Una célula se convierte en un láser

Análisis filosófico de una nota de divulgación publicada en ScienceNOW por John Cartwright el 12 de junio de 2011 (1), basado en un artículo de Gather y Yun de la Facultad de Medicina de Harvard, publicado en la misma fecha en Nature Photonics (2). Los links para estas publicaciones (en inglés) se encuentran al final del análisis.

La nota de divulgación ofrece en primer lugar una descripción del funcionamiento de los láseres tal cual los conocemos hoy en día. Los define como “amplificadores de luz”, fabricados a partir de sólidos, líquidos o gases inanimados, sobre los cuales se bombean átomos o moléculas, algunos de los cuales alcanzan un estado más energético (excitado), hasta que eventualmente decaen emitiendo un fotón (luz). Estos fotones comienzan una reacción en cadena que lleva a la liberación de más fotones a partir de la excitación de otros átomos. A su vez, el número de fotones se ve aumentado al rebotar estos entre dos espejos, uno de los cuales está parcialmente plateado, dejando de esta manera escapar algo de la luz producida en la forma de haz de luz coherente, el láser.

El foco central de esta descripción es el material con el que generalmente están fabricados los láseres, esto es del tipo de los inanimados. A partir de ello, el manuscrito original en el que se basa la nota, hace hincapié en la creación del primer láser biológico, utilizando células individuales, y subraya que este descubrimiento podría ser el fundamento de futuras terapias “basadas en la luz”.

Es interesante analizar en este trabajo el contexto de descubrimiento, ya que los mismos autores del proyecto afirman que su motivación para estudiar los “bioláseres”, como ellos los denominan, fue mayormente la curiosidad científica, ya que decidieron investigar este tema justamente cuando se celebraban los cincuenta años del láser, dándose cuenta que hasta ese momento muchos investigadores habían analizado un gran número de materiales para fabricarlos, pero que las sustancias de origen biológico no habían jugado un gran papel en esa área. De esta manera, podríamos incluir a la “curiosidad científica” como un elemento irracional que influyó en el inicio de este proyecto, y por lo tanto podríamos enmarcarlo en el contexto de descubrimiento del mismo. De cualquier manera, no habría que ser tan taxativo acerca de la irracionalidad, ya que si bien la idea inicial del trabajo apareció, según los autores, por pura y simple curiosidad, no se puede descartar la existencia de una “lógica” del proceso de descubrimiento, como sugiere Simon en su trabajo sobre la lógica del descubrimiento científico (3). En dicho trabajo, Simon afirma que la eficacia de un proceso para descubrir leyes comparado con otro no se debe atribuir al azar, la irracionalidad o la intuición creativa, sino a cuál proceso es más capaz de detectar el patrón de información contenido en los datos, utilizando esta información para recodificar los datos de una manera más moderada. Esto es básicamente lo que han hecho los autores de este trabajo y que se define a continuación.

Por el lado del contexto de justificación, los autores reúnen los conocimientos existentes hasta el momento en relación al funcionamiento de los láseres, y los extrapolan a un sistema biológico conocido, que son células de mamífero en cultivo que expresan de manera continua una proteína verde fluorescente (en inglés, Green Fluorescent Protein o GFP). Estas proteínas pueden ser excitadas a una determinada longitud de onda, lo cual produce la emisión de una luz fluorescente de color verde, permitiendo, por ejemplo, determinar por microscopía la localización de proteínas u otro tipo de moléculas en el interior o la superficie de las células. Lo que hicieron Gather y Yun fue colocar a estas células entre dos espejos, con lo cual lograron que la emisión verde se amplificara para producir un haz de luz coherente como un láser.

El argumento que plantean los autores para llevar a cabo este trabajo sería del tipo inductivo, ya que analizan todos los conocimientos que existen para cada tipo de material con el que se fabrican los láseres, generando un nuevo  sistema a partir de materiales inexplorados, en este caso los del tipo biológico, que simulan el funcionamiento de estas fuentes de luz, logrando un resultado similar al que se obtuvo con otros materiales no biológicos.

Los científicos construyen una hipótesis basada en las características físico-químicas de la GFP, a partir de la cual se proponen probar que estas proteínas tienen la capacidad de emitir haces de luz coherentes cuando son estimuladas a una determinada longitud de onda. Para ello se apoyan en supuestos auxiliares que están relacionados con leyes de la mecánica cuántica, particularmente en relación al salto de electrones y la formación de fotones, y de la óptica, especialmente en lo relacionado con la excitación y la emisión de luz dentro de determinadas longitudes de onda. Otro grupo de supuestos auxiliares estaría dado por una larga serie de estudios realizados durante cincuenta años, y que dan lugar a las observaciones anteriores que dieron origen a la tecnología de los láseres. El empleo de la GFP y su excitación a determinada longitud de onda entre dos espejos serían las condiciones iniciales de trabajo en particular.

Los autores someten su hipótesis a un proceso de contrastación a partir de la experimentación y la observación, primero con la GFP pura y luego con células que la expresan, para finalmente argumentar que la misma se corresponde con la predicción que esta proteína es capaz de emitir un rayo del tipo láser.

Pero Gather y Yun, apoyados además por un comentario de uno de sus colegas de la Universidad John Hopkins, van más allá en sus predicciones relacionadas a su modelo experimental, y he aquí que aparecen  las dificultades de aplicación a partir de los resultados obtenidos, algo que notan un par de lectores que comentan el artículo de divulgación al final del mismo.

En primer lugar, y esto es algo muy común en el mundo de las ciencias naturales, a partir de las observaciones obtenidas, los autores se aventuran a conjeturar todas las aplicaciones que pueden surgir en el futuro a partir de este modelo de “bioláseres”, desde las más simples, como mejorar la sensibilidad de imágenes microscópicas para su uso en investigación, hasta las más complejas, como su uso en terapéutica o en el desarrollo de interfaces humano-máquina, en donde las neuronas del cerebro operarían aparatos externos a través de flashes de luz láser. Si bien estas especulaciones no tienen por qué ser criticadas, ya que de una manera u otra sirven para justificar los experimentos, y a su vez para darle mayor interés al tema y hacerlo “publicable”, podría entenderse a partir del manuscrito, y no del artículo de divulgación, que las mismas estarían incluidas en la hipótesis, y por lo tanto ésta estaría comprobada parcialmente. De cualquier manera, en el artículo, este tipo de predicciones están mucho más exageradas que en el manuscrito original, ya que al tratarse de una nota de divulgación podría esperarse que se centre más el interés en los futuros usos de esta tecnología, sobre todo si se acercan a la “ciencia ficción”, que en una simple célula que puede emitir un diminuto rayo de luz láser.

Volviendo a las dificultades de aplicación de esta nueva metodología, las mismas son del tipo metodológico, y se basan más que nada en la necesidad de excitar a la GFP, que en el caso de este trabajo es justamente con un láser, y en la necesidad de un resonador (espejos) para amplificar la señal de emisión. En el primer caso, y aplicado por ejemplo a la terapéutica, habría que solucionar el problema de cómo se excita a este tipo de células para que emitan la luz láser una vez que se encuentren dentro del cuerpo de un paciente, de manera que el “bioláser” active alguna droga que destruya células cancerígenas en una determinada región del cuerpo que se encuentre afectada. En el segundo caso, habría que crear resonadores que amplifiquen la señal de la GFP, y por ahora no se conoce un material biológico en una escala microscópica, que reemplace a los espejos necesarios para esta función.

Finalmente, y para que no parezca que solo hay dificultades en el modelo aplicado, una de sus grandes ventajas es que la fuente de láser, en este caso las células que expresan GFP, no se agota en el tiempo, ya que las células se perpetúan gracias a que se multiplican por división, lo que permitiría de alguna manera eternizar este sistema mientras las células se mantengan vivas y expresando GFP. Los demás tipos de láser tienen una vida más limitada, no se reproducen a sí mismos, y además la mayoría de los materiales con los que están fabricados no son biocompatibles, como los utilizados en este trabajo.

1) http://news.sciencemag.org/sciencenow/2011/06/a-cell-becomes-a-laser.html

2) http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2011.99.html

3) Herbert A. Simon (1973). Does Scientific Discovery Have a Logic? Philosophy of Science, Vol. 40, No. 4.  pp. 471-480.

Copyright © 2012 – 2017 Alberto Díaz Añel

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