La llamada Nueva Biología y la célula como holón profundo

Escrito por Fernando Cortés Leal

Quien me haya leído estos últimos años, no tendrá dificultad alguna en entender en eso que los biólogos carentes de formación filosófica se extasían: la llamada Nueva Biología. Sin pretender caer en simplificaciones excesivas, hay que decir que venimos abogando por una biología relacional y transdisciplinar desde hace años. Lean los artículos que contiene este Blog y lo verán. En uno de los primeros, ya definíamos el concepto de holón como el de un ente que es a la vez totalidad formada por otros muchos y parte de otro mayor. La célula, lo señalábamos también, es un holón prototípico y clave. Prototípico, porque su morfofisiología (¡no separemos más estos conceptos!) permitía visualizar las partes y su armónica morfisiología conducente a un telos: la vida celular; clave porque la célula es la unidad morfofisiológica más pequeña dotada de las funciones vitales clave, independiente en los entes unicelulares y dependiente de otras aunque con bastante autonomía, en los entes pluricelulares, ente humano incluido. Y no decimos ser porque todo el discurso que sigue se mueve en un plano óptico. Cuando lleguemos en otros artículos a la dimensión ontológica y a mencionaremos al ser.

1. Los nuevos desafíos globales también tienen una respuesta biológica.

El crecimiento de la población humana y de sus creaciones técnicas y tecnológicas, a la vez que aumentan el nivel de vida de una parte de la población mundial, hacen que disminuya el de otra parte no menos significativa. Hoy en día, cuestiones como el cambio climático, la destrucción de grandes ecosistemas terrestres, fluviales y marinos con el consiguiente empobrecimiento radical de la biodiversidad, la drástica reducción de combustibles fósiles, la superpoblación, el hambre y la malnutrición endémica en muchos países y las nuevas enfermedades propias de la sociedad opulenta y/o hedonista, tienen una perspectiva no tan sólo política y económica sino también biológica.

2. Educar en valores biológicos.

La Biología, una ciencia evidentemente, tiende a estudiarse en Institutos y Colegios como las matemáticas, la física o la química, esto es, rutinariamente. Y esto es un error gravísimo de las autoridades políticas y académicas aún ancladas en el vetusto discurso político del siglo pasado, que bien pasado y muerto está, y que nos siguen hablando de democracia, ciudadanía, libertad, igualdad…valores muy respetables, por supuesto, pero no únicos ni absolutos. El progreso científico enriquece la educación en valores y, singularmente lo hace el progreso de las ciencias biológicas. Así, al nivel de los antedichos valores hay que situar entre otros el respeto y cuidado del medio ambiente, el saber alimentarse correctamente, el conocimiento de nuestro cuerpo para saber que ejercicios nos convienen más (hay que cuidar y potenciar el músculo pero hay que cuidar mucho más la sesera) y sobre todo hay que educar para el cuidado de nuestra mente, para su protección y para que esta no se disturbe. Y para eso hay que conocerla y conocer el nicho ecológico de cada uno que suele ser muy dispar. Evidentemente, la sociedad se barbariza cuando se acultura y se torna tecnológica sin que a estos fenómenos le acompañe un fuerte cultivo del espíritu, de la ética y del conocimiento de la historia del hombre biológico e histórico. Sería inaceptable y monstruoso que el hombre, en vez de ser humano sabio se tornase bestia cognitiva para, cuando ya casi le está siendo dado el conocer los mecanismos de su propia evolución, maquine, por codicia, soberbia y poder, su propia autodestrucción.

3. Como historiar las Ciencias Biológicas: de Aristóteles a la “Nueva Biología”

Esta cuestión constituye un problema más importante de lo que parece. La historia de la Biología que muchos hacen, toman como ejes centrales las ideas de Darwin y Watson-Crick. Siendo esta aseveración cierta, resulta algo pobre. Nosotros creemos haberla enriquecido un poco sin tocar lo generalmente aceptado:

-Biología p.A. (Biología post-aristotélica)

-Biología p.L. (Biología post-linneana)

-Biología p.D. (Biología post-darwiniana)

-Biología p.M. (Biología post-mendeliana)

-Biología p. D. M. (Biología post-sintética)

-Biología p. W. C. (Biología post-doble hélice ADN)

-Biología p. c. g. (Biología post-clonaje de genes)

-Biología p. s. g. (Biología post-secuenciación de genomas)

A partir de este estadío se secuenciación y conocimiento de los genomas de varias especies, entre otras la humana, comienza una etapa de estudio y conocimiento del genoma. Aquí puede decirse que comienza lo que muchos han dado en llamar “Nueva Biología”.

4. Nueva Biología

La Nueva Biología parte de considerar a la célula viva como un sistema altamente organizado de conjuntos de Proteínas y Ácidos Nucleicos (ADN y ARN) que funcionan como cadenas de montaje de un gigantesco proceso industrializado a escala micro y nanométrica de manera que se producen tres procesos fundamentales: procesamiento de señales, síntesis y degradación controlada de productos con aportación y gasto energético y almacenamiento, conducción y expresión de la información para realizar todo lo antedicho.

5. Máquinas Moleculares

Aquí nos hallamos ante una primera consideración interesante. Estas agrupaciones de nucleoproteínas se asemejan funcionalmente a máquinas industriales complejas de forma que la porción proteica no se mueve al azar sino más bien de manera muy coordinada de manera que no se producen de manera principal, como se pensaba inicialmente, colisiones por difusión en un medio acuoso sino por contactos restringidos de manera muy severa y de forma secuencial y se deben a cambios conformacionales coordinados entre los diferentes componentes proteicos de la maquinaria celular. Estos procesos, como sabemos o si no es así, podemos fácilmente intuirlo, requieren de aporte energético -nada “funciona” sin una fuente energética- que se obtiene de la rotura de enlaces ricos en energia existentes en los mononucleotidos trifosfato (ATP, GTP) o de gradientes iónicos.

Una segunda conclusión, muy relacionada con la anterior, tiene que ver con los cambios conformacionales que experimentan las proteínas ya que al producirse liberan energía lo que supone que el proceso tenga una direccionalidad. Esto no es cuestión menor, ya que la Bioquímica clásica de los primeros tres cuartos del pasado siglo XX, consideraba que en solución estos procesos serían reversibles. Pero es la máquina la direccionalidad. Además, al mantener unidas las proteínas con función enzimática que catalizan las diversas reacciones o tramos de un proceso biológico, la máquina macromolecular acelera la velocidad del proceso.

Y ya que hemos mencionado la cuestión energética, vamos a proponer un ejemplo clásico de máquina molecular que cataliza reacciones químicas biológicas es el de la ATP sintasa o F0F1-ATP sintasa, enzima responsable de la síntesis de la mayor parte del ATP producido en la célula viva.

El ATP captura la energía química liberada por la combustión de nutrientes y la transfiere a reacciones que demandan energía, Vg., la construcción de componentes de la célula, la contracción muscular, la transmisión de mensajes nerviosos y muchas otras funciones. Las moléculas de ATP sintasa situadas dentro de las mitocondrias sobresalen sobre las mitocondrias, adheridas a sus superficies interiores en aglomeraciones semejantes a setas. Cuando los alimentos son disgregados o metabolizados para energía, las últimas etapas del proceso tienen lugar dentro de las mitocondrias.
La molécula ATP sintasa tiene dos partes. Recientemente, unos científicos japoneses han descubierto que una parte, el «tallo de la seta», parece girar dentro del «sombrero de la seta». El año pasado se concedió un premio Nóbel al investigador (Paul Boyer, Ph.D., UCLA) que sugirió que la formación de ATP estaba de alguna manera vinculada con esta rotación, y el premio fue compartido con otro investigador (John Walker, Ph.D., Medical Research Council Laboratory o Laboratorio del Consejo de Investigaciones Clínicas, Cambridge, Inglaterra), cuyo equipo estableció una de dos posibles estructuras para el «sombrero», que se cree que es de corta duración.

En una nueva investigación, investigadores en la Universidad John Hopkins determinaron la otra estructura, que se cree que es la forma más común, en organismos vivos. El «sombrero de seta» de la ATP sintasa, según descubrieron, contiene tres áreas idénticas, dispuestas como un arrollamiento, donde se elabora el ATP. Cada área está ocupada con una etapa diferente en la producción del ATP.
Al girar el «tallo», crea un potente desplazamiento interno en cada una de las tres secciones arrolladas dentro del sombrero. Este desplazamiento proporciona la energía para causar cambios químicos. En un emplazamiento se reúnen los «ingredientes» para el ATP. En otro emplazamiento se ensamblan como ATP, y en un tercer emplazamiento, la rotación prepara el ATP totalmente formado para que se desprenda de la molécula de sintasa para su uso por toda la célula.

Un equipo dirigido por L. Mario Amzel, Ph.D., y Peter Pedersen, Ph.D. empleó cristalografía de rayos X para revelar la estructura molecular de la adenosina trifosfato sintasa. En su interior, la molécula gira varias veces por segundo mientras desencadena la producción de ATP.

«Es una de las moléculas más complejas que jamás se hayan dilucidado, casi seis veces más grande que la hemoglobina», dice Pedersen. También están de acuerdo los investigadores en que es uno de los más diminutos y más potentes motores jamás identificados.

Los investigadores han capturado la imagen del sombrero de la ATP sintasa mientras todos sus emplazamientos estaban en alguna etapa de elaboración de ATP, lo que es esencial para el reciclaje constante de sus precursores. Sin el reciclado, dice Pedersen, «los seres humanos tendríamos que producir más de la mitad del peso del cuerpo en ATP cada día para hacer frente a sus necesidades de energía».

Algunos científicos han lanzado la especulación de que los mismos «radicales libres» que deterioran la piel durante el envejecimiento o que causan mutaciones podrían también causar daños a las mitocondrias. «Si la ATP sintasa es un lugar donde los radicales libres causan daños, esto podría explicar por qué nos debilitamos con la edad», dice Pedersen. Ahora que conocemos las estructuras moleculares, podemos señalar las regiones dañadas si aparecen».

Además de esta función catalítica fundamental, creemos que suficientemente explicada, los diversos componentes de las máquinas moleculares nucleoproteínicas pueden funcionar de dos formas,

-como motores que se mueven de modo polarizado a lo largo de filamentos de proteína o ácido nucleico,

-o como modificadores de otros complejos multipeoteicos, controladores de la exactitud de una reacción química biológica,

-como instrumentos de relojería que establecen el ritmo de funcionamiento de la máquina,

-como factores de ensamblaje de la máquina misma.

Biología holística frente a biología analítica.

Si consideramos la célula como un sistema coordinado de líneas de ensamblaje y procesamiento, se requiere de un método integrador e integral para abordar los fenómenos biológicos. Quizá el rasgo más acusado de la llamada Nueva Biología sea su enfoque relacional, holístico, integrador frente al enfoque analítico y reduccionista, al que reconocemos su innegable pero, a la vez, señalando su obsolencia. El reduccionismo analítico es un método auxiliar más, pero no el método general para abordar los retos que la biología ya nos plantea.

Este cambio de enfoque -no me atrevo aún a decir de paradigma pero no andamos lejos- se patentiza de manera muy clara en los nuevos enfoques de la biología celular y molecular, no se advierte tan sólo en el análisis de redes de transmisión de señales, sino también en el estudio de genomas enteros o en los estudios de disrupción génica en animales intactos. Pronto vamos a ser capaces de analizar la respuesta de todo un genoma completo bien a la acción de ciertos estímulos o, lo que aún es más importante, a condiciones patológicas sobrevenidas.

La primera cuestión, la reacción ante los estímulos, va revolucionar nuestra comprensión de la diferenciación y transformación celular y, consecuentemente, del desarrollo embrionario; la segunda tendrá un enorme impacto en el diagnóstico y tratamiento de patologías. A nivel experimental, se usan desde hace algún tiempo ratones modificados genéticamente como modelos de enfermedades humanas y en éstos tenemos la posibilidad de disrumpir o mutar genes tanto en la línea germinal como en la somática. Ello permitirá un análisis genético dirigido de la función de diferentes genes en el organismo intacto.

Además, quisiéramos añadir otro punto no menos importante que tiene mucho que ver con todo lo dicho para la conformación de las proteínas y los ácidos nucleicos. La forma determina la función de estas moléculas de manera que adquiere una dimensión fundamental la estructura tridimensional nativa o natural, de forma que si esta está, por el motivo que sea, distorsionada, la función se ve afectada y surge inevitablemente la patología. De ahí la importancia de la imagen médica en general y de la imagen molecular en particular, como elemento fundamental del diagnóstico clínico.

Los morfólogos, tan vituperados durante casi todo el siglo XX, recuperan un lugar de honor en los estudios biológicos.

Un nuevo enfoque para el estudio de una nueva biología

Tras lo dicho, va siendo ya hora de suprimir las artificiosas barreras, generalmente académicas, que existen en el estudio de la biología de hoy en día.

Enseñar biología, como también sucede con otras ciencias, requiere de un tratamiento multidisciplinar y coordinado por varios especialistas. Ya no se puede separar citología e Histología, Biología Celular, Genética Molecular, Bioquímica o Biofísica. La disciplina es una: la Célula viva y habrá que resolver como integrar estudios, retirar obsolencias y dar de la célula una visión holística, relacional e integradora, sin perder de vista que toda célula es simultáneamente totalidad y parte o totalidad/parte o, más correctamente aún: una célula es un holón que integra todas las estructuras necesarias para su vida individual y las trasciende integrándose con otras para formar tejidos, órganos, aparatos, sistemas y, finalmente el ser vivo.

Otra cuestión es el acortamiento temporal entre el descubrimiento científico y su aplicación práctica lo que nos mueve a que en la Academia se haga también tecnología e ingeniería, en este caso Biotecnología y Bioingeniería.

Por último cabe decir que la Nueva Biología supone el destierro paulatino, aunque no total, del biólogo molecular analítico, inventariarista y cualitativo que quedará en minoría. La verdadera emergencia de la Nueva Biología con la que ya se cuenta, comenzará su hegemonía cuando se conozcan todos los ingredientes moleculares, con el suficiente detalle, del gigantesco (proporcionalmente, claro) entramado celular y tras describirse su estructura, la ciencia que nos ocupa tornará a ser cuantitativa que exigirá una descripción de las constantes cinéticas de los diferentes procesos y cuya base teórica será la física de los sistemas complejos alejados el equilibrio en la línea de Ilya Prigogine. Esta visión cuantitativa permitirá, recurriendo a métodos estadísticos y al auxilio de poderosas computadoras, realizar modelos predictivos del comportamiento de los sistemas biológicos.

Finalmente, cabe decir en este esbozo que hemos realizado que la célula, considerada desde la Nueva Biología ha puesto en común, esto es, ha integrado tres aspectos importantes: la visión de la termodinámica clásica puesto que los mensajeros intracelulares y las hormonas solubles ejercen su función de acuerdo con sus leyes, las máquinas de nucleoproteínas y las redes interconectadas de transmisión de señales que actúan sobre la totalidad del genoma.