Un dispositivo que permite la comunicación telepática.

En varias ocasiones hemos hablado de la posibilidad cada vez más cercana de leer la mente (por ejemplo aquí). Estos avances se basan casi todos en el uso de la resonancia magnética funcional (fMRI). Sin embargo, una línea de investigación paralela ha intentado hacer uso de las señales eléctricas que generan el encefalograma y, últimamente, de los conocimientos sobre el campo eléctrico del cerebro (más detalles aquí ). Un equipo de investigadores encabezado por Xavier O'Heary, del Instituo de Tecnología de Massachusetts (MIT, EE.UU.), en colaboración con el NSRDEC del United States Army Soldier Systems Center, ha presentado un dispositivo capaz de “leer” el pensamiento verbal de una persona y transmitirlo por radio a un dispositivo similar de manera que otra persona pueda “escuchar” lo que ha “dicho”. La presentación tuvo lugar durante la New Combat Technologies Conference que se celebró el pasado día 22 de diciembre en Phoenix (EE.UU.). Una descripción de los aspectos neurocientíficos aparece en Science.

La actividad eléctrica del cerebro es capaz de afectar a un sistema magnético de tal manera que se generan corrientes externas que son emitibles por radio. El dispositivo lee la actividad cerebral de esta manera y la transmite por radio a otro elemento similar. En éste el proceso se invierte, convirtiéndose la señal eléctrica en magnética que afecta al campo del cerebro de tal manera que el sujeto “oye”. El sistema funciona por turnos y solamente para información verbal.

En los experimentos descritos en la carta enviada a Science, 7 parejas de sujetos fueron capaces de comunicarse mentalmente estando separados más de un kilómetro. En un primer experimento, los sujetos emisores tenían que leer mentalmente un listado de 50 palabras inconexas; en este caso los receptores “oyeron” menos de la mitad. Sin embargo, en un segundo experimento, en el que se usaron esas mismas palabras pero formando frases gramaticalmente correctas y con sentido, los receptores “oyeron” el 87% de las frases correctamente. Finalmente, en un tercer experimento, en el que los emisores leían al azar 20 de 100 frases posibles, previamente conocidas por los receptores, el índice de acierto fue del 100%.

Pero no todo es tan fácil. Los dispositivos tuvieron que ajustarse físicamente a cada sujeto y calibrarse de forma personalizada. Estas características, unidas a las demás, harán que el primer uso sea en los equipos de fuerzas especiales (Delta, SEALS, etc.) una vez se solucione el principal inconveniente, el peso, algo más de kilo y medio en los prototipos.

Independientemente del uso militar, estos dispositivos abren todo un mundo de posibilidades tanto para el estudio del cerebro como para el uso clínico, en pacientes con imposibilidad de comunicarse de otra forma. El futuro ya está aquí.

Referencia:

O´Heary, X., McMillan, J., Hudson, H., Steinberg, M., Eisenstein, R., Pampanella, L., Cape, J., Monnard, P., & Boncella, J. (2011). Electromagnetic Transduction and Long Distance Radio Communication of the Verbal Activity of the Brain DOI: 10.1039/hoy2812d

Q2011: Origen de la vida y biología sintética

El año 2011 que ahora acaba ha sido un año apasionante para la química, no porque fuese su año oficial, sino por los resultados obtenidos en los laboratorios. En esta entrada y en una próxima intentaremos repasar los que, a nuestro juicio, son los resultados más interesantes. Nos centraremos en dos grandes áreas: en esta entrada hablaremos del origen de la vida y biología sintética y en la próxima de diseño, estructura y discriminación moleculares.

No podemos empezar este repaso de otra manera que no sea mencionando el redescubrimiento de muestras olvidadas en el laboratorio de Stanley Miller. Las muestras, correspondientes a un experimento llevado a cabo en 1958, analizadas por Parker et al. [1], sugieren que las plumas volcánicas podrían haber tenido un papel importante en la formación de moléculas relevantes desde el punto de vista biológico.

Por otra parte están las investigaciones que se han centrado en averiguar cómo las moléculas prebióticas terminaron encerradas en células. Cape et al. [2] fabricaron vesículas primitivas para investigar cómo las primeras estructuras protocelulares habrían obtenido energía. El equipo de Cape construyó vesículas a partir de ácidos grasos e hidrocarburos poliaromáticos con iones metálicos atrapados en el hueco central. Los hidrocarburos poliaromáticos actuaron como fotocatalizadores, reduciendo los aniones metálicos que después eran regenerados por moléculas exteriores a la “célula” que actuaban como fuente de protones.

Sin embargo, en esta línea de investigación, el resultado más llamativo para los exobiólogos y amantes de la ciencia ficción es el de Li et al. [3] que fabricaron membranas celulares basadas en silicio. El equipo de investigadores consiguió que nanopartículas de sílice fuesen funcionales con grupos dimetilsilano y silanol, lo que les confería la propiedad de ser por una parte hidrofóbicas y por otra hidrofílicas, demostrando que las protocélulas de sílice son permeables y pueden albergar enzimas funcionales.

Otra línea de investigación con resultados muy interesantes ha sido la de los orígenes de la quiralidad en la vida en la Tierra. Así, Viedma et al. [4] consiguieron enriquecer el aminoácido valina mediante la sublimación continua de un racemato del compuesto, lo que cambiaba la forma de recristalización (más detalles aquí). Posteriormente Viedma et al. [5] también demostraron que hervir un disolución supersaturada también afecta al proceso de cristalización, con el resultado de una sola fase quiral. 

Hein et al. [6] sugirieron otra razón para el origen de la quiralidad de la vida usando amplificación química y el hecho bien conocido de que por encima de un cierto exceso de enantiómero las mezclas que cristalizan favorecen los cristales del mismo enantiómero. El equipo de Hein consiguió demostrar que con solo un ligero exceso (1%) de prolina, los precursores del ARN cristalizan con un exceso de enantiómero del 100%. Esto es, un mínimo desequilibrio que podría haber ocurrido al azar y una vez alcanzado un punto de no retorno y la vida sólo usa aminoácidos levógiros y azúcares dextrógiros [este paper es el origen de la idea que luego resultó ser mi relato Un reflejo de la Tierra].

La hipótesis del mundo de ARN también consiguió un importante apoyo este año a partir del trabajo de Wochner et al. [7] Esta hipótesis, propuesta por Francis Crick en 1968, sugiere que la vida en la Tierra comenzó con una molécula de ARN autorreplicante, pero sigue sin una prueba sólida. Wochner et al. volvieron a estudiar un ARNzima potencial de los años noventa del siglo pasado que fue considerado en su momento un callejón sin salida y, introduciendo presión evolutiva, encontraron finalmente una molécula de ARN que puede replicar hasta 93 bases sin ninguna otra ayuda.

Pero la investigación no se quedó en el estudio del origen de la vida, también hubo avances en la vida sintética. Marlière et al. [8] desarrollaron una “barrera genética” que podría prevenir que ADN manipulado/sintético pudiera cruzarse con una especie silvestre. El grupo consiguió acelerar la evolución de una cepa de Escherichia coli que usaba un análogo clorado de la timina, clorouracilo, como una de las bases de su ADN y podía sobrevivir sin timina. La idea del equipo de investigadores es desarrollar una vida paralela, pero completamente separada, que no pueda volver a usar timina. (más información aquí).

Si reemplazar una de las bases del ADN no te parece suficiente, ¿qué tal incorporar dos nuevas? Yang et al. [9], el equipo de Steven Benner, el hombre que inició el campo de la biología sintética, crearon dos nuevas bases que se parecen a la naturales pero que tienen patrones de enlace de hidrógeno ortogonales. El nuevo ADN GATCZP ya ha sido replicado en células artificiales y el equipo está intentado introducirlo en E. coli. Estos serían los cimientos de otra forma separada de vida sintética (más información aquí).

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la X Edición del Carnaval de Química que acoge BioUnalm y en la VIII Edición del Carnaval de Biología que alberga Resistencia Numantina 


Referencias:

[1] Parker, E., Cleaves, H., Dworkin, J., Glavin, D., Callahan, M., Aubrey, A., Lazcano, A., & Bada, J. (2011). Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment Proceedings of the National Academy of Sciences, 108 (14), 5526-5531 DOI: 10.1073/pnas.1019191108

[2] Cape, J., Monnard, P., & Boncella, J. (2011). Prebiotically relevant mixed fatty acid vesicles support anionic solute encapsulation and photochemically catalyzed trans-membrane charge transport Chemical Science, 2 (4) DOI: 10.1039/c0sc00575d

[3] Li, M., Green, D., Anderson, J., Binks, B., & Mann, S. (2011). In vitro gene expression and enzyme catalysis in bio-inorganic protocells Chemical Science, 2 (9) DOI: 10.1039/c1sc00183c

[4] Viedma, C., Noorduin, W., Ortiz, J., Torres, T., & Cintas, P. (2011). Asymmetric amplification in amino acid sublimation involving racemic compound to conglomerate conversion Chemical Communications, 47 (2) DOI: 10.1039/c0cc04271d

[5] Viedma, C., & Cintas, P. (2011). Homochirality beyond grinding: deracemizing chiral crystals by temperature gradient under boiling Chemical Communications, 47 (48) DOI: 10.1039/c1cc14857e

[6] Hein, J., Tse, E., & Blackmond, D. (2011). A route to enantiopure RNA precursors from nearly racemic starting materials Nature Chemistry, 3 (9), 704-706 DOI: 10.1038/nchem.1108

[7] Wochner, A., Attwater, J., Coulson, A., & Holliger, P. (2011). Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme Science, 332 (6026), 209-212 DOI: 10.1126/science.1200752

[8] Marlière, P., Patrouix, J., Döring, V., Herdewijn, P., Tricot, S., Cruveiller, S., Bouzon, M., & Mutzel, R. (2011). Chemical Evolution of a Bacterium’s Genome Angewandte Chemie International Edition, 50 (31), 7109-7114 DOI: 10.1002/anie.201100535

[9] Yang, Z., Chen, F., Alvarado, J., & Benner, S. (2011). Amplification, Mutation, and Sequencing of a Six-Letter Synthetic Genetic System Journal of the American Chemical Society DOI: 10.1021/ja204910n

Un reflejo de la Tierra

Noyori subió con esfuerzo a su nave. Tras dos años en Terraforma-5.1 con gravedad artificial de 0,9 g y dos meses en la nave sin ella, moverse en este planeta de masa sólo un cinco por ciento mayor que la Tierra se le hacía muy trabajoso a pesar del exoesqueleto motorizado que usaba. Se sentó pesadamente en la pequeña sala de comunicaciones y comenzó a preparar su primer informe, exclusivo para la comandante Paulze. A través de la pequeña ventana se extendía un macizo de árboles que, a primera vista, le recordaba a los de su Hokkaido natal. Había que fijarse en los detalles para darse cuenta que aquellos no eran pinos y abetos, sino especies completamente diferentes.

A Noyori le estaba costando editar la información. Todo lo que viese, oyese u “oliese”, así como su biométrica, quedaba grabado y sería enviado como archivo adjunto. Pero la comandante quería su opinión. Él era piloto de combate, una persona entrenada en seguir protocolos y habituado a tomar decisiones rápidas en caso de necesidad, no un científico, aunque tuviese acreditación C3. Él no tenía que estar editando aquello. La explosión de Terraforma-4.7 cuatro años terrestres antes había dejado a Terraforma-5.1 como la única estación operativa en todo aquel sector de la galaxia. Terraforma-4.7 había sido un centro de investigación y adiestramiento, con lo que con la explosión desaparecieron buena parte de los científicos de niveles C4 y C5. Un científico era algo muy preciado en aquellos momentos, demasiado como para enviarlo a una misión casi de rutina como aquella.

Decidió que describiría sólo los hechos, sin aventurarse a dar ningún tipo de hipótesis explicativa. Ya habría tiempo para aquello. Comenzó contando sus intentos fallidos de contactar con la base de Carroll 23c durante la aproximación. No le preocupó demasiado, era habitual que las comunicaciones desde la superficie en algunos planetas fuesen precarias debido a la presencia de ionosferas muy densas, y estaba acostumbrado a encontrar su camino, a volar “ciego”. Tampoco esperaba recibir respuesta. Después de todo, lo que había hecho que la comandante Paulze le enviase era que no había ningún tipo de comunicación proveniente de Carroll 23c. Tras haber recibido sin problemas más de 30 informes, las comunicaciones con la base habían cesado por completo. Si habían tenido problemas con la antena de superficie, no constaba que la ionosfera del planeta fuese particularmente importante, alguno de los dos miembros del equipo habría podido usar la nave auxiliar para ascender hasta una altura suborbital y enviar sus informes desde allí. Pero hacía dos meses y medio que Carroll 23c no enviaba ningún tipo de dato.

La causa del problema se le hizo evidente durante la aproximación final. La antena había caído como consecuencia de un desprendimiento de rocas y podía verse hecha un amasijo en el fondo de un barranco. Esos inútiles habían colocado las radiobalizas en el mismo lugar, seguro. Y es que estos exploradores eran demasiado jóvenes y demasiado inexpertos. La política de natalidad cero del gobierno confederal estaba dando sus frutos: la gente bien formada prefería quedarse en la Tierra superpoblada ganando buenos sueldos en vez de dedicarse a colonizar la galaxia. Este trabajo había quedado para los jovenzuelos que no querían, o no podían, alcanzar la acreditación C2 y para los que la ACCE, Agencia Confederal para la Colonización Espacial, necesitada de mano de obra, era la salida fácil y bien pagada. Al fin y al cabo todo, o casi todo, estaba automatizado.

Vio a Sánchez nada más posicionar la nave para el descenso. Estaba acurrucado en posición fetal debajo de una especie de abeto, justo enfrente de la entrada al pequeño edificio de una sola planta y aspecto metálico de la base. Noyori había detenido los motores y enviado el mensaje estandarizado de “Llegada sin problemas”. Aunque las lecturas de oxígeno eran normales, confirmando las informaciones que decían que la concentración de oxígeno en Carroll 23c era sólo algo superior a la de la Tierra, y la temperatura eran unos agradables 298 K, el piloto salió con aprensión al aire libre; eso de moverse sin traje presurizado se le hacía muy raro.

Sánchez no se movía, ni siquiera para respirar. Se acercó al cadáver con su arma reglamentaria activada. Sánchez estaba acurrucado, abrazándose las rodillas. No se apreciaban señales de violencia, aunque podían verse marcas en el suelo, seguramente de pequeños animales locales que habían intentado rasgar sin éxito el tejido que cubría todo el cuerpo del explorador. Su cara tenía una expresión pacífica, como la del que está durmiendo, pero lo marcado de sus huesos, cuando por las señales de descomposición no debía de llevar más de cinco días muerto, no era normal. El resto de su cuerpo también se veía extremadamente delgado. Una idea atravesó súbitamente la mente de Noyori, y un escalofrío recorrió su dolorida espalda, escenas como esta las había visto en la guerra de Mongolia y luego otra vez en el conflicto del este de África. Era algo inconcebible, que no podía ser y, sin embargo...los que morían de hambre tenían ese aspecto.

Sigue leyendo Un reflejo de la Tierra en Journal of Feelsynapsis (gratuito) y disfruta de todos los artículos de divulgación que contiene.

El córtex durante el aprendizaje emocional.

High Heels por Antjie Hottowitz

Mi amigo Antonio (nombre ficticio) le tenía terror a la profesora X. Principalmente porque ésta le humillaba públicamente a la menor ocasión. Me consta que la asignatura de X era la que más estudiaba Antonio y, me consta también, que se solía saber la materia de una forma mucho más que aceptable para aprobar, sin embargo, el miedo le bloqueaba en presencia de X. Le bastaba oír el ritmo de sus tacones en el pasillo para que se pusiese blanco como la pared. Ese sonido a los demás no nos provocaba ningún tipo de reacción especial. Y es que el aprendizaje causa que una misma información sea procesada de forma diferente por los circuitos neuronales de nuestro cerebro. El miedo se suele asociar a una estructura denominada amígdala que está en las profundidades del encéfalo pero, por otra parte, la señales que envían los sentidos se procesan en el córtex; entonces ¿cómo se relaciona el córtex con el aprendizaje emocional?

Un equipo de investigadores encabezado por Johannes Letzkus, del Instituto Friedrich Miescher para la Investigación Biomédica (Suiza), ha sido capaz de seguir (creemos que por primera vez) un estímulo auditivo neurona a neurona en su camino a través del cerebro, descubriendo la existencia de un microcircuito desinhibidor en el córtex que interviene en el aprendizaje del miedo asociativo. Los resultados se publican en Nature.

Los investigadores reprodujeron la situación de Antonio, pero con ratones. Hicieron que éstos aprendieran a asociar un sonido con un estímulo desagradable hasta el punto de que el mismo sonido se convirtió en algo desagradable. Durante el proceso de aprendizaje los científicos visualizaron la actividad de las neuronas in vivo usando imágenes por microscopía de dos fotones/calcio (2-photon calcium imaging), una técnica que combina la microscopía de fluorescencia de 2 fotones con los efectos que en la fluorescencia de las tinciones usadas tiene la presencia de iones de calcio y que permite el análisis en tiempo real de circuitos neuronales intactos con una resolución de células individuales.

En condiciones normales la actividad de las redes neuronales está muy controlada por un equilibrio preciso entre la excitación sináptica (que favorece el disparo de la neurona) y la inhibición sináptica (que evita el disparo). Así, cualquier señal entrante se ve rápidamente amortiguada por la inhibición, permitiendo el disparo de las neuronas por un espacio muy breve de tiempo después de la aparición del estímulo. En nuestro ejemplo, y simplificando, yo oigo el taconeo pero no lo registro especialmente. Por contra, los investigadores encontraron que el aprendizaje emocional abre una ventana prolongada de inhibición reducida, una desinhibición. De esta manera, cuando el animal, ya sea el ratón o mi amigo Antonio, percibe el sonido durante el aprendizaje, se procesa con mucha más intensidad que en condiciones normales. Esta actividad incrementada induce probablemente la plasticidad sináptica que es la base de la formación del recuerdo. Letzkus et al. comprobaron que este procesamiento también se aplica a los estímulos visuales.

La comprobación del papel de la desinhibición en el aprendizaje se realizó usando optogenética. Los investigadores usaron ratones modificados genéticamente que expresan genes que forman un canal iónico extra en las neuronas que se activa por luz de una determinada longitud de onda (más detalles aquí). Usaron esta propiedad para interferir selectivamente la desinhibición durante el aprendizaje. Cuando, al día siguiente, comprobaron lo que recordaban estos ratones, constataron que no asociaban el sonido al estímulo desagradable o, en otras palabras, la desinhibición es indispensable para el aprendizaje asociativo.

En conclusión, la desinhibición parece ser necesaria para el aprendizaje, pero no causa el aprendizaje por sí misma. Por el contrario, es lo que percibimos durante este estado de “excitación extra” lo que determina lo que aprendemos realmente.

Desde el año pasado mi amigo Antonio es senior scientist, en un área muy similar a la asignatura que impartía X, en el laboratorio principal de una prestigiosa multinacional norteamericana. Sigue enervándose cuando oye el ruido de tacones.

Referencia:

Letzkus, J., Wolff, S., Meyer, E., Tovote, P., Courtin, J., Herry, C., & Lüthi, A. (2011). A disinhibitory microcircuit for associative fear learning in the auditory cortex Nature DOI: 10.1038/nature10674