Dia de Reis al CERN

Els que seguiu iCIENTIFICats a Facebook i/o Twitter ja sabeu que un servidor va passar uns dies a Ginebra. Tot i que per mantenir la meva reputació us podria assegurar que ja entrava als meus plans visitar el CERN, us enganyaria. El cert és que fer un tomb per un dels centres de recerca més importants d’Europa només em va venir al cap en adonar-me que és l’estació terminal de la línia 14 del tramvia de la ciutat suïssa.

L’Organització Europea per a la Recerca Nuclear (l’acrònim CERN ve del francès) va fundar-se el 1954, com una manera d’unir en un esforç comú l’Europa destrossada per la Segona Guerra Mundial. Des del primer moment es va plantejar instal·lar-ne la seu a Suïssa, país ben conegut per la seva neutralitat (i la seva xocolata). Des de llavors, i durant més de 50 anys, els seus gairebé 10.000 investigadors han intentat posar una mica més de llum sobre el món de la física de partícules.

El recorregut de l'LHC sota la frontera alpina. Els llums verds i vermells representen feixos de protons llançats en els dos sentits fins a xocar tot alliberant grans energies

Quan es parla del CERN, un té la sensació que tot és gegantí. El 2009 disposava d’un pressupost de 724 milions d’euros, aportats pels 20 països membres (Espanya n’és el cinquè contribuent, amb un 8,5% dels fons). Contè la màquina més gran del món, l’LHC (Large Hadron Collider, o Gran Col·lisionador d’Hadrons), un accelerador de partícules ubicat en un túnel de 27 km de longitud que travessa la frontera francosuïssa 100 metres per sota dels Alps. Des de la seva posada en marxa el 2009 s’hi generen feixos de protons (o d’ions de plom) que fan unes 11.000 voltes cada segon al túnel. Aquests feixos arriben a xocar amb una energia de 14 TeV, concentrada en tot just un parell de nanòmetres. Així es generen explosions que disparen leptons, muons, quarks i bosons diversos. Totes aquestes partícules es detecten als sensors dels quatre experiments que el CERN té en marxa ara mateix: ATLAS, ALICE, LHCb i CMS són els noms dels buscadors de l’arxifamós bosó de Higgs. Cada experiment recull les dades d’un detector al voltant dels carrils de l’accelerador; cadascun d’aquests detectors fa 40 metres de llarg i 25 d’alçada.

L'interior d'un dels detectors de l'LHC, amb imants basats en superconductors que necessiten temperatures prop del zero absolut per funcionar.

Podria continuar molta estona, però us aconsello que visiteu vosaltres mateixos el complet lloc web del CERN. O encara millor, que el veieu in situ. Perquè, efectivament, el pot visitar tothom qui vulgui a un preu molt interessant: totalment gratis!

Això és així perquè el CERN, a banda de fer recerca bàsica sobre física de partícules, generar noves aplicacions a partir de la seva feina (sabíeu que la intranet del CERN és l’origen d’Internet?) i unir els científics europeus i del món en una tasca conjunta, vol explicar a la gent què fa. Per aquest motiu, disposen d’un programa de comunicació al públic que a mi em sembla exemplar.

Per una banda, el visitant pot visitar dues exposicions obertes al públic pràcticament de manera ininterrompuda. La primera, Microcosm, es centra en explicar els fonaments de la física de partícules, les quatre forces que actuen a l’Univers i com s’aspira a poder unificar-les en una de sola gràcies a la Teoria del Tot. A partir d’aquí trobem una descripció dels quatre experiments (que abans esmentàvem) amb què es treballa a l’LHC i dels resultats que permetran confirmar (o refutar) el model estàndard en què la Física es basa actualment. En segon lloc, Universe of particles ens mostra algunes de les peces úniques del CERN (com ara l’article amb què va nèixer Internet o alguns sensors d’un antic accelerador) i com, realment, vivim en un món ple de partícules.

L'edifici que allotja l'ATLAS, únic experiment situat dins de Suïssa

A més a més, però, el CERN també ofereix la possibilitat d’una visita guiada per una part de les seves instal·lacions. Les places per assistir-hi són limitades (al voltant de 20 cada dia), però si us hi apunteu podreu veure un vídeo de la història del CERN i visitar l’edifici on s’ubica l’ATLAS. I tot això, en companyia d’un guia del centre mateix (des d’una investigadora a un administratiu). Tot i que vaig quedar un pèl decebut amb aquesta visita (segurament a causa de les altes expectatives), us aconsello no deixar-la passar.

Molt lícitament us podeu preguntar: i aquest per què ens explica tot això ara? Doncs perquè, a banda de fer-vos dentetes i animar-vos a conèixer el CERN, no em vaig oblidar de vosaltres.

Estimats lectors, aquí teniu el regal de Reis (tardà) d’iCIENTIFICats:

Una estoreta de ratolí i un imant gentilesa dels Reis d'iCIENTIFICats

Per agrair-vos la confiança (i la paciència amb la manca d’actualitzacions), sortejaré aquest detallet entre tots els que retwittegeu la foto a Twitter, hi cliqueu M’agrada al Facebook o comenteu el post aquí abans del 12 de febrer a les 23:59. A més a més, si el comentari al post inclou recomanacions sobre altres instal·lacions de recerca que puguem visitar, tindreu tres números al sorteig, que faré el 13 (o 14) de febrer. Llavors ja em posaré en contacte amb el guanyador per trobar la millor manera de fer-li arribar el premi.

Gràcies, doncs, per iCIENTIFICar-vos i fer millor el blog!

5 comentaris

Arxivat sota Blog, Física, General, Recerca

Trazando caminos – El regal de Nadal d’iCIENTIFICats

I doncs, s’ha portat bé el tió a casa vostra? Heu tingut tot el que us esperàveu? O, encara millor, heu rebut alguna sorpresa?

Sigui com sigui, aquí us deixo el regal de Nadal d’iCIENTIFICats. Trazando caminos és un vídeo de divulgació que hem realitzat amb els companys del Màster en Comunicació Científica, Mèdica i Ambiental Tomás Catalán, Isadora Christel, Xavi Joya, Andrés Martínez i Laura Siles. Narrat per un servidor, Xavi Vilana, tracta sobre els mecanismes que diverses espècies animals utilitzen per navegar i moure’s pel món. Veureu, a més, que de fet els humans no hem inventat gran cosa pel que fa a l’orientació…

Aquest  treball l’hem dut a terme com a exercici pràctic de l’assignatura de Taller de Vídeo del Màster. Dividits en cinc grups, en principi orientats a cinc públics diferents, hem comptat amb la direcció de l’Héctor González i el suport tècnic de l’IdEC de la UPF. Tots els documentals han girat al voltant d’un mateix tema, el del comportament animal, tot i que enfocat de maneres molt diferents, com podeu veure aquí sota:

Ligas como un animal

Enriquecimiento

Conducta agresiva

Etología

Tots els vídeos els podeu trobar al blog de l’Observatori de la Comunicació Científica de la UPF.

Us convido a deixar els vostres comentaris (aquí, a YouTube, al blog de l’Observatori, en persona…) perquè, tot i que n’estem molt orgullosos, potser trobeu detalls que ens permetin afinar una mica més en el futur.
I, naturalment, podeu fer-ne tanta publicitat com vulgueu. ;-) 

Espero que passeu un molt bon Nadal i que els vídeos us ajudin a fer baixar una mica millor els torrons i les neules d’aquests dies. Salut!

5 comentaris

Arxivat sota Biologia, Curiositats, Vídeo del Mes (VdM)

Nobel 2011: Immunitat, l’expansió de l’Univers i quasicristalls

El desembre és un mes de tradicions. Sobretot cap a finals de mes, però les primeres setmanes no en són òrfenes del tot. Per exemple, a Suècia, tenen el costum d’organitzar una reunió per entregar els premis més prestigiosos de la ciència: els Nobel en Medicina o Fisiologia, Física i Química.

La medalla dels Nobel (Font: Wikimedia Commons)

Dissabte passat a la tarda —en una cerimònia que es va allargar des de quarts de cinc fins a les sis— Bruce Beutler, Jules Hoffmann, Saul Perlmutter, Brian Schmidt, Adam Riess i Dan Shechtman van rebre les medalles que els acrediten com a guardonats i van fer els discursos d’acceptació del premi. Aquest any, però, un element va afegir morbo a la cerimònia: es va entregar el premi de manera pòstuma a Ralph Steinman, que va morir sense saber que havia rebut el reconeixement d’un Nobel. De moment, però, centrem-nos en els premis.

Com s’engeguen les nostres defenses?

El 3 d’octubre, l’Assamblea Nobel de l’Institut Karolinska d’Estocolm va fer públic que els guardonats de 2011 en Medicina o Fisiologia eren Bruce Beutler i Jules Hoffmann, pels seus descobriments sobre l’activació de la immunitat innata, i Ralph Steinman, pel descobriment de les cèl·lules dendrítiques i el paper que juguen en la immunitat adaptativa.

Beutler, Hoffmann i Steinman, guanyadors del Nobel en Medicina o Fisiologia 2011

El sistema immunitari és el conjunt de cèl·lules i molècules que actuen com a mecanisme de protecció de l’organisme davant l’atac de microorganismes infecciosos. Tot i això, una activació errònia d’aquest sistema de defensa també pot provocar reaccions d’autoimmunitat —és a dir, l’atac contra el propi cos (com passa en la diabetis mellitus tipus 1 o la malaltia de Crohn)— o reaccions excessives com les que es donen en les al·lèrgies.

L’atac del sistema immunitari contra els agents infecciosos es descompon en dues fases: en primer lloc, actua la immunitat innata i, després, entra en acció la immunitat adaptativa. Les dues respostes són complementàries, però la segona afegeix un nou nivell de complexitat a les defenses del cos i és una innovació  evolutiva que es troba només en els vertebrats (i no en tots).

Quan es produeix una infecció, la resposta del cos es produeix en dues onades successives, cadascuna amb unes característiques concretes

La immunitat innata és la primera línia de defensa, encarregada d’aturar la invasió tan aviat com es detecta l’entrada de patògens. Apareix en pràcticament qualsevol tipus d’animals. De fet, Beuttler i Hoffmann han rebut el premi perquè van descobrir els mecanismes que activen aquesta primera fase de la defensa en animals molt diferents. Els treballs de Hoffmann, publicats el 1996, van identificar en Drosophila el receptor Toll, una peça essencial per a l’activació de les defenses de la petita mosca. Dos anys més tard, Beuttler localitzava en ratolins els parents de Toll en els mamífers, els Toll-like receptors (o TLR), amb una funció idèntica. Aquestes proteïnes es troben a la membrana de les cèl·lules responsables de la immunitat innata. Quan localitzen una molècula estranya al cos provinent d’algun microorganisme aliè, s’hi uneixen i desencadenen la primera gran reacció per aturar la infecció: la inflamació.

Un receptor Toll-like

Així doncs, en certa manera, els receptors Toll són les barreres que les patrulles de l’exèrcit del nostre cos utilitzen per controlar les fronteres.

La immunitat adaptativa és la segona gran línia de defensa dels vertebrats. Permet a l’organisme fer net de la infecció, a més de dotar-lo de memòria per enfrontar-se més ràpidament i fàcil a futures invasions de patògens ja coneguts. Steinman va descobrir el 1973 les cèl·lules dendrítiques, responsables de l’activació de tota la cascada de reaccions pròpia d’aquesta resposta secundària. Són aquestes cèl·lules les que presenten als limfòcits T els elements localitzats en l’etapa anterior amb els receptor Toll-like. Això provoca l’activació i multiplicació dels limfòcits, que acaba conduint a la producció d’anticossos i l’aparició de la memòria. El procés depèn de determinats senyals generats durant l’etapa innata que les cèl·lules dendrítiques detecten.

Una cèl·lula dendrítica (i limfòcits)

Per tant, les cèl·lules dendrítiques són els soldats que —enviats des de les fronteres— informen i aporten proves que s’ha produit una invasió, per tal que l’exèrcit es mobilitzi per eliminar l’enemic.

El premi a Steinman ha estat, de fet, un dels grans punts d’interés dels Nobel d’aquest any, ja que es tracta del primer guardonat pòstum des dels anys 70, quan es van modificar les bases del premi. L’anunci del premi es va produir un dilluns, i el científic canadenc havia mort el divendres anterior per culpa d’un càncer de pàncrees (que justament s’estava tractant amb una teràpia experimental basada en les “seves” cèl·lules dendrítiques). La Fundació Nobel, però, va acordar mantenir l’honor del premiat tot i la seva mort: aquest fet no es va saber fins després de produir-se l’anunci del premi, i es va considerar que aquesta situació encaixa amb la norma que permet guardonar algú que mor entre la comunicació de la decisió i l’entrega del premi. Així ho explicava un web canadenc, país d’origen d’Steinman.

→ Us aconsello fer un cop d’ull a aquest article de El País per completar la informació.

Cap a on va l’Univers?

El 4 d’octubre, la Reial Acadèmia de Ciències sueca va decidir concedir el Nobel en Física a Saul Perlmutter, Brian Schmidt i Adam Riess pel seu descobriment de l’expansió accelerada de l’Univers a través de l’observació de supernoves distants.

Perlmutter, Schmidt i Riess, guardonats amb el Nobel en Física 2011

El 1998, el món (bé, sobretot, el món dels cosmòlegs i astrofísics) va quedar sorprès davant de l’anunci que l’Univers no només s’estava expandint, sinó que ho feia de manera accelerada, cada cop més ràpida. Aquesta idea anava contra el que es podia esperar, ja que la lògica feia pensar que l’Univers s’havia d’expandir cada cop més lentament després de l’impuls inicial del Big Bang. Així, s’hauria arribat a un punt d’equilibri i, potser —per acció de l’atracció gravitatòria— l’Univers hauria començat a contraure’s fins a quedar concentrat novament en un punt, l’anomenat Big Crunch.

Els resultats, tot i que sorprenents, van quedar confirmats pel fet que la descoberta la van fer paral·lalment dos equips d’investigadors. El grup liderat per Perlmutter (el Supernova Cosmology Project) treballava en l’anàlisi de supernoves distants des de 1988, mentre que l’equip de Schmidt (el High-z Supernova Search Team), on es va integrar Riess, s’hi havia posat el 1994. El Huffington Post recollia així el premi a aquests dos equips, un americà i l’altre australià.

El punt brillant de baix a l'esquerra és la supernova de tipus 1a 1994D, fotografiada pel Hubble prop de la galàxia NGC 4526 (Font: Wikimedia Commons)

Una supernova (aquí teniu la completíssima entrada en anglès) és una explosió estel·lar que emet una gran quantitat de llum. Aquest fet convertia les supernoves en unes eines molt útils per estudiar la geometria de l’Univers, ja que fins i tot aquelles que es troben molt lluny (als límits propers al perímetre del cosmos) es poden arribar a veure per la seva enorme lluminositat. Tots dos grups van començar a treballar amb les supernoves de tipus 1a, que tenen una brillantor característica i molt semblant per a totes. En aquests estudis, es van trobar que la llum que en captaven era menor de l’esperada.

L'univers està en expansió accelerada (Font: http://bit.ly/hO4npc)

Això només podia voler dir que, de fet, aquestes supernoves eren a una distància més gran que la que es pensava i, per tant, que l’Univers premia l’accelerador en el seu creixement.

L’explicació del perquè d’aquest fenòmen és, encara avui, desconeguda. El que queda clar és que hi ha d’haver alguna força que impulsi l’Univers a continuar creixent, i a fer-ho cada cop més ràpid fins a arribar (en teoria) a un cosmos on tot serà tan lluny de qualsevol altra cosa que serà del tot gelat. Aquesta força, avui per avui, l’anomenem energia fosca. No sabem què la forma. No sabem com actua. Però sabem que és el motor de l’acceleració de l’Univers. No només això, sinó que aquesta energia fosca representa —per increïble que pugui semblar— el 73% de tot el que hi ha a l’Univers. Pel que fa a la resta de components, el 23% de l’espai és matèria fosca (que es pensa que inclou els forats negres, entre altres) i només el 4% (!) és matèria normal (o, dit correctíssimament, bariònica) com la de la pantalla on llegiu aquest post.

→ Aquest vídeo penjat a Microsiervos pot ser un bon complement per entendre el fenòmen de l’expansió accelerada, què és la matèria fosca i que Einstein es va equivocar (o no) amb la seva cosntant cosmològica. És en anglès, i els subtítols en portuguès, però deixa veure.

I la matèria… és com ens pensem?

El 5 d’octubre, era novament la Reial Acadèmia de Ciències de Suècia l’encarregada d’anunciar que el Nobel en Química corresponia a l’israelià Dan Schechtman pel descobriment dels quasicristalls.

Dan Schectman, Nobel 2011 en Química

El reconeixement li arriba a Schechtman 30 anys després de descobrir aquesta nova estructura de la matèria en analitzar al microscopi electrònic un nou al·liatge d’alumini i manganès. En general, els sòlids estan formats per cristalls, disposicions ordenades i —això és el més important— periòdiques (repetides idènticament en les tres dimensions) dels àtoms que els formen. Els quasicristalls també són estructures ordenades però, en canvi, no es repeteixen periòdicament: observant-ne una còpia desplaçada respecte a l’original no hi veurem mai una coincidència exacta.

El premi arriba trenta anys després que es veiessin per primer cop aquestes noves ordenacions atòmiques, observant al microscopi electrònic els patrons de difracció de raigs X de l’al·liatge que esmentàvem. Tan rares són aquestes estructures que, en teoria, no podien existir: qualsevol cristall havia de tenir la propietat de la simetria translacional, i els quasicristalls es sortien de la norma.

Els patrons de difracció d'un cristall i d'un quasicristall. En el primer, la imatge és idèntica sigui quin sigui el punt que prenem de referència; en el segon, el patró és ordenat però no idèntic per a qualsevol punt que usem com a centre (Fonts: http://bit.ly/vG766K i Wikimedia Commons)

La incredulitat de la comunitat investigadora va fer que Schectmans’hagués de sentir dir el nom del porc científicament (i no em refereixo a Sus scrofa domestica ;-)) i que fos expulsat del grup de recerca on treballava. Finalment, però, dos anys després de les primeres observacions i amb el suport d’altres científics, va aconseguir publicar el seu descobriment. I, de fet, ben aviat va trobar un suport afegit per a la nova estructura de la matèria que havia identificat, provinent d’un camp del tot inesperat: l’estudi dels mosaics.

Més concretament, es va poder aprofitar del mosaics aperiòdics. Justament com els quasicristalls, aquestes estructures es caracteritzen per la aperiodicitat (ja ho diu el nom). Aquests tipus de mosaics, tot i que estudiats a fons molt més tard, ja es poden trobar a l’Alhambra, on apareixen amb profusió per les limitacions a la representació de la figura humana que l’Islam imposa als creients. El físic i matemàtic Roger Penrose havia descobert poc abans de la troballa de Schectman que aquests dibuixos es podien obtenir amb la senzilla combinació de només dos tipus de llosetes: un rombe gras i un rombe prim. Quan altres investigadors es van plantejar què passaria si en cada intersecció del mosaic s’hi situés un àtom, la resposta va ser que s’obtenia un patró idèntic al dels quasicristalls.

Els mosaics aperiòdics de Penrose i de l'Alhambra (Font: Wikimedia Commons)

Amb els anys, s’ha rehabilitat la figura del descobridor dels quasicristalls. No només això, sinó que fins i tot s’ha acabat modificant la definició dels cristalls per incloure-hi aquelles organitzacions ordenades però no periòdiques. A més a més, l’anàlisi posterior de tots dos ha fet que els mosaics aperiòdics hagin conduït a un més bon coneixement dels quasicristalls. En tots dos, moltes de les relacions entre els seus elements s’expliquen gràcies al número auri (Φ).

Per les seves propietats úniques, els materials amb estructura qusicristal·lina —majoritàriament sintètics, però ja se n’han trobat de naturals a Rússia— s’estan començant a utilitzar com a materials d’alta resistència mecànica (és el cas de determinats tipus d’acer), com a aïllants tèrmics per a millorar l’eficiència dels motors o com a recobriments superficials antiadherents (molt útils, per exemple, en les paelles).

→ Aquest article de Público fa un bon resum del perquè del premi, a més de valorar la idoneïtat del Nobel en aquest moment, ja que potser hauria estat més adequat als anys 80.

 

El web dels Nobel (www.nobelprize.org) és la millor i més completa font d’informació per a posts com aquest. És ideal per perdre-s’hi unes quantes hores veient com expliquen aquells descobriments que han merescut un honor com el Nobel, en qualsevol dels seus camps: ho podeu veure amb la Medicina, la Física o la Química. Moltes de les imatges d’aquest post també vénen d’allà mateix, excepte aquelles on s’indica el contrari.

Sé que m’ha sortit un post llarg, però és que havia deixat acumular massa feina. Això sí, tant si us resulta curt com llarg, us convido a comentar-lo aquí sota mateix.

1 comentari

Arxivat sota Física, Medicina, Notícies, Química

Llums, càmeres i… potencials d’acció!

Avui tinc l’enorme plaer de portar-vos el primer article d’una col·laboradora “externa” a iCIENTIFICats. Aquí us la presento:

La Sara Rubio és llicenciada en Biologia per la Universitat de Barcelona. En aquests moments, està desenvolupant els seus estudis de doctorat al grup de Neurobiologia del desenvolupament i de la regeneració cel·lular, dirigit pel Dr. Eduardo Soriano a l’Institut de Recerca Biomèdica de Barcelona. En la seva primera col·laboració al blog (i espero que no sigui l’última) ens explica què és l’optogenètica, una de les tècniques més prometedores apareguda darrerament al camp de la biologia.

Imagineu-vos com n’és, de fàcil, encendre o apagar un llum amb un interruptor. Ara imagineu-vos que, en comptes d’encendre (només) una bombeta, aquest interruptor també pogués marcar el ritme del batec de les cèl·lules d’un cor. O fer que un ratolí corregués sempre en la mateixa direcció, sense parar. Sembla ciència ficció, oi? Doncs avui dia és possible gràcies a una nova tècnica, l‘optogenètica. Podeu comprovar-ho vosaltres mateixos en aquest vídeo del canal de Nature a Youtube:

L’optogenètica combina mètodes òptics i genètics per manipular la funció d’un element biològic, ja sigui una sola proteïna o tota una cèl·lula. Aquesta tècnica es basa en les opsines (aquí us en diu alguna cosa més la Wikipedia in English), unes proteïnes que canvien de conformació en ser il·luminades. Això vol dir que, quan reben fotons (les partícules de la llum), les opsines canvien d’aspecte i es pleguen d’una altra manera. Depenent de la proteïna fotosensible que es faci servir, aquest canvi de conformació activa diferents processos cel·lulars. Aquest ventall de possibilitats de manipulació confereix a l’optogenètica un potencial extraordinari, sobretot a mesura que nombrosos grups de bioenginyers generen i perfeccionen noves eines.

Una mica d’història

La canalrodopsina és una d’aquestes opsines de les quals se serveix l’optogenètica. Aquesta proteïna és un canal situat a la membrana cel·lular que s’obre quan hi ha llum, fet que permet l’entrada de càrregues elèctriques positives a la cèl·lula. L’any 2002, els equips de Peter Hegemann i Georg Nagel (a les universitats de Regensburg i de Frankfurt, respectivament) van trobar canalrodopsines a la membrana d’algunes algues, com ara Chlamydomonas reinhardtii. A la natura, quan la llum arriba a l’alga, la canalrodopsina es modifica i activa una complexa maquinària intracel·lular que provoca que l’alga s’allunyi de la llum, tal com va descriure John L. Spudich a Houston.

Els canvis de conformació, en rebre llum, de les opsines (un tipus de canal iònic) són la base de l'optogenètica

L’any 2004, Karl Deisseroth i el seu equip d’investigació a la universitat d’Stanford (Califòrnia) van inserir aquesta proteïna fotosensible a la membrana de neurones de mamífer cultivades in vitro, mitjançant eines genètiques. Les neurones tenen una característica clau per a aquest experiment: son elèctricament excitables. Això vol dir que són capaces de transmetre informació en funció de les càrregues elèctriques que contenen. Si en una neurona la canalrodopsina funcionava igual que a les algues, en fer-hi entrar càrregues positives amb un pols de llum, aquesta neurona havia d’emetre un impuls elèctric. Aquest impuls rep el nom de potencial d’acció (més dades a la Viqui) i és el que permet a les neurones comunicar-se amb les seves companyes. Contra tot pronòstic—el sistema i les eines eren molt delicats, i els científics de vegades som massa pessimistes—, l’experiment va funcionar sorprenentment bé. Aquests investigadors havien aconseguit fer que les neurones responguessin a estímuls lluminosos aplicats a voluntat per humans. Però, sobretot, havien obert la porta a tota una revolució dins de les neurociències.

Des de llavors, nombrosos grups de recerca d’arreu del món van començar a fer servir l’optogenètica en diversos camps de la biologia. En paral·lel, bioquímics i enginyers genètics han anat creant noves eines optogenètiques i millorant les ja existents per tal de cobrir les necessitats que van apareixent. La tècnica s’ha estès tant que el número d’articles científics publicats que hi fan referència ha crescut exponencialment en els darrers anys i Nature va nomenar l’optogenètica “Mètode de l’Any 2010″.

Com funciona?

Diverses característiques clau fan que aquesta tècnica tingui tants avantatges respecte d’altres. En primer lloc, s’han descobert i creat nombroses versions d’aquests canals, sensibles a llum de diferents colors, i se sap que unes varietats de canals causen l’entrada de cations (càrregues positives que exciten les neurones), i unes altres la d’anions (càrregues negatives que les inhibeixen). Aquests opsines diferents es poden introduir alhora en una mateixa població de neurones o en diferents poblacions, el que dóna més versatilitat a la manipulació.

Aquí entra en joc la segona gran propietat de la tècnica: la capacitat de dirigir la manipulació a unes cèl·lules determinades. Les cèl·lules “diana” d’aquesta fotomanipulació són aquelles que tenen actiu al seu nucli un determinat promotor genètic. Aquest promotor permet que s’expressin els gens que hi ha al seu voltant, és a dir, fa que es sintetitzin proteïnes a partir d’aquests gens. L’ADN que els investigadors introdueixen a les cèl·lules per fer-les fotomanipulables conté aquest mateix promotor. D’entre els milers de neurones que han rebut l’ADN per fer la canalrodopsina, només aquelles que tenen actiu el promotor en qüestió el podran expressar i, per tant, fabricar la canalrodopsina. El promotor adequat l’escull el científic segons els seus interessos i tenint en compte les diferències en l’expressió gènica de cada tipus neuronal.

Un resum il·lustrat sobre com funciona l'optogenètica

Un tercer punt crucial és la resolució temporal que ofereix la tècnica, ja que es poden aplicar polsos de llum de l’ordre de mil·lisegons. Això te una rellevància especial quan es volen observar respostes que actuen en mil·lèsimes de segon, o bé quan cal estimular cèl·lules amb patrons temporals de freqüències controlades. Aquest darrer cas és el de les cèl·lules cardíaques o les neurones que codifiquen informació en funció de la freqüència de descàrrega elèctrica.

La quarta característica, que obre infinitat d’opcions, és la possibilitat d’aplicar la fotosensibilitat a altres proteïnes que desencadenen respostes diferents de l’entrada de càrregues elèctriques a la cèl·lula. Les proteïnes es manipulen genèticament per tal que, en rebre llum, s’uneixin a altres elements cel·lulars i desencadenin determinats processos, o per què activin certs promotors i es comencin a fabricar noves proteïnes que normalment no s’expressen en aquella cèl·lula. D’aquesta manera, la tècnica no es restringeix a cèl·lules excitables elèctricament. De fet, no es limita només a manipular cèl·lules, sinó que permet treballar amb processos cel·lulars que es poden recrear en un tub d’assaig o en una placa de Petri (sempre que el tub deixi passar la llum a través de les parets, és clar). D’aquesta manera es poden testar processos bàsics en biologia cel·lular i molecular que són universals a totes les cèl·lules o que tenen lloc només en algunes cèl·lules difícils de manipular.

On l’aplicarem?

L’àmbit en què més s’està aplicant l’optogenètica són les neurociències. Un dels projectes més prometedors és l’estudi de teràpies alternatives per a la malaltia de Parkinson. Avui dia, l’estimulació cerebral profunda (o DBS, de les sigles en anglès de deep brain stimulation) és un dels últims recursos per a pacients amb Parkinson o altres malalties neurals que no responen a la medicació. Quirúrgicament, s’implanten elèctrodes dins el cervell que estimulen elèctricament les neurones com si fossin marcapassos. Es desconeix quin mecanisme, a nivell de cèl·lules i circuits neuronals, és el responsable de la millora del pacient.

El problema més greu d’aquesta tècnica, però, és que els elèctrodes estimulen totes les cèl·lules que es troben al seu voltant, siguin del tipus que siguin. Aquesta estimulació generalitzada causa nombrosos efectes secundaris difícils d’analitzar i d’evitar, perquè no se sap com se’n veu afectat cada tipus neuronal. L’optogenètica podria resoldre aquest problema estimulant selectivament només algunes cèl·lules en concret, sense afectar la funció de les neurones o circuits del voltant que funcionen correctament. De moment, aplicada sobre models animals de malaltia de Parkinson, l’optogenètica ha permès saber quins components cal estimular per obtenir un millor resultat terapèutic i, fins i tot, ha servit per descobrir nous circuits implicats en la malaltia (com podeu veure aquí o aquí).

En la DBS, l'estimulació elèctrica afecta totes les neurones prop de l'elèctrode. L'aplicació de mètodes optogenètics, en canvi, permet un control més fi sobre els circuits neuronals afectats en la malaltia de Parkinson

Segons Deisseroth, l’optogenètica s’esta revelant com una eina que permet establir un molt desitjat nexe entre la psiquiatria i les neurociències més bàsiques. Això permetria tractar les complexes malalties de la ment des d’una perspectiva d’enginyer, manipulant de manera exquisidament fina les xarxes neuronals per obtenir, així, un resultat a nivell conductual.

I a més a més…

Del que gaire gent no s’adona és que, perquè aquesta tècnica veiés la llum, s’han necessitat molts altres recursos econòmics i humans, no sempre prou valorats per l’opinió pública. Per una banda, ha calgut una recerca bàsica molt intensa per descobrir les proteïnes fotosensibles en les quals es basa l’optogenètica. Per una altra banda, sense els esforços de conservació per mantenir la biodiversitat i els entorns naturals on viuen les algues i altres microorganismes portadors d’aquestes “eines bioquímiques”, aquesta tècnica no hauria estat mai desenvolupada. Deisseroth remarca aquests aspectes en la majoria de les xerrades que dóna sobre optogenètica, com podeu veure aquí.

Per tant, davant d’aquells que posen en dubte la utilitat de la recerca bàsica o la despesa invertida en la conservació dels recursos naturals, l’optogenètica esdevé una prova de com les necessitats que motiven la recerca aplicada també poden (i, segons Deisseroth, haurien de) inspirar la ciència i l’enginyeria a un nivell més bàsic.

Per ampliar informació:

I ara que ja en sabeu una mica més, de l’optogènetica, digueu-nos… Què us sembla que en podem esperar? Quines altres tècniques us sembla que poden portar fàcilment a “un abans i un després”? Voleu més articles com aquest, explicant més a fons algun mètode novedós?

Tant la Sara com jo, que portem setmanes batallant amb aquest post, esperem les vostres respostes.

6 comentaris

Arxivat sota Biologia, Col·laboradors, Medicina, Recerca

Pere Estupinyà — El lladre de cervells

Ja fa uns quants mesos que aquest llibre està disponible a les llibreries, tant en la seva versió castellana (la que jo he llegit, i que ens va arribar primer, editada per Debate), com en la catalana (editada per La Magrana). No tinc cap dubte que ha estat tot un èxit i, en cas contrari, és que aquest món no gira del tot rodó.

I és que el que en Pere Estupinyà ens ofereix en aquest llibre és una molt bona mostra dels motius pels quals molts li tenim una sana enveja. Químic i bioquímic, periodista científic, col·laborador de diversos mitjans de comunicació (començant pels seus Apuntes científicos desde el MIT de la comunitat blogaire de El País), guionista i editor del “Redes” de fa uns anys… i afortunat / esforçat receptor d’una beca Knight per passar-se un any a l’estat amb més universitats per metre quadrat (Massachusets), i concretament al MIT i la Universitat de Harvard. Aquí sí que l’enveja es desferma del tot: es va passar tot un any xerrant amb alguns dels millors científics del món, visitant i experimentant als seus laboratoris, picotejant una mica d’aquí i d’allà… i encara continua allà, als Estats Units, amb contactes privilegiats. Qui no voldria ser ell?

L'afortunat lladre, Pere Estupinyà

Gràcies a aquest accés tan directe a les fonts, podem fer un viatge per gran varietat de camps de la ciència guiats per aquells que hi han fet—i hi continuen fent—algunes de les aportacions més brillants. Aquí es parla de tot: biologia, neurociències, astrofísica, química, viatges espacials… i de política i economia, perquè també són interdependents amb la ciència.

Em resulta difícil explicar-vos de què va el llibre. En bona part perquè m’he adonat que, des que me’l vaig llegir, m’he anat oblidant de moltes coses, i per tant el més recomanable és que el torni a llegir ben aviat. Sí que us puc dir, però, que l’autor ens transmet totalment la visió privilegiada de la que ell va gaudir a Cambridge. Amb un estil planer, gens farragós, que no et refrega a cada moment que ell ha compartit molts moments amb guanyadors (actuals i futurs) del Nobel, Estupinyà s’obre la gavardina i ens ensenya tot el mostrari dels seus coneixements “robats. I, si bé potser no és cert del tot—perquè els científics tot sovint són molt gelosos de les seves decobertes—, acabes amb la sensació que aquest lladre ha pogut triar el que es volia endur de cada habitació tranquil·lament.

Una portada no pot ser més clara: feu-ne cas i llegiu les confessions dels seus cops

Tot i això, el llibre no són només explicacions fantàstiques de la feina d’aquests científics. Aquest assaig també té, i en bones dosis, moltes històries personals de l’autor. Aquesta és l’eina que tot sovint fa servir per introduir la seva opinió; una opinió, subjectiva per definició, fonamentada tant com pot en l’objectivitat científica. Per exemple, hi ha una postura molt clara respecte a les pseudociències (no se’ls ha de “donar bola”). Però també hi ha opinions que han variat amb el pas del temps (vegeu el cas dels viatges tripulats a l’espai), o algun cas on la posició encara no s’ha definit del tot perquè hi ha arguments a favor de totes les postures (quina és la millor manera d’ajudar els més pobres, invertint-hi enormes quantitats de diners o afavorint un autèntic lliure mercat?).

La principal pega que li veig a aquesta recopilació de coneixements privilegiats és que et deixa amb gana. Justament quan es comença a posar més interessant, quan tens la sensació que t’estàs endinsant—per fi!—ens els secrets més ben guardats, justament llavors… s’acaba el capítol i toca canviar de tema. Si en vols saber alguna cosa més, vés a Internet i perd-te pel nou món que se t’acaba d’obrir al davant. I això passa a cada apartat! És clar que, si tenim en compte que això és precisament el que l’autor pretén (com ja ens confessa en la introducció), doncs més que una crítica, és un “Missió acomplerta, Sr. Estupinyà“.

Sigui com sigui, és una lectura d’allò més recomanable. És un molt bon llibre per endur-vos de vacances (segur que molts encara en teniu uns dies, o les feu al setembre per tenir unes condicions immillorables), però també per al dia a dia, perquè és d’aquells que no cal seguir el fil. Si avui et ve de gust llegir sobre cèl·lules mare, tot teu, i si demà prefereixes l’energia fosca, ningú t’impedirà fer el salt a la biologia.

Entre altres històries, el llibre us explicarà els secrets de les "Torres de la Creació" (NASA) i del cuc de 8 caps (P. Estupinyà)

I per acabar-ho de rematar, té dos dels take-home messages més potents que he tingut la sort de trobar darrerament. Dos consells que prometo fer esforços perquè no se me’n vagin mai del cap:

No ens traguem les ulleres de la ciència. La Ciencia ens aporta la millor visió possible (i més en profunditat) del món; per què hi hem de renunciar?

Rascar donde no pica. En poques paraules (i molt certes): no hi ha absolutament res que no sigui interessant. I segurament el més interessant de tot és allà on no t’ho esperaries mai. [Aquí, el mateix Estupinyà us en dirà alguna cosa més]

Si l’autor pretenia deixar els dos missatges ben clars, amb mi ho ha aconseguit. La resta, és accessori… i sempre ho puc tornar a llegir ;-).

I ara us toca a vosaltres. Algú més s’ha llegit el llibre? Quines sensacions us ha deixat? Teniu alguna part preferida? Alguna que us desagradi especialment? Heu captat altres missatges a part dels dos que jo he procurat gravar-me ben clars? Els comentaris són vostres…

Deixa un comentari

Arxivat sota General, Lectures, Visions

VdM – Poders del 10

Ja em disculpareu la traducció lliure del títol, però la veritat és que aquest em sembla més suggerent que no pas el més correcte de Potències de 10.

El que podeu veure en aquest post, avui que recupero la secció Vídeo del Mes (que, com vaig profetitzar, es convertirà aviat en Vídeo del Semestre), és un petit clàssic de la divulgació. Es tracta d’un curtmetratge documental de 1977, pensat i fet per dos dissenyadors nord-americans (Bernice “Ray” Eames i el seu marit Charles Eames), i narrat per Philip Morrison, professor emèrit de Física del Massachusetts Institute of Technology (més conegut com MIT o “em-ai-ti”, si sou molt anglòfils).

L’origen de la pel·lícula és un llibre il·lustrat de 1957, Cosmic View (“Visió còsmica”), de l’holandès Kees Boeke. Boeke va ser un educador que va crear aquest projecte en col·laboració amb els alumnes de l’escola que ell mateix va fundar a Bilthoven. Tenia la idea de mostrar que la Terra es troba immersa en un Univers inabastable, però després es va adonar que també podia mostrar les meravelles que es troben a una escala infinitament petita, al nostre interior. L’obra original completa es pot trobar a la pàgina de Mitchell Charity, i hi he arribat gràcies a aquesta entrada que Microsiervos va dedicar al llibre i les seves diverses derivades.

Tres etapes de referència als viatges per les potències de 10 que ens proposen Cosmic View i Powers of Ten: el nucli atòmic, la visió familiar d'una persona i la immensitat de l'Univers

El que més m’agrada del llibre i del documental dels Eames, i que sobretot aquest últim reflecteix particularment bé, és la idea de la continuïtat entre el més microscòpic (del que encara no ho sabem tot) i el més macroscòpic (del que tampoc ho sabem tot) dels móns.

Gràcies al vídeo (tot i alguns mínims errors que podeu trobar a l’entrada a la Wiki), fem un viatge a través de 40 (!) ordres de magnitud: la diferència d’augment entre els extrems és de 10.000 sexilions (una paraula que no he pogut confirmar si existeix). O dit d’una altra manera, la diferència és de

10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000

de vegades. Passem, com es veu, dels 10^-16 m (0,000001 ångstroms) del nucli atòmic als 10^24 m (100 milions d’anys llum), proper al límit de la vastitud de l’Univers que podem veure.

Tot plegat són xifres que maregen, però que queden perfectament ben lligades gràcies a l’escala humana, que coneixem perfectament bé.

Espero que en gaudiu, que al·lucineu amb com en som alhora de grans i de petits i, sobretot, que no us talleu per comentar qualsevol cosa que us cridi l’atenció de tot plegat!

Via el Tumblr de Josep Maria Ganyet (@ganyet)

Deixa un comentari

Arxivat sota Astronomia, General, Química, Vídeo del Mes (VdM), Visions

La navalla suïssa biològica

Gràcies a la seva versatilitat, fa més de 100 anys que la mosca de la fruita és protagonista de la recerca bàsica en ciències de la vida i de la salut

L’octubre de 2008, Sarah Palin es queixava dels diners que el seu govern dedica a “projectes que no tenen res a veure amb el bé públic”. I la candidata republicana a la vicepresidència dels EUA va exemplificar la seva postura, concretament, amb els fons federals destinats a la recerca amb la mosca de la fruita.

El nom d’aquests insectes, de tan sols 2 o 3 mil·límetres, prové del fet que se’ls sol trobar prop de fruita en fermentació, on ponen els ous. Tot i ser diminutes, aquestes mosques són una peça clau en molts laboratoris de biologia, fins al punt que Drosophila melanogaster (vet aquí el seu nom científic) ha estat essencial en tres premis Nobel en Medicina. La pregunta, doncs, és clara: què la fa tan especial?

Un exemplar de Drosophila melanogaster (Autor: André Karwath) (Font: Flickr)

Per a Florenci Serras, professor de Genètica a la Universitat de Barcelona (UB), Drosophila destaca perquè estudiar-ne els gens és més senzill que en altres organismes. A més a més, és un animal amb una estructura corporal molt ben coneguda —s’hi ha treballat durant més d’un segle— i que pot mantenir-se al laboratori a un cost molt assequible. Això fa que Drosophila s’utilitzi pràcticament en qualsevol camp de la biologia, des de l’estudi de poblacions fins a la neurobiologia, passant per l’ecologia, com apunta Joan Balanyà, membre també del Departament de Genètica de la UB. Pel que fa als èxits aconseguits amb Drosophila, Serras ressalta el seu paper bàsic en l’estudi del càncer, mentre que Balanyà subratlla la seva utilitat per “aclarir la base genètica de qualsevol fenomen”.

Diferents mutants de Drosophila melanogaster (Font: Wikipedia)

Juntament amb Montserrat Corominas, Serras lidera un laboratori on utilizen Drosophila per aprofundir en la “delicada” regulació de programes complexos com els del desenvolupament embrionari o la regeneració. En concret, els interessa la formació de les neurones fotoreceptores, que capten la llum als ulls caleidoscòpics d’aquestes mosques. La seva anàlisi els ha dut a identificar una sèrie de proteïnes, imprescindibles en aquest procés, que activen un mecanisme similar a la neurodegeneració. “Aquesta podria ser una contribució molt important per entendre les causes de l’Alzheimer”, afirma Serras. Per altra banda, el seu grup treballa en les reaccions d’un teixit quan en mor una part de les cèl·lules (com passa, per exemple, als infarts). Com que alguns teixits de Drosophila es poden reparar a partir de les cèl·lules supervivents, les mosques els permeten estudiar en detall els senyals necessaris per a la regeneració.

L’escalfament global és un altre camp on s’ha tret profit de Drosophila. L’equip de Balanyà ha dut a terme “un dels primers estudis que demostren l’impacte genètic del canvi climàtic”, com ell mateix el defineix. Per a fer-lo, han utilitzat una “cosina germana” de Drosophila melanogaster, la Drosophila subobscura. Els seus resultats demostren que, en aquests mosques, determinades inversions cromosòmiques (un fenomen pel qual els gens d’un cromosoma apareixen amb un ordre oposat a l’habitual) característiques d’ambients càlids apareixen cada vegada més sovint a les nostres latituds, i fins i tot en climes més freds.

Però aquesta història no s’acaba aquí: aquestes mosques prometen portar encara més d’una alegria en disciplines com l’evolució o la genètica del comportament, entre d’altres. I es que, tot i la seva mida reduïda, Drosophila continua sent la gran eina de la biologia.

——-

Aquest reportatge és el treball final del Taller de Redacció del Màster de Comunicació Científica, Mèdica i Ambiental organitzat per la Universitat Pompeu Fabra i l’Observatori de la Comunicació Científica.

Les declaracions de Sarah Palin que il·lustren l’inici del text es poden trobar a YouTube, juntament amb algunes respostes molt aclaridores.

Agraeixo als doctors Florenci Serras i Joan Balanyà, de la Universitat de Barcelona, la seva imprescindible col·laboració en aquest text. Sé que no hi he inclòs tot el que em van dir, però confio que es veuran reflectits en el que poden llegir aquí.

Per acabar, us deixo amb la imprescindible Biografía de una mosca que Juan José Millás va escriure per a El País Semanal fa cosa de tres anys. Al meu entendre, es tracta d’un text que converteix en apassionants uns fets d’alló més anodins, a banda d’una molt bona peça de divulgació.

I amb això, espero, iCIENTIFICats torna amb força. Us ha interessat el reportatge? Teniu suggeriments a fer? Voleu ampliar la informació sobre algun aspecte en concret? Aquest cop he variat una mica el format, cenyint-me a les exigències del Màster, i no he volgut afegir res més a l’original.

Espero els vostres comentaris després d’aquest temps d’absència, que procuraré que no s’allargui més. Benvinguts de nou, tot i que sé que molts no heu marxat.

3 comentaris

Arxivat sota Biologia, Canvi climàtic, Recerca