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Premios Nobel 2016:
Autofagia, materia exótica y máquinas moleculares
El Comité de Redacción de Acta Bioquímica Clínica Latinoamericana ha seleccionado este artículo publicado en EXACTAmente –Año 23 - Nº 61 - diciembre 2016, pp. 36-39, para su difusión a través de FABAInforma

El galardón 2016 en Medicina y Fisiología fue otorgado a Yoshinori Ohsumi por sus investigaciones en la autofagia, un proceso de degradación y reciclaje de las células. El de Física fue para los británicos David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz, por la descripción de los estados exóticos de la materia. En Química, los premiados fueron el francés Jean Pierre Sauvage, el escocés James Fraser Stoddart y el holandés Bernard Feringa, por el diseño y síntesis de máquinas moleculares.
El ganador del Nobel de Medicina 2016 es el biólogo japonés Yoshinori Ohsumi, el hombre detrás del conocimiento de cómo funciona la autofagia, mecanismo que les permite a las células obtener energía ante la adversidad, y que abre la puerta a la posibilidad de entender trastornos como el Parkinson o la diabetes.
En su comunicado oficial, la Academia indicó que el premio fue adjudicado a Ohsumi "por su descubrimiento del mecanismo de autofagia". Se trata de los procesos por los cuales las células de los organismos más complejos son capaces de destruir y reutilizar partes de sí mismas que se encuentran deterioradas o en exceso, obteniendo energía a partir de ellas. La autofagia (comerse a sí mismo) es, por lo tanto, un proceso de los denominados catabólicos, o generadores de energía.
Ante situaciones de estrés, como, por ejemplo, el ayuno, el mecanismo de autofagia les permite a las células continuar funcionando de manera normal y renovar sus componentes. Ese mismo mecanismo lo utilizan también para "limpiarse" de bacterias intracelulares y virus, y para la eliminación de las proteínas y otras estructuras dañadas o fuera de funciones, lo que hace posible a las células equilibrar las consecuencias de su propio envejecimiento.
Si bien el proceso de autofagia celular se conocía desde la década de 1960, las explicaciones detalladas llegaron treinta años después, de la mano de este biólogo japonés. "Ohsumi descubrió cuáles eran los genes relacionados con la autofagia, en experimentos con levadura", introduce la especialista María Inés Vaccaro, del Instituto de Bioquímica y Medicina Molecular (IBOMOL) de la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la UBA. "En su trabajo en la revista Nature del año 1998, describe 14 genes relacionados con la formación del autofagosoma, la organela –una de las estructuras en el citoplasma de las células– que interviene en la autofagia", recuerda.

• Yoshinori Ohsumi, ganador del Nobel de Medicina 2016

Comerse a sí mismo

"La autofagia es un proceso de degradación de componentes del citoplasma, que son conducidos por el autofagosoma a la vacuola de la levadura para su degradación, lo que le permite a la célula obtener nutrientes", indica Vaccaro. Esa descripción, que corresponde a las células de la levadura típica de elaboración del pan, es extensible al funcionamiento celular de todos los organismos eucariotas, incluyendo a los seres humanos.
Desde un inicio, Ohsumi eligió levaduras para sus estudios, y a partir de esos organismos muy bien conocidos por los científicos desde hace décadas, realizó lo que la Academia define como "elegantes experimentos" que le permitieron remontar el proceso de autofagia. Más allá de la localización y descripción de aquellos 14 genes de levadura involucrados en el mecanismo, Vaccaro destaca que Ohsumi "consiguió describir cómo se relacionan entre sí las proteínas que codifican esos genes. Es decir, marcó el inicio de un camino molecular que permite ahora estudiar ese complejo proceso ya en la célula humana y, en especial, el rol de la autofagia en enfermedades como el cáncer, el Alzheimer, el Parkinson o la diabetes". Lo que era un conocimiento de tipo morfológico del interior de las células se reveló, con el trabajo de Ohsumi, en "un sofisticado proceso molecular que la célula pone en marcha en respuesta al ayuno, al estrés o a la enfermedad", agrega la bioquímica.
Los premios de las áreas médicas y la resonancia de las investigaciones suelen traer asociados el interés por la aplicación del conocimiento en propuestas terapéuticas concretas. Al respecto, Vaccaro sostiene que "en este siglo se incrementaron los estudios de la regulación autofágica, pero aún no se puede decir que este proceso permita curar alguna enfermedad". La especialista, profesora de la UBA e investigadora del CONICET, trabaja en la descripción de una proteína de la membrana celular, esencial para la autofagia de células de mamífero ante el estrés, que permite estudiar el rol del proceso en enfermedades complejas, como el cáncer de páncreas o la diabetes.

Materia exótica

• El Premio Nobel de Física 2016 fue para los británicos Duncan Haldane, David Thouless y Michael Kosterlitz.

El Premio Nobel de Física 2016 fue para los británicos David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz, quienes "revelaron estados (o fases) exóticas de la materia", según indicó el Comité Sueco al realizar el anuncio. Su aporte ha sido de tal magnitud que corrió el velo de un mundo nuevo, donde ocurrían fenómenos extraños. Sus hallazgos dieron lugar a grandes avances en la comprensión teórica de los misterios de la materia y ha creado nuevas perspectivas en el desarrollo de materiales innovadores.
"Los investigadores abrieron la puerta a un mundo desconocido, donde la materia puede asumir estados extraños. Utilizaron métodos matemáticos para estudiar fases poco habituales, o estados de la materia, como los superconductores, los superfluídos o finas capas magnéticas. Gracias a su trabajo pionero, ahora la búsqueda se centra en nuevas y exóticas fases de la materia. Mucha gente está esperanzada con las futuras aplicaciones de materiales para la ciencia y electrónica", resaltaron desde la Academia Sueca.
En la actualidad, los tres británicos galardonados se encuentran trabajando en Estados Unidos: Thouless es profesor emérito de la Universidad de Washington; Haldane, profesor de Física en la Universidad de Princeton (Estados Unidos); Kosterlitz, profesor de Física en la Universidad de Brown (Estados Unidos).
"Fue una sorpresa, porque toda la comunidad estaba esperando que el premio fuera para los equipos que estudian ondas gravitacionales. El 99,9% de la gente pensaba que ese era el Nobel cantado de este año", dice el doctor Gustavo Lozano, desde el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA.

Método matemático

Los premiados han utilizado métodos matemáticos avanzados para explicar fenómenos extraños en fases inusuales (o estados) de la materia, tales como superconductores, superfluídos o películas agnéticas delgadas. "Kosterlitz y Thouless han estudiado los fenómenos que surgen en un mundo plano –en superficies o en el interior– capas extremadamente delgadas que se pueden considerar de dos dimensiones, en comparación con las tres dimensiones (longitud, anchura y altura) con las que generalmente se describe la realidad. Haldane también estudió la materia que forma los hilos tan delgados que puede considerarse unidimensional", explica el informe de la página oficial nobelprize.org.
En esas dimensiones nada es como solemos conocerlo. "La física que tiene lugar en objetos de dos dimensiones (flatlands) es muy diferente a la que reconocemos en el mundo que nos rodea", describen desde la Academia Nobel, y más adelante agregan: "Continuamente se descubren nuevos fenómenos colectivos en estos objetos, y la física de la materia condensada es ahora uno de los campos más vibrantes de la física".
Topología fue el nombre de la nave que les permitió adentrarse en ese mundo. "La topología es una rama de las matemáticas que describe las propiedades que cambian paso a paso. Con la topología moderna como herramienta, los laureados presentaron resultados sorprendentes, que abrieron nuevos campos de investigación y llevaron a la creación de nuevos e importantes conceptos en varias áreas de la física", indicaron desde la Academia.
En este sentido, el doctor Lozano, investigador del CONICET, subraya: "Son varias las contribuciones de los laureados. La más importante y en la que fueron pioneros es la de introducir conceptos de topología, que es una rama de la matemática, en problemas de materia concentrada, que es la parte de la física que estudia las propiedades de la materia". Asimismo, Lozano aclara, los flamantes Nobel "en algunos casos predijeron la existencia de nuevos estados de la materia; y en otros, lograron explicar –con topología– fenómenos ya conocidos. Son estados que no aparecen en general en situaciones ordinarias, sino en condiciones muy cuidadas de temperatura, y en materiales muy específicos".
Entre los estudios realizados, Lozano destaca los aportes con métodos topológicos del efecto Hall cuántico observado en sistemas bidimensionales con electrones sometidos a bajas temperaturas y fuertes campos magnéticos. "Thouless explicó usando argumentos topológicos propiedades específicas sobre la conductividad de sistemas con efecto Hall cuántico. Ese efecto Hall cuántico se usa mucho en metrología para medir el patrón de resistencia", indica.
¿Qué aplicaciones pueden surgir de estos conocimientos teóricos? "Siempre se está en la búsqueda de materiales que tengan propiedades especiales para la conducción de la electricidad, o todo lo que sea electrónica –que se hace a partir de conducción de electricidad–. Manejar las propiedades de la conducción de la electricidad en sistemas que son muy pequeños, a escala nanométrica, es el sueño de todo científico", concluyó.

• En Química, la Academia Sueca distinguió al francés Jean Pierre Sauvage, al escocés James Fraser Stoddart y al holandés Bernard Feringa.

Máquinas y motores moleculares

En Química, la Academia Sueca distinguió al francés Jean Pierre Sauvage, al escocés James Fraser Stoddart y al holandés Bernard Feringa por diseñar moléculas cuyos movimientos pueden ser controlados de tal manera que, cuando se les proporciona energía, pueden llevar a cabo tareas específicas.
Se le atribuye a Richard Feynman, premio Nobel de Física en 1965, la idea de construir máquinas de tamaño nanométrico (un nanometro es la milmillonésima parte de un metro). En una conferencia celebrada en 1984 en Esalen, California, con el título Tiny Machines (máquinas diminutas), Feynman predijo que las máquinas moleculares se harían realidad en 25 a 30 años.
Lo que ni Feynman ni nadie en la comunidad científica imaginaba es que ya se estaban dando los primeros pasos en ese sentido. Porque un año antes, en 1983, un grupo de investigadores franceses liderado por Jean Pierre Sauvage había logrado desarrollar un método que le permitió unir dos moléculas circulares conformando una cadena de dos eslabones. Utilizando la misma técnica, comenzaron a adicionar "anillos" para generar diferentes figuras moleculares que conformaban cadenas más largas o nudos más o menos complicados.
Pero, recién en 1994, el grupo francés descubrió que, mediante el aporte de energía, podía hacer rotar un anillo alrededor del otro. También comprobaron que podían controlar ese proceso. Habían creado el primer dispositivo molecular sintético capaz de realizar una tarea de manera controlada. Es decir, una máquina molecular.
Ese mismo año, otro grupo, liderado por el escocés James Fraser Stoddart, consiguió que una molécula circular se mueva a lo largo de otra molécula lineal. Es decir, mediante el aporte de calor, podían hacer "ir y venir" un "anillo" a lo largo de un "eje".
A partir de ese logro, el equipo de Stoddart pudo diseñar y hacer funcionar distintas máquinas moleculares. Entre ellas, un "ascensor" que puede ascender una distancia de 0,7 nanometros. También, crearon "músculos" artificiales capaces de doblar una lámina de oro delgadísima.
El desafío que se presentó a partir de entonces fue conseguir que una molécula girara de manera continua y siempre en la misma dirección. De esta manera, ya no estaríamos hablando de una máquina, sino de un motor.
El holandés Bernard Feringa lo consiguió en 1999 mediante un ingenioso dispositivo que consta de moléculas planas que hacen de "aspas" que giran alrededor de un "rotor" y que, en conjunto, trabajan como "trinquetes" (mecanismo que permite a un engranaje girar hacia un lado, pero le impide hacerlo en sentido contrario). Para hacer funcionar el motor, se le da energía mediante pulsos de luz ultravioleta. Cada pulso produce una rotación de 180 grados.
A partir de este modelo, en 2011 el grupo de Feringa construyó un "nanoautomóvil". Y recientemente, en 2014, perfeccionaron el motor molecular al punto de que puede alcanzar una velocidad de doce millones de revoluciones por segundo.
Actualmente, los sucesivos avances conseguidos por los tres premiados por la Academia Sueca son aprovechados por grupos de investigación de todo el mundo para nuevos desarrollos en este campo. Por ejemplo, en 2013, se creó un robot molecular que es capaz de atrapar aminoácidos y conectarlos entre sí para "armar" proteínas.
"Lo que se ha premiado es realmente química. Es nanoquímica fundamental. Estamos hablando de síntesis de moléculas que son dispositivos en sí mismas", elogia Ernesto Calvo, profesor de Exactas-UBA, investigador del CONICET y director del Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE). "Esto requiere de una estrategia de síntesis de moléculas muy original y de un esfuerzo enorme para caracterizarlas y hacerlas realidad", subraya.
Según Calvo, lo que se ha premiado es la "prueba de concepto". Es decir, que se pueden fabricar estas moléculas y que son dispositivos en sí mismas. "Muy lejanamente podría pensarse en que esto podría aplicarse para el desarrollo de sensores, o de nuevos dispositivos electromecánicos, o para almacenar energía", destaca.
Poco más de tres décadas después de la predicción de Feynman hoy se puede afirmar que ya es posible fabricar máquinas de un tamaño mil veces menor que el espesor de un cabello.
Tras elogiar enfáticamente el trabajo de los premiados, Calvo hace una confesión: "Lamento que no le hayan dado el premio a John Goodenough por la invención de la batería de Litio-ión, que es la que hoy permite toda la electrónica móvil. Porque Goodenough ya tiene 95 años y no le quedan muchas posibilidades. Pero este es realmente un Nobel muy merecido".