El año en biología

Nuestros recuerdos son la piedra angular de nuestra identidad. Su importancia es en gran parte lo que hace que la enfermedad de Alzheimer y otras formas de demencia sean tan crueles y conmovedoras. Es por eso que hemos esperado tan desesperadamente que la ciencia proporcione una cura para el Alzheimer, y por eso es tan frustrante y trágico que tratamientos útiles hayan tardado en surgir. Por eso, en septiembre se anunció con gran entusiasmo que un nuevo fármaco, el lecanemab, había frenado la progresión de la enfermedad en ensayos clínicos. Si es aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos, lecanemab se convertirá en apenas el segundo tratamiento para el Alzheimer que contrarresta la proteína beta amiloide, que se supone que es la causa de la enfermedad. 

Sin embargo, los efectos del lecanemab son tan marginales que los investigadores debaten si el fármaco realmente marcará una diferencia práctica para los pacientes. El hecho de que lecanemab destaque como un punto positivo habla de lo deprimente que ha sido gran parte de la historia de la investigación sobre tratamientos para el Alzheimer. Mientras tanto, una comprensión más profunda de la biología en juego está alimentando el interés en las principales teorías alternativas sobre las causas de la enfermedad.

Las especulaciones sobre cómo funciona la memoria son al menos tan antiguas como Platón, quien en uno de sus diálogos socráticos escribió sobre “el don de la Memoria, la madre de las Musas”, y comparó su funcionamiento con un sello de cera en el alma. Podemos estar agradecidos de que la ciencia haya mejorado enormemente nuestra comprensión de la memoria desde la época de Platón: fuera los sellos de cera y ahora los “engramas” de cambios en nuestras neuronas. Sólo en el último año, los investigadores han logrado avances emocionantes hacia el aprendizaje de cómo y dónde residen en el cerebro diferentes aspectos de nuestros recuerdos. Lo más sorprendente es que incluso han encontrado mecanismos bioquímicos que distinguen los buenos recuerdos de los malos.

Como somos criaturas con cerebro, a menudo pensamos en la memoria en términos puramente neurológicos. Sin embargo, un trabajo publicado a principios de 2022 por investigadores del Instituto de Tecnología de California sugiere que incluso las células individuales de los tejidos en desarrollo pueden contener algunos registros de la historia de su linaje. Estas células madre parecen depender de esa información almacenada cuando se enfrentan a decisiones sobre cómo especializarse en respuesta a señales químicas. Los avances en biología durante el año pasado también revelaron muchas otras sorpresas, incluida información sobre cómo el cerebro se adapta a la insuficiencia alimentaria prolongada y cómo las células migratorias siguen un camino a través del cuerpo. Vale la pena recordar lo mejor de ese trabajo antes de que las revelaciones del próximo año nos den nuevamente una nueva perspectiva de nosotros mismos.

Muchas personas relacionadas con la enfermedad de Alzheimer, ya sea a través de la investigación o mediante vínculos personales con los pacientes, esperaban que 2022 fuera un año excepcional. Los principales ensayos clínicos finalmente revelarían si dos nuevos medicamentos que abordan la causa raíz percibida de la enfermedad funcionaron. Desafortunadamente, los resultados no estuvieron a la altura de las expectativas. Uno de los medicamentos, lecanemab, mostró potencial para retardar levemente el deterioro cognitivo de algunos pacientes, pero también se relacionó con efectos secundarios a veces fatales; el otro, gantenerumab, se consideró un rotundo fracaso. 

Los resultados decepcionantes coronan tres décadas de investigación basada en gran medida en la teoría de que la enfermedad de Alzheimer es causada por placas de proteínas amiloides que se acumulan entre las células cerebrales y las matan. Sin embargo, cada vez hay más pruebas que sugieren que el amiloide es sólo un componente de un proceso de enfermedad mucho más complejo eso implica inflamación dañina y mal funcionamiento en la forma en que las células reciclan sus proteínas. La mayoría de estas ideas han existido desde hace tanto tiempo como la hipótesis del amiloide, pero apenas están comenzando a recibir la atención que merecen.

De hecho, las agregaciones de proteínas alrededor de las células están empezando a parecerse a una fenómeno casi universal en los tejidos envejecidos y no una condición peculiar del amiloide y la enfermedad de Alzheimer, según un trabajo realizado por investigadores de la Universidad de Stanford que se anunció en una preimpresión la primavera pasada. La observación puede ser una prueba más de que el empeoramiento de los problemas con la gestión de proteínas puede ser una consecuencia rutinaria del envejecimiento de las células.

Los neurocientíficos saben desde hace tiempo mucho sobre cómo se forman los recuerdos, en principio. Sabían que a medida que el cerebro percibe, siente y piensa, la actividad neuronal que da lugar a esas experiencias fortalece las conexiones sinápticas entre las neuronas involucradas. Esos cambios duraderos en nuestros circuitos neuronales se convierten en registros físicos de nuestros recuerdos, lo que permite reevocar los patrones eléctricos de nuestras experiencias cuando son necesarios. Sin embargo, los detalles exactos de ese proceso han sido crípticos. A principios de este año, eso cambió cuando investigadores de la Universidad del Sur de California describieron una técnica para visualizando esos cambios tal como ocurren en un cerebro vivo, que utilizaron para observar a un pez aprender a asociar el calor desagradable con una señal luminosa. Para su sorpresa, si bien este proceso fortaleció algunas sinapsis, eliminó otras. 

El contenido informativo de un recuerdo es sólo una parte de lo que almacena el cerebro. Los recuerdos también están codificados con una “valencia” emocional que las categoriza como una experiencia positiva o negativa. El verano pasado, los investigadores informaron que los niveles de una sola molécula liberada por las neuronas, llamada neurotensina, parecen actuar como señales de ese etiquetado. 

La vida en la Tierra comenzó con la primera aparición de células hace aproximadamente 3.8 millones de años. Pero, paradójicamente, antes de que existieran las células, debió haber grupos de moléculas que hacían cosas sorprendentemente realistas. Durante la última década, investigadores en Japón han estado realizando experimentos con moléculas de ARN para aprender si un solo tipo de molécula replicante podría evolucionar hacia una multitud de replicadores diferentes, como los investigadores sobre el origen de la vida han teorizado que debe haber sucedido en la naturaleza. Los científicos japoneses descubrieron que esta diversificación se produjo, con varias moléculas coevolucionando hacia huéspedes y parásitos competitivos que subían y bajaban en dominio. En marzo pasado, los científicos informaron de un nuevo descubrimiento: las diversas moléculas habían comenzado a trabajar juntas en un ecosistema más estable. Su trabajo sugiere que los ARN y otras moléculas del mundo prebiótico también podrían haber coevolucionado para sentar las bases de la vida celular.

La autorreplicación suele considerarse el primer paso esencial en cualquier hipótesis sobre el origen de la vida, pero no tiene por qué serlo. Este año, Nick Lane y otros biólogos evolutivos continuaron encontrando evidencia de que antes de que existieran las células, sistemas de “proto-metabolismo” En los materiales porosos cercanos a los respiraderos hidrotermales podrían haber surgido complejos conjuntos de reacciones energéticas.

¿Cómo crece un único óvulo fertilizado hasta convertirse en un cuerpo humano adulto con más de 30 billones de células en más de 200 categorías especializadas? Es el misterio por excelencia del desarrollo. Durante gran parte del siglo pasado, la explicación predominante ha sido que los gradientes químicos establecidos en varias partes del cuerpo en desarrollo guían a las células hacia donde son necesarias y les dicen cómo diferenciarse en los constituyentes de la piel, los músculos, los huesos, el cerebro y otros. órganos. 

Pero los productos químicos ahora parecen ser sólo una parte de la respuesta. Trabajos recientes sugieren que, si bien las células utilizan pistas de gradientes químicos para guiar su navegación, también siguen patrones de tensión física en los tejidos que los rodean, como equilibristas cruzando un cable tenso. La tensión física hace más que decirle a las células adónde ir. Otro trabajo publicado en mayo mostró que las fuerzas mecánicas dentro de un embrión también ayudan a inducir conjuntos de células para convertirse en estructuras específicas, como plumas en lugar de piel.

Mientras tanto, los biólogos sintéticos (investigadores que adoptan un enfoque de ingeniería para el estudio de la vida) lograron avances importantes en la comprensión de los tipos de algoritmos genéticos que controlan cómo las células se diferencian en respuesta a señales químicas. Un equipo de Caltech demostró una red artificial de genes que podría transformar de manera estable las células madre en varios tipos de células más especializadas. No han identificado cuál es el sistema de control genético natural de las células, pero el éxito de su modelo demuestra que cualquiera que sea el sistema real, probablemente no necesite ser mucho más complicado.

El cerebro es el órgano del cuerpo que más energía necesita, por lo que tal vez no sea sorprendente que la evolución haya ideado una estrategia de emergencia para ayudar al cerebro a afrontar largos períodos de deficiencia alimentaria. Investigadores de la Universidad de Edimburgo descubrieron que cuando los ratones tienen que sobrevivir con raciones escasas durante semanas enteras, sus cerebros empiezan a funcionar en el equivalente a un modo “bajo consumo”. 

En este estado, las neuronas de la corteza visual utilizan casi un 30% menos de energía en sus sinapsis. Desde el punto de vista de la ingeniería, es una buena solución para aprovechar los recursos energéticos del cerebro, pero tiene un inconveniente. De hecho, el modo de bajo consumo reduce la resolución de la visión del animal al hacer que el sistema visual procese las señales con menor precisión. 

Una visión ingenieril del cerebro también mejoró recientemente nuestra comprensión de otro sistema sensorial: nuestro sentido del olfato. Los investigadores han estado intentando mejorar la capacidad de las “narices artificiales” computarizadas para reconocer olores. Las estructuras químicas por sí solas contribuyen en gran medida a definir los olores que asociamos con diversas moléculas. Pero un nuevo trabajo sugiere que el procesos metabólicos que crean moléculas en la naturaleza también reflejan nuestro sentido del olfato de las moléculas. Las redes neuronales que incluyeron información metabólica en sus análisis se acercaron significativamente a clasificar los olores como lo hacen los humanos.

Un cerebro humano vivo sigue siendo tremendamente difícil de estudiar para los neurocientíficos: el cráneo obstruye su visión y consideraciones éticas descartan muchos experimentos potencialmente informativos. Es por eso que los investigadores han comenzado a cultivar tejido cerebral aislado en el laboratorio y a dejar que forme "organoides" con similitudes físicas y eléctricas con cerebros reales. Este año, el neurocientífico Sergiu Paşca y sus colegas demostraron hasta dónde llegan esas similitudes implantando organoides del cerebro humano en ratas de laboratorio recién nacidas. Las células humanas se integraron en los circuitos neuronales del animal y asumieron un papel en su sentido del olfato. Además, las neuronas trasplantadas parecían más saludables que las que crecían en organoides aislados, lo que sugiere, como señaló Paşca en una entrevista ¿Cuánto, la importancia de proporcionar a las neuronas entradas y salidas. El trabajo señala el camino hacia el desarrollo de mejores modelos experimentales para cerebros humanos en el futuro.