicas para tratar el estrés postraumático

El trastorno de estrés postraumático es una dolencia psiquiátrica que afecta a la vida de cientos de millones de personas al año. El poder de alteración de la mente de las drogas psicodélicas ha suscitado la esperanza de que puedan aliviar enfermedades psiquiátricas como esta, pero pocos ensayos grandes y rigurosos han demostrado su eficacia.

En este contexto, en mayo se publicó un estudio que destaca la utilidad y efectividad de drogas recreativas actualmente ilegales, como el MDMA —éxtasis— o el alucinógeno psilocibina. Estas sustancias, combinadas con terapia conversacional, pueden crear una sensación de bienestar y empatía que ayude a las personas a procesar sus experiencias traumáticas

En noviembre, la empresa británica COMPASS Pathways anunció también los resultados positivos de un ensayo aleatorio realizado con psilocibina, un compuesto obtenido de las setas con potencial para ser aplicado en personas con depresión resistente al tratamiento. En cualquier caso, las investigaciones sobre todos estos controvertidos compuestos y el debate sobre su regulación continúa. 

Resultado inesperado en fusión nuclear

Este año se ha producido un resultado en la National Ignition Facility (NIF, en EE UU) que sorprendió a sus propios investigadores: una reacción de fusión que se acercó como nunca antes al ‘punto de equilibrio’ oficial, aquel en el que una reacción produce más energía que la que necesita el láser para encenderla.

La fusión nuclear, que alimenta al Sol y otras estrellas, se considera como una futura solución a los problemas energéticos de la Tierra, pero conseguir las enormes presiones y temperaturas que requiere es extremadamente difícil. Muchos esfuerzos se centran en confinar un plasma supercaliente en un campo magnético mediante enormes electroimanes, como en el ITER que se está construyendo en Francia.

Lo que utiliza el NIF es el pulso del láser de mayor energía del mundo para comprimir una cápsula del tamaño de un grano de pimienta con isótopos de deuterio y tritio. A principios de este año, este método generó 170 kilojulios de energía de fusión por disparo, muy por debajo de la entrada del láser de 1,9 megajulios, pero otro ‘tiro’ el 8 de agosto lo aumentó a 1,35 megajulios.

Este buen resultado, destacado también por Science, todavía no ha sido analizado por una revista científica y los investigadores tratan de entenderlo e incluso mejorarlo. Varios expertos predicen que lograrán generar energía mucho antes que el ITER, que tiene en frente a otros proyectos de fusión nuclear (Commonwealth Fusion Systems, Tokamak Energy, General Fusion y TAE Technologies Energy) que también han presentado avances en 2021.