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19 de enero de 2018
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Ráfagas

No. 175

Cerebro transparente

Un equipo de investigadores en ingeniería química y neurociencias de la Universidad Stanford, Estados Unidos, desarrolló un proceso por el cual el cerebro que habían extraído de un ratón se hizo transparente.

Con este proceso, al que llamaron clarity (siglas en inglés de los términos que lo describen), da inicio una nueva época que podría cambiar el conocimiento científico que tenemos del cerebro —el más importante y menos comprendido de los órganos—, su anatomía y la manera en que las enfermedades lo modifican. Por sus cientos de miles de redes neuronales y estructuras moleculares, el cerebro es de una extraordinaria complejidad.

Clarity es el resultado del esfuerzo que realizaron los investigadores para eliminar los elementos opacos del cerebro, en especial los lípidos, y mantener el resto de sus características intactas. Los lípidos son moléculas grasas que se encuentran en el cerebro (y en el resto del cuerpo); forman parte de las membranas celulares que dan al cerebro su estructura. Son un reto para el estudio del cerebro debido a que lo hacen impermeable tanto a la luz como a sustancias diversas. Varios neurocientíficos ya habían intentado extraer los lípidos para estudiar el cerebro sin necesidad de seccionarlo en capas (lo que inevitablemente daña los tejidos), pero al removerlos, éste pierde su forma. En otras investigaciones se ha buscado contrarrestar la opacidad introduciendo en el cerebro sustancias que permiten el paso de la luz. El equipo de Stanford, encabezado por Karl Deisseroth, intentó un método diferente. "Nos acercamos a la ingeniería química para transformar los tejidos biológicos en un nuevo estado, idéntico al original pero transparente y permeable a ciertas macromoléculas", señaló Kwanghun Chung, quien realiza un posdoctorado y es el primer autor del artículo respectivo, que se publicó en la revista Nature a principios de abril.

Lo que hicieron los investigadores fue reemplazar los lípidos del cerebro con un hidrogel; es decir, macromoléculas que forman una red tridimensional de cadenas flexibles y elásticas que mantienen su forma y son cristalinas.

Primero sumergieron el cerebro del ratón a bajas temperaturas en un líquido con dos sustancias: formaldehído y acrilamida. El formaldehído es un compuesto orgánico que en solución acuosa se conoce como formol. La acrilamida es otro compuesto orgánico, blanco, inodoro y cristalino, que se forma en algunos alimentos (en especial los que contienen almidón) cuando éstos se cocinan o procesan a altas temperaturas.

El formaldehído unió la mayoría de las moléculas del cerebro con la acrilamida, y al calentar este órgano a temperatura corporal se produjo un gel sólido y transparente. Después sometieron el cerebro a una corriente eléctrica que eliminó todo lo que no estaba adherido al gel; como si se hiciera un detallado dibujo a lápiz de una escena y luego se borraran los bordes. Lo que queda de este proceso es un cerebro "fantasma" y transparente, que consta de las células y sus contenidos, pero no de los contornos. Además, puede tratarse con marcadores o luz para estudiarlo.

Si quisiéramos estudiar los efectos de una sustancia en el cerebro con un proceso convencional, por ejemplo el de la proteína beta-amiloide que subyace a la enfermedad de Alzheimer, es relativamente sencillo lograr que ciertas moléculas (marcadores) se adhieran a la proteína para poder localizarla. Pero como el cerebro es opaco, es necesario cortarlo en capas finas para encontrar los marcadores y posteriormente reunirlos con ayuda de un programa de cómputo para ver al cerebro en su totalidad. Con el método clarity se logran mantener los elementos más importantes del cerebro en su sitio —neuronas, proteínas, cadenas de ADN— para poder localizarlos y estudiar las relaciones que existen entre ellos.

Clarity presenta algunas desventajas y la principal, de acuerdo con Chung, es que es difícil aplicar este método correctamente; sobre todo en el momento en que se aplica una corriente eléctrica al cerebro para extraer los lípidos. "Quemé y derretí cientos de cerebros tratando de lograr mi objetivo", dijo Chung.

Otros laboratorios harán lo mismo, pero ahora, los resultados del método ya se encuentran detallados en el artículo de Nature.

Hallazgo arqueológico en Xaltocan

Científicos del Instituto de Investigaciones Antropológicas de la UNAM y de la Universidad Estatal de Georgia localizaron 150 cráneos humanos en lo que fue una isla del lago Xaltocan, actualmente desecado. Este lago formaba parte de la cuenca lacustre del Valle de México junto con Zumpango, Texcoco, Xochimilco y Chalco.

La historia del hallazgo empezó en el invierno de 2007, cuando Christopher Morehart y su esposa caminaban cerca de una excavación donde realizaban estudios sobre sitios de cultivo de chinampas prehispánicas. Por haber sido un lago, el lugar es muy plano, a excepción de un pequeño montículo que llamó la atención de los investigadores. Observándolo de cerca, descubrieron varios restos óseos, y el primero que extrajeron fue la parte frontal de un cráneo. Ahí su investigación cambió, ya que Morehart decidió excavar en ese lugar para intentar averiguar la procedencia de los huesos, a quién pertenecían y cuál era la naturaleza del hallazgo. Ese año localizaron 31 cráneos y en junio de 2012, cuando reiniciaron la excavación, con participación de la UNAM y de la National Geographic Society, otros 119.

Lo primero que descubrieron es que no se trataba de un cementerio de alguna civilización antigua, sino de un sitio ritual. Los cráneos pertenecían a hombres jóvenes, muchos con deformaciones intencionales en dientes y cráneos, que estaban colocados viendo al este, sobre una capa de cal y polen de cempasúchil, así como una figura de arcilla de Tláloc y otras deidades. Todos parecen haber sido decapitados a nivel de la primera cervical, casi en la nuca, mientras que teotihuacanos, mayas y mexicas lo hacían en la segunda o tercera vértebra. Otro rasgo único es que en la parte superior de los cráneos o dentro de la órbita de los ojos se encontraban insertadas falanges del dedo pulgar de la mano.

Los restos fueron fechados entre el 660 y el 890 de nuestra era, entre el colapso de Teotihuacán (que se encuentra a 15 kilómetros del sitio), y el surgimiento del imperio azteca.

Durante la excavación se encontraron una bolsa negra de plástico, huevos, velas negras y varias fotografías de personas, lo que sugiere que el sitio ha seguido teniendo actividad ritual hasta nuestros días.

Escuchar a los árboles puede salvarlos

Desde hace décadas se sabe que los árboles producen ruidos distintos, pero no se conocía bien su origen. Un grupo de científicos de la Universidad de Grenoble, en Francia, encabezado por Alexandre Ponomarenko, ha encontrado que algunos de estos sonidos se producen cuando el árbol no cuenta con el agua que requiere.

Los árboles son muy altos comparados con otras plantas, esto hace que el líquido del xilema (el tejido vegetal que transporta agua, sales minerales y otros nutrientes de la raíz a las hojas de las plantas vasculares) pueda encontrarse bajo una enorme presión, pero las fuerzas de atracción que existen entre las moléculas de agua logran que la columna de líquido permanezca intacta. Pero si el agua disponible para el árbol es escasa, como sucede cuando aspiramos con un popote las últimas gotas en un vaso, es necesario aumentar la presión para que ésta suba. En los árboles que no tienen agua suficiente, el aumento de presión desde las partes altas puede romper la columna del líquido del xilema, lo que resulta en la formación de burbujas de aire. Este fenómeno se conoce como cavitación y es parecido a lo que sucede cuando se tapa la punta de la aguja de una jeringa que contenga líquido; si se jala el embolo, los gases disueltos en el líquido se liberan, formando burbujas. Las cavitaciones pueden llegar a matar al árbol.

Al grupo de científicos franceses se le ocurrió colocar una capa delgada de un pino en un recipiente con gel y líquido, para replicar el estado en que se encuentra la parte interna de un árbol vivo en presencia de suficiente agua. Después expusieron la capa de pino al aire, simulando una sequía, mientras hacían grabaciones de video, utilizando un microscopio, y de audio con equipo que puede registrar el rango ultrasónico (inaudible para el oído humano). Así pudieron relacionar los sonidos con cambios visibles en la madera, como las burbujas de cavitación. Encontraron que la mitad de los sonidos producidos se deben a las cavitaciones y que esos sonidos en particular pueden distinguirse de otros que surgen cuando la madera está secándose.

Los científicos que hicieron el estudio sugieren que si se colocan sencillos dispositivos auditivos en los árboles, en épocas de sequía podrían detectarse los ultrasonidos de las primeras cavitaciones, cuando aún es tiempo de actuar para salvarlos.

Los resultados de esta investigación se publicaron en el Boletín de la Sociedad Estadounidense de Física en el mes de marzo.

Método para limpiar agua contaminada

En el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM un equipo de científicos encabezado por Monserrat Bizarro desarrolló un método que utiliza energía solar para degradar distintos contaminantes que se encuentran en el agua. Se trata de un desarrollo importante, pues según datos recientes del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, se calcula que para el año 2030 entre el 20 y el 40% de la población del país sufrirá falta del líquido. Y uno de los grandes rezagos que tiene México en materia de agua es el alto grado de contaminación que existe en ríos, lagos y cuencas, y el pequeño porcentaje que se trata para ser reutilizada. Muchas industrias, como la del papel o la textil, producen enormes volúmenes de aguas con residuos y contaminantes orgánicos, como los colorantes. Se trata de moléculas grandes, complejas, que no son biodegradables y pueden ser tóxicas; además no permiten la entrada de luz en zonas más allá de la superficie de los cuerpos de agua.

Con el fin de enfrentar este problema el equipo de investigadores se dio a la tarea de estudiar la estructura y propiedades de los residuos para desarrollar materiales capaces de degradarlos, utilizando sólo luz como fuente de energía. El método que desarrollaron se basa en capas delgadísimas de materiales semiconductores con actividad fotocatalítica, esto es, con la capacidad de transformar la energía luminosa en electricidad, como ocurre con el óxido de zinc. La fotocatálisis es una reacción que involucra la absorción y transformación de la luz y como sustrato necesita un material semiconductor; es decir, que se comporte como conductor (permitiendo el paso de una corriente eléctrica), o como aislante.

Los investigadores añadieron impurezas de otro elemento a las capas de óxido de zinc, de no más de una micra de espesor (la millonésima parte de un metro). Con ello buscaban hacer más eficiente la conducción de electricidad que permite degradar los contaminantes que se encuentran en el agua.

El equipo descubrió que las capas de óxido de zinc al que añadieron aluminio eran tres veces más eficientes que cuando usaron sólo óxido de zinc. Pero al utilizarse repetidamente, esta propiedad fue disminuyendo, por lo que decidieron mezclarla con un segundo elemento. Después de varias pruebas, descubrieron que la plata daba mejores resultados. La capa o película resultante se depositó sobre un sustrato de láminas de vidrio, las cuales se introdujeron en un recipiente donde se encontraba el agua contaminada. Al exponerse a la luz, y en poco tiempo, la concentración de contaminantes fue disminuyendo hasta que se degradaron por completo.

 

Martha Duhne

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