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Jun 03, 2024

Convertirse en biónico: ingeniería más allá de la biología

Por Eliza Strickland, Ariel Bleicher, Mia Lobel y Laurie Howell “Becoming Bionic” explora cómo los ingenieros y científicos transmutan la naturaleza en ingeniería. Adaptar lo que observan en los vivos.

Por Eliza Strickland, Ariel Bleicher, Mia Lobel y Laurie Howell

“Becoming Bionic” explora cómo ingenieros y científicos transmutan la naturaleza en ingeniería. Adaptando lo que observan en el mundo vivo, crean productos o procesos útiles, yendo más allá de la simple imitación de estructuras biológicas. Este programa, que forma parte de la serie "Ingenieros del Nuevo Milenio", es una coproducción de la Dirección de Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencias y la revista IEEE Spectrum.

Contenido:

Susan Hassler: Comenzaremos con las unidades biológicas básicas de todos los organismos vivos conocidos. Células.

Phil Ross: Cuando hablamos de biónica, normalmente hablamos de hardware que se agrega al cuerpo humano para hacerlo más fuerte o más capaz. Pero Eliza Strickland está aquí para hablar de una idea que va en la otra dirección.

Eliza Strickland: Correcto. Esta es la idea: al tomar células humanas vivas del cuerpo y agregarlas a dispositivos externos, los científicos creen que pueden lograr grandes mejoras en la investigación médica.

Susan Hassler: Todavía estamos hablando de la fusión de humanos y hardware, pero ¿esa fusión se está produciendo en dispositivos del laboratorio?

Eliza Strickland: Así es. Y un ejemplo particularmente interesante de esto es la llamada tecnología de órgano en un chip. Un órgano en un chip es un intento de imitar las funciones esenciales de un órgano humano, como el corazón o los pulmones, en un chip de caucho de silicona que es más pequeño que el pulgar.

Susan Hassler: ¿Y por qué los investigadores quieren fabricar estos órganos de imitación en miniatura?

Eliza Strickland: Bueno, esperan que estos chips puedan usarse para desarrollar nuevos medicamentos. Dicen que probar nuevos medicamentos en estos órganos en chips sería más barato, más rápido y menos controvertido que probarlos en animales. Para obtener más información, fui a hablar con el principal experto del mundo en esta tecnología.

Don Ingber: Soy Don Ingber; Soy el director fundador del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard.

Eliza Strickland: Me reúno con Ingber en la sede del Instituto Wyss en Boston, dentro de un edificio alto y acristalado. El instituto tiene sólo tres años y todo parece nuevo y brillante. Ingber me acompaña por los laboratorios y se detiene en una mesa de laboratorio donde se exhiben algunas muestras.

Don Ingber: Aquí lo que ves es un pulmón, un corazón, un riñón, una médula ósea, un intestino.

Eliza Strickland: Pero no estamos ante órganos carnosos y desordenados que rezuman sangre en frascos. En cambio, estamos mirando cinco pequeños trozos de plástico transparente y flexible con unas cuantas líneas diminutas grabadas en ellos. Se conectan varios tubos a los chips para impulsar aire o un líquido parecido a la sangre a través de ellos. Estas son versiones muy limpias y simplificadas de nuestros órganos humanos.

Don Ingber: Sí, este es el pulmón de un chip. Es este microdispositivo cristalino del tamaño de una tarjeta de memoria de computadora, por lo que podemos sostenerlo, aunque esto imita literalmente los movimientos, flujos y absorciones mecánicas de la respiración del pulmón humano.

Eliza Strickland: Decenas de miles de células humanas prosperan en este chip. Y no crecen en grupos desorganizados, como lo harían en una placa de Petri. En cambio, el chip replica la estructura básica de uno de los 700 millones de sacos de aire del pulmón, donde la sangre fluye a través de pequeños capilares e intercambia dióxido de carbono por oxígeno fresco.

Eliza Strickland: En este chip, una membrana esponjosa y porosa está recubierta por un lado con células pulmonares y el aire fluye sobre estas células a través de un canal microscópico. El otro lado de la membrana está recubierto con las células capilares que se encuentran en nuestros vasos sanguíneos más pequeños, y un líquido que imita la sangre fluye a través de esas células en otro canal diminuto.

Eliza Strickland: Esto permite a los investigadores observar los procesos biológicos que ocurren de forma simplificada, allí mismo, en el chip. Así, los investigadores pueden colocar un fármaco en las vías respiratorias del chip, por ejemplo, y observar cómo se absorbe en la sangre.

Don Ingber: Es reducirlo a la esencia.

Eliza Strickland: Pero hay un elemento más necesario para imitar el sistema humano. En nuestros pulmones, nuestros sacos de aire se expanden y contraen con cada respiración. Así que el pulmón de un chip también tiene que expandirse y contraerse.

Don Ingber: Esto controla los movimientos respiratorios.

Eliza Strickland: En el sistema de Ingber, una bomba controlada con precisión aplica succión a ambos lados de la viruta de goma.

Don Ingber: Y todo el dispositivo es de goma de silicona flexible y transparente como el cristal, de modo que cuando se realiza la succión, el dispositivo con las células, las dos capas de células, se estiran y luego, cuando se libera, se relajan.

Eliza Strickland: Estos chips se fabrican utilizando técnicas aprendidas en la fabricación de microchips de computadora. Esa industria perfeccionó formas de grabar canales microscópicos en obleas de silicio para crear patrones.

Don Ingber: No es que estemos forzando a las células a crear microchips, sino que estamos utilizando la fabricación de microchips por computadora para fabricar sistemas que satisfagan nuestras necesidades.

Eliza Strickland: Ahora que los investigadores han construido este modelo funcional de pulmón humano, el siguiente paso es ponerlo en práctica. Y ahí es donde entra en juego la industria farmacéutica.

Don Ingber: El eslogan que me han dicho los ejecutivos farmacéuticos es que tenemos que aprender a fracasar de forma rápida y económica. Pero recuerde, un solo medicamento puede costar [US] $ 2 mil millones para llevar una sola sustancia química desde el descubrimiento hasta los ensayos clínicos en humanos. Esta es una decisión muy, muy importante.

Eliza Strickland: Ingber dice que el sistema actual de probar un fármaco en placas de Petri y en animales no predice muy bien si realmente funcionará en seres humanos.

Don Ingber: Trabajarán con células en placas; de hecho, incluso con células humanas en placas. Pero el problema es que, cuando una célula está en un plato, pierde la mayoría de las propiedades especializadas que tiene en el cuerpo; por lo general, simplemente prolifera, no es funcional. Y lo que terminan haciendo es realmente confiar en estudios con animales para validar qué medicamento elegir...

Eliza Strickland: E Ingber dice que los estudios con animales no sólo son controvertidos, sino que también son ineficaces.

Don Ingber: El problema es que la mayoría de las veces lo que predijeron a partir de los estudios en animales no logra predecir lo que sucede en los humanos, y tienen estos enormes fracasos, y ya han gastado cientos de millones, si no miles de millones de dólares. Y ahí es donde surge la frase "Queremos aprender cómo fallar de manera rápida y económica", porque prefieren decir "Esto es un error" al principio del proceso y luego elegir otro medicamento.

Eliza Strickland: Si las compañías farmacéuticas pueden probar un nuevo medicamento en un chip que imita las funciones de un pulmón humano, pueden descubrir de inmediato si el medicamento es tóxico para las células humanas y pueden estudiar cómo se absorbe en el torrente sanguíneo. Los investigadores pueden incluso introducir glóbulos blancos en sus sistemas de chips para estudiar cómo responde el sistema inmunológico al fármaco. Y el pulmón en un chip es sólo el comienzo.

Don Ingber: Estamos trabajando en muchos órganos. Hemos logrado algunos avances en la médula ósea en un chip y en el riñón en un chip. Nos hemos centrado en 10 órganos diferentes y la idea de vincularlos a todos en diferentes órdenes y de diferentes maneras.

Eliza Strickland: Ingber quiere unir toda una serie de chips y conectarlos con fluidos que fluyan para imitar la forma en que están conectados en el cuerpo humano. Básicamente, está trabajando para crear un ser humano en un chip.

Don Ingber: Es como tomar un diagrama de un libro de texto de biología y darle vida.

Eliza Strickland: Creando vida en un chip. El material de la literatura sobre monstruos está vivo y coleando y vive en pequeños chips en este laboratorio de Boston. Soy Eliza Strickland.

Foto de : Instituto Wyss

Susan Hassler: Phil, ¿alguna vez te preguntaste cómo se sentiría ser biónico?

Phil Ross: ¡Claro, sería genial! Quiero decir, ¿quién no querría tener un brazo tan fuerte como un bulldozer o un ojo que pueda acercar y alejar?

Susan Hassler: No lo sé... tal vez no sería tan divertido como crees. Creo que podría sentirme un poco raro. Como Eduardo Manostijeras o el monstruo de Frankenstein. Pero claro, todo eso es ciencia ficción. Nuestro reportero Ariel Bleicher cuenta una historia real sobre lo que realmente significa volverse biónico.

Ariel Bleicher: Correcto. Así que déjame empezar presentándote a alguien.

Miikka Terho: Sí, mi nombre es Miikka Terho. Soy nativo de Finlandia.

Ariel Bleicher: Cuando conoces a Miikka, parece un tipo normal. Tiene alrededor de 40 años, es delgado, atlético, cabello rubio y tiene estos brillantes ojos azul marino. Pero cuando era adolescente descubrió que tenía una enfermedad degenerativa.

Miikka Terho: Sí, es una enfermedad llamada retinosis pigmentaria (RP, como la llaman ellos).

Ariel Bleicher: Alrededor de un millón y medio de personas padecen RP. Nacen con un defecto genético que hace que las células de la retina (el tejido que recubre la parte posterior del ojo) se deterioren con el tiempo. Estas células, las células fotorreceptoras, detectan patrones de luz que ingresan al ojo. Y convierten esos patrones en señales eléctricas, que transmiten a sus células vecinas. Luego, esas células transmiten las señales a sus vecinas y esta cadena de retransmisión llega hasta el cerebro.

Susan Hassler: Entonces, si las células fotorreceptoras dejan de funcionar, la cadena se rompe.

Ariel Bleicher: Correcto. Para cuando Miikka tenía alrededor de 30 años...

Miikka Terho: Entonces perdí por completo la vista central.

Ariel Bleicher: Estuvo ciego durante 15 años. Entonces, un día se enteró de un pequeño estudio experimental dirigido por un oftalmólogo e investigador de la Universidad de Tubinga, en el sur de Alemania.

Eberhart Zrenner: Mi nombre es Eberhart Zrenner. Dirijo una clínica para la degeneración hereditaria de la retina. Veo pacientes con estas enfermedades.

Ariel Bleicher: En los años 90, el Dr. Zrenner tuvo esta loca idea.

Eberhart Zrenner: Pensé en esta idea: ¿por qué no sustituir los fotorreceptores naturales por fotorreceptores técnicos? Estos chips están en todas partes: en los teléfonos móviles y ¿por qué no ponerlos en un ojo?

Ariel Bleicher: Formó un equipo de investigadores, consiguió inversores, hizo experimentos con ratas, conejos y cerdos y finalmente fundó una empresa. Y el producto que surgió de todo este esfuerzo fue este...

Eberhart Zrenner: …un chip muy pequeño, de una décima de milímetro de espesor.

Ariel Bleicher: Tiene aproximadamente el tamaño de una peca.

Phil Ross: ¿Y este chip se implanta quirúrgicamente en el ojo, justo donde están los fotorreceptores muertos?

Ariel Bleicher: Sí, esa era la idea. En realidad es un diseño realmente elegante. El chip se compone de 1.500 dispositivos electrónicos diminutos llamados fotodiodos, cada uno de los cuales está emparejado con otro dispositivo diminuto llamado electrodo. Y todos estos pares de fotodiodos y electrodos están dispuestos en el chip en forma de cuadrícula. Básicamente, actúan como pequeños píxeles electrónicos de una cámara. Entonces, cuando la luz pasa a través del ojo y cae sobre el chip, cada uno de los 1500 fotodiodos...

Eberhart Zrenner: … toma cada punto de la imagen, lo traduce en una pequeña corriente.

Ariel Bleicher: Luego, el fotodiodo pasa la corriente al electrodo con el que está emparejado. Entonces el electrodo...

Eberhart Zrenner: … dependiendo del brillo de ese punto concreto, introduce corriente en la célula vecina.

Ariel Bleicher: Y la cadena de relevos que estaba rota, ahora está arreglada. De todos modos, así era como se suponía que debían suceder las cosas.

Susan Hassler: ¿Se supone que sucederá?

Phil Ross: Déjame adivinar. No funcionó.

Ariel Bleicher: No funcionó. Al menos no como esperaba el doctor Zrenner. En 2005, inició un pequeño estudio piloto con 11 pacientes. Y los primeros 10 pacientes no podían ver mucho. Algunos de ellos podían decir si una línea en la pantalla de una computadora era horizontal o vertical. Pero eso fue todo.

Eberhart Zrenner: En aquel momento no sabíamos si alguna vez tendríamos éxito. Pero había un paciente, el último paciente, esencialmente Miikka.

Ariel Bleicher: Los resultados de los primeros 10 pacientes fueron tan pobres que el Dr. Zrenner y su equipo de investigación decidieron hacer algo un poco diferente con Miikka. Le dijeron al cirujano que colocara el chip justo en el centro del ojo de Miikka, debajo de una estructura llamada fóvea, que en las personas videntes es responsable de producir imágenes realmente nítidas y detalladas, como el texto en la pantalla de una computadora o los rasgos del rostro de alguien. . Los investigadores habían evitado la fóvea antes porque el tejido es especialmente delicado y sabían que el chip no sería capaz de producir imágenes perfectamente nítidas de todos modos. Pero éste era su último paciente, tal vez su última oportunidad, y pensaron que valía la pena intentarlo.

Ariel Bleicher: Cuando Miikka se despertó de la operación, lo primero que recuerda es que estaba aturdido y le dolía la cabeza. Parecía como si le hubieran dado un puñetazo en la cara. La piel alrededor de su ojo izquierdo, donde se había implantado el chip...

Miikka Terho: ...era como todos los colores del arcoíris: amarillo, verde, morado.

Ariel Bleicher: La única evidencia de su nuevo yo biónico era un cable de alimentación delgado, con un enchufe en el extremo, que sobresalía de la piel detrás de su oreja. Uno de los investigadores conectó una caja de control con una batería a ese cable, accionó un interruptor...

Miikka Terho: …y luego me preguntaron si tenía algún tipo de sensación visual y dije que sí. Hubo un destello de luces, muchos destellos de luces.

Ariel Bleicher: Al principio no tenía idea de lo que estaba mirando. Simplemente sabía que estaba viendo.

Miikka Terho: Pero minuto a minuto, hora tras hora, todo empezó a tener más sentido.

Ariel Bleicher: Volvió a aprender a leer letras sencillas: Ls, Ts, Cs, Os. Y reconocer objetos...

Miikka Terho: Tenedor, cuchara, hoja de cuchillo, tazones, tazas...

Ariel Bleicher: Incluso se hizo un examen de la vista y obtuvo una puntuación justo por encima del límite para ser legalmente ciego.

Phil Ross: ¡Guau! Entonces, después de 15 años de estar ciego, ¡puede volver a ver!

Ariel Bleicher: No exactamente. Tres meses después de que Miikka recibiera el chip, un cirujano volvió y se lo extrajo.

Susan Hassler: ¿Le quitaron el chip que le había dado la vista?

Phil Ross: ¡¿Por qué?!

Ariel Bleicher: Protocolo. Recuerde, este fue un estudio piloto para demostrar que vale la pena realizar un gran ensayo clínico. Era la primera vez que el chip se implantaría en humanos y los investigadores querían correr el menor riesgo posible: evitar infecciones y cosas así. Así que dejaron el chip dentro el tiempo suficiente para probarlo y luego lo volvieron a sacar.

Susan Hassler: Ahora que Miikka ha probado esta nueva visión biónica, ¿la extraña?

Miikka Terho: Ah, sí. Como dije por supuesto, naturalmente. Sería bueno recuperar el chip o incluso recuperar la vista. Pero también entiendo que, sea lo que sea, si alguna vez recupero permanentemente algún tipo de visión central, no será una visión normal. No puedo simplemente ir a la playa y mirar a las chicas. No es tan bueno. Puedo ir allí y ver las formas de esos bebés [risas], pero realmente no puedo identificarlos. Así que no es una visión tan normal porque de todos modos es una forma artificial de ver. Pero entonces será muchísimo mejor que nada.

Ariel Bleicher: Todavía está evolucionando y mejorando. Visité la empresa en Tübingen, Alemania, que fabrica los chips: se llama Retina Implant. Actualmente se encuentran en medio de un ensayo clínico y esperan obtener la aprobación para vender el dispositivo en Europa a finales de año. Hasta ahora, han probado la versión más nueva en 22 pacientes más, y algunos de esos pacientes pueden ver tan bien (o en algunos casos, mejor) que Miikka.

Phil Ross: Y seguramente alguien algún día creará una retina biónica tan buena como una natural.

Susan Hassler: ¡O mejor!

Ariel Bleicher: Bueno, resulta que sigue siendo un gran sueño. La retina humana natural tiene alrededor de 115 millones de fotorreceptores, mientras que el chip sólo tiene 1.500 electrónicos. Así que la tecnología definitivamente tiene mucho camino por recorrer. Pero le pregunté al director ejecutivo de Retina Implant, su nombre es Walter Wrobel, qué cree que podría ser posible en el futuro.

Walter Wrobel: [suspiro] No lo sé. Realmente no lo sé.

Ariel Bleicher: Dice que probablemente se podría mejorar la calidad de imagen del chip encontrando una forma de introducir más electrodos y fotodiodos. También se podría ampliar la ventana a través de la cual ve un paciente (su campo visual) implantando varios chips seguidos. Pero entonces Wrobel, muy casualmente, dijo algo que me sorprendió por completo.

Walter Wrobel: También se puede pensar en poder reconocer la luz infrarroja…

Phil Ross: Espera, ¿acaba de decir que una retina electrónica puede reconocer la luz infrarroja?

Walter Wrobel: …radiación infrarroja, que es muy cercana al rojo pero ya no es visible.

Ariel Bleicher: Está justo fuera de las longitudes de onda de luz que tú y yo podemos ver.

Susan Hassler: ¿Entonces está diciendo que es posible que las personas con este chip vean cosas que ni siquiera las personas videntes pueden ver?

Walter Wrobel: Sí.

Ariel Bleicher: Loco, ¿verdad? Wrobel me dijo que un día, de la nada, uno de los pacientes del estudio de repente le dijo a dos médicos en la sala de pruebas...

Walter Wrobel: “Oh, tienes abrigos diferentes. Una capa es brillante y la otra es oscura”. Y se asombraron porque ambos tenían abrigos oscuros.

Ariel Bleicher: Pero el paciente insistió…

Walter Wrobel: Dijo: “No, no, uno es brillante y el otro es oscuro”. Hmph.

Ariel Bleicher: Los investigadores observaron los abrigos a través de un visor nocturno, que puede detectar luz infrarroja. Y efectivamente…

Walter Wrobel: …y realmente resultó que en infrarrojos, una de las capas parecía brillante: hecha de plástico, lucía brillante. Y el otro era de algodón o lana y era oscuro. Entonces él realmente podía ver esta luz infrarroja.

Phil Ross: Vaya. Entonces, ¿qué impide a la empresa fabricar un chip que permita a la gente ver, digamos, la luz ultravioleta, como lo hacen las mariposas?

Ariel Bleicher: Bueno… ¡nada! Pero Wrobel dice que ese no es el punto.

Walter Wrobel: Hay algunos autores de ciencia ficción y demás que sueñan con eso. No estamos soñando; Nos estamos dando cuenta de nuestros dispositivos.

Ariel Bleicher: Miikka tiene una actitud similar hacia toda la experiencia. Dice que el chip no lo hizo sentir como un superhéroe, ni tampoco como un bicho raro. Simplemente estaba feliz de participar en la búsqueda de algo bueno e importante, algo que podría ayudar a mucha gente. Lo cual, si lo piensas bien, es todo lo que realmente podemos pedirle a la tecnología: que nos ayude a convertirnos en mejores versiones de lo que ya somos. Soy Ariel Bleicher.

Foto de : Implante de retina

Susan Hassler: Ahora vamos a pasar a un tipo diferente de biónica: de partes biónicas del cuerpo a otro tipo de biotecnología basada en procesos naturales.

Phil Ross: Está sucediendo en la Universidad de California, Davis.

Susan Hassler: Hemos prometido informarles sobre los investigadores que secuestran plantas de tabaco. Bueno, esto es todo.

Phil Ross: Están usando plantas de tabaco para producir compuestos que de otro modo serían muy costosos y difíciles de producir. Vacunas.

Susan Hassler: En pocas palabras: quieren poder desarrollar vacunas de forma más rápida y económica.

Phil Ross: Allá vamos, al laboratorio de UC Davis donde trabaja la ingeniera química Karen McDonald.

Karen McDonald: Y lo que haré es primero quitar la tapa de la cámara de vacío. Es una cámara que tiene aproximadamente un pie de diámetro y tal vez 18 pulgadas de alto.

Susan Hassler: Toma una pequeña planta de tabaco, la corta por la base y la coloca boca abajo en una solución transparente. Vuelve a colocar la parte superior de la cámara de vacío y luego acciona un interruptor.

Karen McDonald: Y a medida que aumenta el vacío, lo que veremos es que el aire que está dentro de las hojas sumergidas en el líquido comenzará a salir de la hoja. Y en la superficie de la hoja, se generarán estas burbujas, y luego esas burbujas se elevarán hasta la interfaz del aire. Se necesitan unos minutos para alcanzar el nivel de vacío.

Phil Ross: Este es un proceso llamado agroinfiltración al vacío y se utiliza para inyectar nuevas instrucciones de ADN en las células de la planta. Estas instrucciones le dicen a la planta que produzca una proteína que no produciría naturalmente; por ejemplo, una vacuna para la gripe común.

Karen McDonald: Lo principal que me inspiró a continuar con este proyecto fue darme cuenta, probablemente principalmente en 2009, cuando surgió la pandemia H1N1, de que las tecnologías de fabricación actuales para fabricar vacunas no son lo suficientemente rápidas para responder a una nueva pandemia. Entonces, lo que descubrimos en los últimos años es que las plantas, y en particular el tabaco, constituyen biofábricas muy eficientes para producir vacunas muy rápidamente. Y la tecnología que utilizamos es una en la que básicamente podemos pasar de las instrucciones genéticas de la vacuna a fabricarla en varias semanas.

Susan Hassler: La producción tradicional de vacunas a base de huevos generalmente lleva unos meses y es bastante costosa, entre diez y quince dólares por dosis. El proceso de McDonald's podría acelerar drásticamente esto y reducir este costo a menos de un dólar por dosis, revolucionando potencialmente la industria.

Karen McDonald: Básicamente, utilizamos la maquinaria biosintética de las células dentro de la hoja, las células vegetales, para fabricar nuestro producto. Y las ventajas son que esas células se han cultivado mediante la fotosíntesis, uno de los procesos más eficientes (energéticamente eficientes) que existen.

Phil Ross: En este momento, el proceso de infiltración al vacío de McDonald's puede producir de 1 a 10 dosis por planta. Pero con algunos ajustes, espera poder recibir hasta 100 dosis. Todo ello utilizando una planta naturalmente adaptada a este tipo de trabajo.

Karen McDonald: Las plantas de tabaco son un buen huésped para fabricar vacunas por un par de razones. Una es que el tabaco no es un cultivo ni forrajero, por lo que no compite con otros usos de la planta. Es una planta grande, frondosa y de alta biomasa, y para nuestras aplicaciones necesitamos hojas, mucho tejido de hojas verdes, por lo que, en ese aspecto, el tabaco es un buen huésped. Y también los productores de tabaco están buscando usos alternativos del tabaco además de fumar, y este es un uso eficiente del mismo para fabricar un producto de alto valor.

Susan Hassler: En realidad, eso es productos en plural. Su método no se limita a las vacunas contra la gripe.

Karen McDonald: Sí, este tipo de producción podría usarse para producir básicamente cualquier tipo de proteína recombinante. Y eso incluiría cosas como anticuerpos monoclonales, enzimas industriales, agentes de biodefensa, proteínas de la sangre humana, biopolímeros.

Phil Ross: Toda una serie de compuestos que tradicionalmente han sido difíciles de producir de forma escalable. Básicamente, el proceso de McDonald's convierte estas plantas de tabaco en mini biofábricas, que producen proteínas de forma más rápida, más barata y más eficiente que los procesos de fabricación actuales.

Karen McDonald: Ahora tenemos aproximadamente 15 pulgadas de mercurio, así que continuaré y liberaré el vacío. Y en ese punto verás que las hojas cambian de un verde claro a un verde muy oscuro. [ruido fuerte] Y luego quitaremos la tapa, quitaremos la tapa de la cámara de vacío. Y puedes sacar las hojas y podrás ver visualmente las áreas oscuras de la hoja donde la solución se ha infiltrado en el tejido.

Susan Hassler: Deja que la planta se seque durante unos minutos y luego coloca las hojas en una caja humidificada.

Karen McDonald: Y simplemente lo almacenamos en la oscuridad durante, como digo, de cinco a siete días y dejamos que las células vegetales hagan lo suyo.

Phil Ross: Todo lo que necesitas son las instrucciones genéticas correctas.

Karen McDonald: Esperamos que nuestro trabajo ayude básicamente a catalizar esta nueva industria en la que las plantas se utilizan para fabricar productos proteicos muy importantes y de alto valor. Y así es: esperamos atraer más atención a esta estrategia como estrategia de biofabricación y, con suerte, reducir el costo de la terapia y aumentar la velocidad con la que se pueden producir nuevas moléculas.

Susan Hassler: Son bastante cercanos. Pero McDonald y su equipo todavía tienen que dar un paso clave.

Karen McDonald: Entonces, mi perspectiva como ingeniera es siempre aquella en la que todo lo que hacemos en el laboratorio lo analizamos desde la perspectiva de: “¿Es este paso del proceso escalable? ¿O existen restricciones que limitarían la escalabilidad del proceso? Porque reconocemos que, aunque se podría fabricar una vacuna a muy pequeña escala en el laboratorio, ¿se puede hacer a gran escala donde se necesitan fabricar millones de dosis de la vacuna? Y entonces, prestar atención a cada uno de los pasos y cuán escalables son esos pasos es un aspecto importante que creo que los ingenieros aportan al equipo.

Phil Ross: La escalabilidad del proceso de McDonald's (el hecho de que se pueda ampliar o actualizar fácilmente según sea necesario) significa bombas de infiltración al vacío más grandes y eficientes y una cosecha enorme y fácilmente disponible de plantas de tabaco.

Susan Hassler: Una vez que se ha producido la vacuna, hay que sacarla de la hoja. Lo que en el caso de McDonald's significa molerlo y separarlo de todas las demás proteínas y partes de plantas que no necesitas.

Phil Ross: Ese puede ser un proceso complicado e ineficiente; Básicamente, destruyes tu planta de fabricación cada vez que cosechas.

Susan Hassler: Pero le diremos en un momento cómo los científicos solucionan esto. Quédate con nosotros.

Foto: Gregorio Urquiaga/UC Davis

Susan Hassler: Prometimos contarles cómo los investigadores están convirtiendo las plantas de tabaco en biofábricas sin destruirlas.

Phil Ross: La solución implica hacer algo que las plantas de tabaco hacen por sí solas.

Susan Hassler: Aquí está Mia Lobel con la historia.

Mia Lobel: Entonces, ¿hacia dónde nos dirigimos?

Bob Morrow: Bajando al sótano donde se encuentran la mayoría de nuestros laboratorios.

Mia Lobel: Bob Morrow me lleva por una escalera de cemento en Orbital Technologies en Madison, Wisconsin. Hay una serie de puertas pesadas en el pasillo oscuro. Abre uno y me golpea una ráfaga de aire caliente.

Bob Morrow: Esta es la habitación que Ryan está usando ahora para sus plantas.

Mia Lobel: Es un espacio del tamaño de un dormitorio pequeño, repleto de 15 o 20 plantas de tabaco de distintos tamaños, con hojas anchas que se mecen en el aire forzado. Aquí hace unos 75 grados y hay humedad.

Ryan Shepherd: Nos encanta la habitación en sí, porque... quiero decir, es un entorno seguro y las plantas crecen mejor aquí que en cualquier invernadero que haya visto.

Mia Lobel: Ese es Ryan Shepherd, cofundador de la nueva empresa de biotecnología PhylloTech. Su laboratorio está a sólo unos kilómetros de la carretera, en el parque de investigación de la universidad. Pero mantiene sus plantas aquí, donde Bob Morrow puede controlar la temperatura y la humedad, los niveles de dióxido de carbono y la luz para crear un entorno de crecimiento óptimo.

Ryan Shepherd: Entonces, si miras algunas de estas plantas de tabaco, las hojas son enormes. Quiero decir que tienen, ya sabes, un par de pies de largo. Y ya sabes, puedes imaginar que toda la superficie está cubierta de glándulas de tricomas. Se trata de una gran cantidad de espacio productivo que ahora podemos aprovechar para la producción de proteínas.

Mia Lobel: Los tricomas son los pequeños pelos que se ven en la superficie de las plantas de tomate y patata, los girasoles y las hojas de tabaco. Secretan compuestos que protegen a la planta de depredadores, parásitos y hongos. Y son la clave del proceso que Shepherd ha podido aprovechar para convertir estas plantas de tabaco en biofábricas de compuestos valiosos y difíciles de producir.

Ryan Shepherd: La mayoría de los esfuerzos actuales por utilizar plantas para producir proteínas heterólogas: las proteínas generalmente se producen en el interior de las hojas, por lo que deben recolectarse de alguna manera. Y eso normalmente requiere triturar las hojas y luego intentar purificar la proteína.

Mia Lobel: Las proteínas vegetales del tabaco se pueden recolectar simplemente lavándolas de la superficie de la hoja. Esto abre la puerta a innumerables oportunidades potenciales en la biofabricación.

Ryan Shepherd: Todo esto surgió de una observación fundamental en fitopatología: la secreción de estas proteínas nativas. Y ya sabes, una vez que determinamos cómo llegaron estas proteínas nativas a la superficie de la hoja y qué hicieron, ahora podemos preguntarnos hacia dónde podemos llegar exactamente con esto. ¿Sabes qué, qué otras aplicaciones podemos abordar?

Mia Lobel: Si Shepherd pudiera alterar genéticamente el ADN de las plantas para producir otras proteínas, podría utilizar las plantas de tabaco como biofábricas para secretar cualquier proteína que quisiera. Su primer objetivo es la seda de la araña viuda negra.

Cheryl Hayashi: Latrodectus hesperus; Es una especie nativa del sur de California aquí. De hecho, los encuentro muy encantadores. [Risas]

Mia Lobel: Cheryl Hayashi es bióloga en UC Riverside. Lleva más de 20 años trabajando con arañas.

Cheryl Hayashi: La seda de araña ha captado la atención de muchos ingenieros, biólogos e industriales debido a su maravillosa combinación de propiedades mecánicas. Entonces es fuerte. Muchos otros materiales son fuertes, pero también elásticos. Y es esta combinación de ser fuertes y elásticos lo que realmente los hace diferentes de la mayoría de los otros materiales que la gente usa, ya sabes, para construir cosas.

Mia Lobel: Las aplicaciones de este material ligero y flexible pero superfuerte son infinitas: textiles de alto rendimiento; aplicaciones biomédicas como vendajes de alta tecnología; articulaciones, tendones y ligamentos artificiales; dispositivos electrónicos... sin mencionar las prendas de vestir de alta costura.

Cheryl Hayashi: Otro aspecto realmente atractivo de la seda de araña es que está basada en proteínas. Por lo tanto, no se trata de un material derivado del petróleo, como el nailon, por ejemplo. Y al estar basada en proteínas, significa que puede ser una tecnología ecológica.

Mia Lobel: Pero recolectar seda de araña para un uso amplio no es práctico, por decir lo menos. Hace unos años, un grupo internacional de artistas exhibió una capa de seda de araña de 13 pies. Se necesitaron siete años y más de un millón de arañas para completarlo.

Cheryl Hayashi: Entonces, ya sabes, recibo llamadas con bastante frecuencia de personas que dicen que tienen una buena idea sobre cómo usar la seda de araña y, ya sabes, ¿podría enviarles cien libras de ella? Y eso es, ya sabes, bastante prohibitivo. Sabes, no puedo permitir que estudiantes universitarios tengan tantas sesiones de sedación con arañas en mi laboratorio. Es sólo que no podemos hacerlo. Y eso simplemente no es factible.

Mia Lobel: Pero si Shepherd pudiera producir con éxito proteínas de seda de araña en sus plantas de tabaco, podría escalar ese proceso para crear suficiente material para todo tipo de aplicaciones. En 2010, Hayashi le envió a Shepherd su primera muestra de ADN de seda de araña. Shepherd insertó este ADN en el genoma del tabaco y dejó que las plantas crecieran con las nuevas instrucciones genéticas. Y funcionó. Las plantas de tabaco secretaron la proteína de la seda de araña directamente a la superficie de las hojas, donde podrían recolectarla, estudiarla y, esperan, algún día pronto, volver a hilarla hasta convertirla en una hebra de seda completamente funcional.

Cheryl Hayashi: Sabes, quiero ver un gran cubo de cada uno de esos tipos de proteínas de seda, y lo siguiente que quiero ver son, ya sabes, fibras hechas de esos grandes cubos de seda producida por plantas. proteínas. Y creo que, una vez que tengamos ese tipo de material, realmente creo que el cielo será el límite en términos de lo que nosotros y otras personas podríamos hacer con ese material.

Mia Lobel: Aún más interesante es la posibilidad que esto plantea para otras proteínas (cualquier proteína grande, en realidad: antibióticos, enzimas, anticuerpos) todas producidas más rápido, más barato y más eficientemente que ahora.

Ryan Shepherd: Creo que nuestra innovación es que, al dirigir la producción a las glándulas de tricomas, podemos no sólo utilizar la planta para producir la proteína, sino también purificarla para que no tengamos que moler la hoja y destruir la planta para recuperar la proteína. Y no tenemos que gastar mucho tiempo, dinero y recursos tratando de extraer la proteína objetivo de todo lo que existe dentro de la planta. Realmente la parte más difícil de esto es la generación inicial de la planta. Pero una vez que logras eso y recolectas semillas, entonces sí, básicamente tienes un sistema con crecimiento ilimitado.

Mia Lobel: Ryan Shepherd dice que esto podría transformar la forma en que la gente ve las plantas.

Ryan Shepherd: Espero que nuestro trabajo con la bioproducción de tricomas mejore la opinión de la gente sobre las plantas como plataformas de bioproducción. Y que al dirigir las proteínas a las glándulas, esencialmente utilizando la planta para producir y purificar la proteína, podremos crear un sistema rentable para la producción de proteínas.

Mia Lobel: El éxito de este proceso podría tener efectos de gran alcance.

Ryan Shepherd: Entonces soy un científico vegetal, un fitopatólogo. Me gusta mucho la idea de que estamos realizando un descubrimiento fundamental en patología vegetal: la idea de que las plantas secretan proteínas en la superficie de sus hojas para proporcionar resistencia contra los patógenos. Para mí es muy emocionante y estimulante que podamos tomar ese descubrimiento ahora y utilizarlo para un propósito verdaderamente aplicado: la producción de otras proteínas. Por eso creo que las implicaciones más amplias son que, con suerte, las plantas que utilizan nuestra tecnología se convertirán en una plataforma de producción viable para muchos otros objetivos además de la seda de araña y las cosas con las que estamos trabajando actualmente. Y creo que una vez que eso se logre, las plantas podrían ser la fuente de referencia para la producción de proteínas.

Mia Lobel: Shepherd dice que espera tener su biofábrica de plantas de tabaco en pleno funcionamiento en los próximos tres a cinco años. Soy Mía Lobel.

Foto de : Mia Lobel

SUSAN: Comenzamos esta hora con algunas de las tecnologías biónicas de menor escala. Y terminaremos informando sobre una tecnología que lo rodeará: Living Wall.

PHIL: Copia la forma en que funciona tu piel para regular la temperatura corporal.

SUSAN: Laurie Howell salió a explorar el Muro Viviente.

Laurie Howell: Comenzamos en el Centro de Ingeniería de la Universidad de Colorado. Es un campus pintoresco al pie de las estribaciones de las Montañas Rocosas. Aquí es donde John Zhai, profesor de ingeniería arquitectónica, lidera un equipo multidisciplinario de ingenieros y arquitectos en la aventura creativa de su vida. Están diseñando lo que llaman un “muro viviente”.

John Zhai: Los diseños de edificios tradicionales sólo quieren bloquear el calor. "Oye, no queremos calentarnos, no dejes que entre el calor". Decimos: “Está bien. Dejemos entrar el calor, pero lo llevaremos a donde lo necesitemos”.

John Zhai: Está bien. Este es nuestro laboratorio de sistemas de construcción. [ininteligible] Entonces, entren…

Laurie Howell: John Zhai llama a la pared viva la “piel del edificio” porque autorregularía la temperatura de un edificio, del mismo modo que la piel ayuda a regular la temperatura corporal.

John Zhai: Las venas debajo de la piel pueden llevar el calor de la superficie al cuerpo y también pueden tener una grasa que actúa como aislamiento. Entonces este sistema automático es natural en nuestro cuerpo. Entonces, si pensamos en todo el edificio como un cuerpo, entonces su envoltura es piel.

Laurie Howell: Es como un sistema vascular humano de capilares, venas y arterias: el agua se recoge en cada piso a través de pequeños tubos y tuberías dentro de la pared viva, controlada a través de un cerebro computarizado o un sistema de automatización de edificios. El agua caliente se redistribuye por todo el edificio para calefacción, agua caliente sanitaria o para agregar calor a las paredes sombreadas para aumentar el efecto de chimenea para enfriar. Todo el sistema funciona según una ley básica de la termodinámica. Las paredes vivas mueven la energía del calor al frío de forma muy rápida y eficiente, ya sea recogiendo o distribuyendo calor a través del agua o el aire.

John Zhai: Entonces la envoltura de eso es piel. Entonces, ¿podemos hacer algo similar o imitar estos sistemas naturales del cuerpo, que tienen capas de aislamiento de grasa, tienen todas estas venas, ese flujo de sangre, el flujo de aire, todo eso, y luego muy probablemente podamos tener una envoltura de edificio que puede adaptarse al medio ambiente. Entonces, sea cual sea el entorno que esté cambiando, la temperatura central del cuerpo, la temperatura interior del cuerpo, siempre es constante. Entonces, si podemos lograr lo mismo, sería perfecto.

Laurie Howell: Zhai dice que el sistema de muros vivos podría reducir el uso de energía en un 75 por ciento. Y el uso de energía disminuye un 75 por ciento no mejorando los sistemas de calefacción y refrigeración sino eliminándolos por completo. No más calderas ni refrigeradores para crear esa temperatura ambiente confortable. El sistema de pared viva utilizaría calefacción y refrigeración pasivas: trabajando con la temperatura exterior en lugar de en contra de ella.

El compañero profesor de Zhai en la CU, Fred Andreas, es el arquitecto principal del equipo que está armando este prototipo de un millón de dólares.

Fred Andreas: No hay ninguna razón, aparte de la de siempre, para que calentemos, enfriemos e iluminemos nuestros edificios como lo hacemos: como unidades herméticamente selladas y desconectadas del medio ambiente. Así que la idea del muro vivo es convertir la piel del edificio en una piel viva, copiando procesos esencialmente biológicos y tratando así de autorregular el calor, la refrigeración, la ventilación y la luz a través de la piel del edificio y suplantar los enormes sistemas HVAC, calefacción y ventilación. , ventilación, sistemas de aire acondicionado dentro de cualquier edificio y luego utilizar la luz natural tanto como sea posible.

Laurie Howell: La capa exterior utilizará la tecnología actual de vidrio inteligente que puede bloquear o sintonizar los rayos del sol y controlar cómo el calor y la luz ingresan a la pared. La siguiente capa de la pared viva es simplemente un espacio abierto para recolectar y distribuir calefacción y refrigeración pasiva. Y en la parte inferior del muro habrá agua fría proveniente de una fuente, como un río, un lago, un océano o un acuífero subterráneo. Y la parte superior de la pared estará caliente por haberse horneado al sol. Ahora piense en cómo funciona una chimenea, y eso es lo que sucede aquí: la diferencia de temperatura fría-caliente produce una corriente ascendente, y esa corriente ascendente fuerza pasivamente el aire caliente hacia arriba, dentro de las paredes de varias capas, aspirando aire frío a través del edificio y produciendo ventilación natural. Cuanto más caliente está el aire, más rápido asciende. Por muy loco que sea imaginarlo, para este diseño de enfriamiento pasivo, ¡cuanto más caliente esté la pared, mejor!

John Zhai: Aquí tenemos una sala de pruebas que puede probar todos los sistemas del edificio, las paredes y los sistemas. Esta es una de las cámaras. Mira los pasos.

Laurie Howell: Estamos caminando a lo largo de un sistema HVAC que se extiende por aproximadamente 40 pies. Hay dos habitaciones a las que se les puede hacer cualquier temperatura. Aquí será donde el equipo instalará y probará su primer prototipo.

John Zhai: Entonces, ves todos estos sistemas aéreos. Tenemos paneles de agua aquí. Podemos, esto puede proporcionar radiación. Podemos simular la radiación solar para poder, ya sabes, imitar el entorno exterior, de modo que no tengamos que salir para hacer la prueba real, porque es un desafío dónde está la prueba ambiental real.

Laurie Howell: El equipo imagina algún día crear kits de paredes vivas para modernizar edificios, posiblemente incluso casas. Pero ahora mismo, están centrados en superar algunos problemas de diseño desconcertantes. Su mayor desafío es una capa en la pared viva que se hará con algo llamado hidrogeles. Los hidrogeles son compuestos químicos, o polímeros, que absorben o liberan líquidos según la temperatura. Se utilizan en productos, como pañales, y para diversos fines, como la ingeniería de tejidos. Y son clave para que la pared viva funcione porque cuando cambia la temperatura, los hidrogeles incrustados en la pared comienzan a bombear agua. Dependiendo de las temperaturas dentro y fuera de la pared, los hidrogeles bombean agua fría o caliente de un lado a otro de la pared, enfriando o calentando el edificio. El gran desafío para estos investigadores en este momento es cómo contener los hidrogeles dentro de la pared viva.

Fred Andreas: Ese es el desafío: ¿cómo conseguimos un panel de recolección de plástico que maximice la recolección de calor en su máxima expresión y mueva ese calor a través de estos geles flexibles hacia la profundidad del panel, y cómo llevamos esos geles flexibles al panel? ¿en la fabricación? Ese es nuestro desafío en este momento.

John Zhai: Correcto. Por eso no podemos utilizar hormigón o madera tradicionales. ¿Bien? Tendremos que usar un material polimérico que sea un medio poroso para que este tipo de materiales puedan incrustarse o unirse en algún lugar del polímero, esas burbujas, de modo que formen una pieza completa de pared.

Fred Andreas: Y el otro desafío es que no puede ser vidrio porque el vidrio, cuando se forma, está tan caliente que destruiría estos hidrogeles. Así que tenemos que encontrar una manera de infundir estos hidrogeles en este panel a una temperatura relativamente baja.

Laurie Howell: Este no es simplemente otro diseño de edificio más ecológico, es un cambio en la forma en que diseñaremos los edificios del futuro.

Fred Andreas: Los sistemas típicos y los enfoques típicos con el mismo tipo de sistemas HVAC, aunque son de muy alta eficiencia y muy alta tecnología, todavía utilizan los mismos supuestos que hemos utilizado a lo largo del siglo XX. Y esto cambia radicalmente, básicamente se aleja de la idea de edificios acondicionados interiormente hacia edificios controlados pasivamente.

Laurie Howell: Sí, realmente cambió las reglas del juego.

Fred Andreas: un punto de inflexión.

Laurie Howell: Y es por eso que capturó la imaginación de la próxima generación de diseñadores de edificios. Los estudiantes de posgrado Tamzida Khan y Scott Rank están entusiasmados con lo que se avecina en el horizonte para el diseño de edificios inteligentes.

Scott Rank: Ya sabes, muy pronto no debería haber arquitectura verde. Debería ser simplemente arquitectura y eso debería estar en todo ello, integrado en ello. Entonces, creo que sí, hemos recorrido un largo camino, pero creo que definitivamente también queda mucho por recorrer.

Tamzida Khan: Si no asumimos riesgos, no avanzaremos y creo que es muy importante que asumamos riesgos.

Fred Andreas: Sigo diciéndoles a mis alumnos que fundamentalmente creo que verán este período de tiempo ahora mismo, este cambio hacia el siglo XXI, que mirarán hacia atrás dentro de 1000 años como el Renacimiento, equivalente al renacimiento artístico y cultural ocurrido anteriormente. Creo que este es un renacimiento arquitectónico y de ingeniería que estamos experimentando ahora mismo, en la primera parte del tercer milenio.

Fred Andreas: Creo que el cielo es el límite.

Laurie Howell: En la primera parte del tercer milenio, soy Laurie Howell, informando sobre lo que posiblemente sea un renacimiento de la arquitectura y la ingeniería.

Susan Hassler: Paredes vivas, como las capas de piel de nuestro cuerpo.

Phil Ross: ¡Concepto intrigante! Me gusta.

Susan Hassler: ¡Y qué recompensa! Al eliminar los sistemas de calefacción y refrigeración, los costos de energía caen un 75 por ciento.

Phil Ross: Trabajar con la temperatura exterior en lugar de en contra. él. Más a lo que prestar atención en nuestro futuro biónico.

Susan Hassler: Has estado escuchando “Becoming Bionic”, una coproducción de la revista IEEE Spectrum y la Dirección de Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencias.

Phil Ross: La dirección apoya a las personas cuyos descubrimientos e invenciones hacen que nuestras vidas sean más productivas, sostenibles y placenteras.

Susan Hassler: Para obtener transcripciones de este programa e historias ampliadas, consulte el sitio web de IEEE Spectrum: Spectrum.ieee.org.

Phil Ross: Encontrará muchas otras características de ingeniería en el sitio web de la Fundación Nacional de Ciencias: NSF.gov.

Susan Hassler: Nuestro agradecimiento a Cliff Braverman, Cecile González, Valerie Thompson, John Wassel, Prachi Patel, Nancy Hantman, Ramona Gordon y Paul Ruest en Argot Studios.

Susan Hassler: Nuestro productor técnico es Dennis Foley. Nuestra productora ejecutiva es Sharon Basco.

Phil Ross: Soy Phil Ross.

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