El mundo a pequeña escala –que incluye cromosomas, estructuras subcelulares, proteínas, y metabolitos, entre otros– es estudiado por biólogos moleculares como Edith Heard (Londres, 1965), directora general del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) desde 2019, que proporciona servicios e infraestructuras en varias sedes del continente, una de ellas Barcelona.

Desde los laboratorios de esta organización intergubernamental, los científicos observan en condiciones muy controladas cómo se desarrollan los seres vivos partiendo de las partículas más pequeñas. Con los rayos X y la criomicroscopía electrónica ­(cryo-EM), inventada por Jacques Dubochet de la Organización Europea de Biología Molecular (EMBO, por sus siglas en inglés) –por lo que obtuvo el premio Nobel en 2017 junto a otros científicos–, analizan las estructuras de ADN, ARN y las proteínas. Con los procesos químicos entienden las vías metabólicas, y con la informática estudian las variaciones, incluso de los genomas y sus modificaciones epigenéticas.

Sin embargo, según la experta genetista, los biólogos moleculares pasan a menudo por alto estas variaciones genéticas y cómo influyen las fluctuaciones ambientales en las respuestas fisiológicas y de comportamiento tanto de individuos como de poblaciones de organismos y ecosistemas. Es decir, su enfoque muchas veces les impide ver la imagen más completa de la vida, aquella que sucede fuera de los centros de investigación.

A pesar de contar con más herramientas moleculares que nunca para llegar a una comprensión más profunda de la vida, “esta no ocurre en condiciones aisladas de laboratorio, sucede fuera, en el mundo real”, comenta a SINC Heard.

En su opinión, los biólogos moleculares y celulares deben volver al mundo para estudiar la vida en su contexto natural. “Nos dimos cuenta de que en realidad si queremos entender la vida y cómo se adaptan y evolucionan los organismos y por qué hay variaciones que no están definidas genéticamente teníamos que capturar los componentes que de costumbre no probamos: el medioambiente”, continúa la bióloga.

A pesar de que en las últimas décadas se han hecho notables descubrimientos moleculares en organismos modelo, desde bacterias hasta animales en condiciones de laboratorio, los seres vivos no existen de forma aislada. Desde el plancton de los océanos hasta las bacterias del intestino humano, todos los organismos de la naturaleza forman parte de un ecosistema complejo y dinámico, y viven en comunidad con otros organismos, en entornos físicos y químicos.

Por eso surgió en unas reuniones prepandemia la idea de poner en marcha el programa llamado Moléculas a los Ecosistemas con un objetivo: avanzar en la comprensión de los ecosistemas a escala molecular y estudiar la vida en su contexto. El proyecto, lanzado a principios de año y que se llevará a cabo de 2022 a 2026, ayudará a ampliar lo que sabemos sobre la vida en la Tierra y proporcionar nuevos medios para abordar los principales retos mundiales.

Un viaje a la vida de los ecosistemas

En su viaje a bordo del HMS Beagle, Charles Darwin (1809-1882) recolectó datos como los biólogos moleculares actuales, pero también observó, dibujó, escribió y después trató de entender y dedicó mucho tiempo en trabajar con esa información explorando posibles hipótesis. Incluso su jardín le sirvió de experimento. El resultado fue su teoría de la selección natural.

El naturalista británico le sirve a Edith Heard de ejemplo para mostrar la necesidad de estudiar el complejo mundo natural, que inspiró a Darwin en sus teorías. Ahora los biólogos moleculares se centran en organismos específicos aislados en laboratorios y en entornos cuidadosamente controlados que tienen el menor número posible de variables.

“Sin duda, esto ha dado lugar a descubrimientos impresionantes: las vacunas de ARN contra la covid-19, la bioluminiscencia para controlar los tumores, la secuenciación genómica para producir mejores cultivos, etc.”, subraya Heard en un artículo de opinión publicado en Nature.

Sin embargo, “en la actualidad no hay biólogo que piense en la evolución cada día y aun así no existía en la época de Darwin la biología molecular. Ahora podemos probar algunas de las teorías que se han establecido hace mucho tiempo, y lo que es más apasionantes es que podemos crear nuevas hipótesis”, indica Heard.

Los científicos entienden cuándo crecen bacterias en un tubo de ensayo y dónde se desarrollan diferentes tipos en cultivos a diferentes velocidades al observarlo en laboratorio. Pero todo eso sucede también en la vida real. “Así que si realmente queremos comprender y alcanzar nuevas hipótesis de por qué las cosas ocurren necesitamos todas las herramientas moleculares. Es una oportunidad de hacerlo a una escala mucho mayor y hacerlo en colaboración con estados miembros”, subraya.

El nuevo programa ampliará el alcance del EMBL para estudiar las bases moleculares de la vida en el contexto de los entornos cambiantes, en los ecosistemas. Esto podría transformar nuestra comprensión de la vida en la Tierra e informar sobre posibles soluciones para algunos de los mayores retos de la sociedad, como la pérdida irreversible de biodiversidad, la resistencia a los antimicrobianos, la contaminación, el cambio climático, la seguridad alimentaria y los patógenos emergentes.

Responder a los retos planetarios con biología

Para desarrollar el proyecto, los científicos tuvieron en cuenta primero qué áreas ya estaban cubiertas como la biología celular, biología estructural, biología del desarrollo, genómica, biología de los tejidos, biología neural, etc., y quisieron construir algo nuevo. Además de la biología de las enfermedades infecciosas, entre las ideas que surgieron en los diferentes países europeos fue la de desarrollar la biología planetaria.

“En lo que a nosotros respecta no hay plan B, seguimos el plan A y tiene que ser este. Partimos de la experiencia donde ya habíamos explorado algunos ecosistemas como la biodiversidad de los océanos, como el proyecto Tara Oceans. Con esta biología planetaria daríamos un paso más para estudiar por ejemplo las regiones costeras, las interfases de suelo y agua”, explica Heard.

“Queríamos explorar esto de una manera muy sistemática en colaboración con socios europeos yendo a muestrear la genómica y los procesos químicos y físicos y repetirlo varias veces en el año, mañana y noche, Así seremos capaces de establecer conjuntos de datos que integran diferente tipo de información”, agrega.

Otra área que se desarrollará con el programa es la de ecosistemas microbianos. “Hay mucha gente trabajando en saber cómo los microbios de nuestra tripa influyen en nuestra salud. Con el nuevo programa queremos dar un paso más: estudiarlas en otras partes del cuerpo, en el suelo, los océanos…”, revela la directora general.

El desarrollo de tecnologías y herramientas permitirán capturar cómo estas comunidades microbianas evolucionan y cómo se enfrentan, por ejemplo, a retos como el cambio climático, y al aumento de las temperaturas. “Muchas veces son los microbios los más afectados y sufrirán el impacto de un cultivo que no sobrevive o de la destrucción del suelo”, detalla.

Por otra parte, el proyecto permitirá analizar los ecosistemas humanos, es decir, cómo las personas y su medioambiente interactúan: las toxinas que absorbemos, las variaciones químicas y físicas a las que estamos expuestos, así como los microbios y patógenos con los que nos cruzamos en el contexto en el que vivimos.

“Los humanos influyen a otros humanos e incluso a poblaciones así que la sociedad es como un ecosistema humano. Los epidemiólogos han recopilado cohortes de datos humanos de poblaciones expuestas por ejemplo a ciertos tipos de toxinas, del humo del tabaco, etc.”

Desde el laboratorio se tratarán todos los datos; desde la producción, el procesamiento, el almacenamiento, el análisis y el uso para hacer experimentos. Los resultados servirán de modelos para muchos otros institutos científicos europeos, y permitirán alcanzar teorías.

“Es posible que los científicos estén ahora un poco obnubilados por los datos y por eso no van un paso adelante. Necesitamos teóricos, matemáticos y físicos que quieran coger los datos que producimos o trabajamos y producirlos bien y llegar a nuevos enfoques que puedan formalizar lo que está pasando en realidad”, sostiene Heard.

“De alguna manera, algunos de los grandes pasos en ciencia se han dado gracias a estos enfoques teóricos tanto en física, como en biología. Necesitamos volver a ellos si queremos que este programa tenga éxito”.

Una nueva forma de trabajar: laboratorios móviles

Para lograrlo, el centro europeo cuenta con la colaboración de ecólogos, zoólogos, científicos medioambientales y epidemiólogos, entre otros, para poner en marcha laboratorios móviles con tecnologías moleculares de vanguardia y así explorar las interfaces tierra-agua en toda Europa, las zonas que albergan contaminantes y los focos de resistencia antimicrobiana.

“Es muy curioso porque fue la primera idea que tuvimos con este nuevo programa hace tres años cuando empezamos a hablar de ello. Nos dimos cuenta de que si queremos entender la vida en su contexto tenemos que ir donde está. No puedes recogerla y traerla de vuelta al laboratorio”, comenta a SINC la directora general.

El equipo de Heard empezó inmediatamente a hablar de laboratorios móviles –contenedores o camiones–. Al necesitar financiación, contaron con la ayuda de los estados miembro, pero antes probaron cómo funcionaría. Por ello, desarrollaron un proyecto piloto.

“Conseguimos unas pequeñas furgonetas y las llenamos con equipo como microscopios para ver las moléculas en gran detalle y alta resolución, y otros para congelar las muestras con una técnica llamada criomicroscopía electrónica”, dice la científica, para quien es una buena manera que esta tecnología a la que no todos tienen acceso, y menos in situ, pueda ser usada por diferentes investigadores.

La prueba piloto se realizó en la Estación Zoológica de Nápoles, en Italia. “Los científicos fueron con las furgonetas y hubo una interacción impresionante porque los investigadores que estaban ahí –muchos de ellos no eran biólogos moleculares– y aprendieron no solo el modo de hacer las cosas, sino que se establecieron nuevas colaboraciones”.

Para el laboratorio europeo, este sistema de trabajo es la mejor manera de llevar la tecnología y el conocimiento a todos los que lo necesitan y hacerlo de forma creativa y colaborativa. El programa se convierte así en el punto de partida para empezar a desarrollar nuevas tecnologías. “No queremos solo hacer experimentos en los lugares de costa, por ejemplo. Necesitamos recrear estos ecosistemas en los laboratorios, y para ello necesitamos tecnología especial”, recalca Heard.

Según la experta, el nuevo proyecto servirá, además, de catalizador o desencadenante para muchos otros institutos. “Es muy emocionante y creo que es necesario porque llegamos a un punto donde la biología molecular es muy poderosa, pero no está siendo lo suficientemente utilizada”.

La directora cree que gracias al programa se podrán coordinar, integrar y liderar iniciativas únicas y este servirá de puente entre la biología molecular y otras disciplinas como la ecología, la epidemiología, la toxicología, la ingeniería y la teoría matemática, entre otras. Solo así, aportando una multitud de enfoques y soluciones creativas, se podrá hacer frente a los restos medioambientales actuales.