MIT - X (Diez) Curiosidades

Robots que revelan el funcionamiento interno de células en el cerebro

Robots energía células — Imagen: Boyden Lab

Un nuevo método ofrece una manera automatizada de grabar la actividad eléctrica dentro de las neuronas en el cerebro viviente.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Ganar acceso al funcionamiento interno de una neurona en el cerebro viviente ofrece una riqueza de información útil: sus patrones de actividad eléctrica, su forma, incluso un perfil de qué genes están activados en un momento dado. Sin embargo, alcanzar esta información es una tarea tan dolorosa que es considerada una forma de arte; es tan difícil de obtener que solo un pequeño número de laboratorios en el mundo lo practican.

Pero eso podría cambiar pronto: Investigadores en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y Georgia Tech han desarrollado una manera de automatizar el proceso de encontrar y grabar información de neuronas en el cerebro humano. Los investigadores han mostrado que un brazo robótico guiado por un algoritmo computacional detector de células puede identificar y grabar de las neuronas en el cerebro viviente de un ratón con mejor precisión y velocidad que un experimentador humano.

El nuevo proceso automatizado elimina la necesidad de meses de entrenamiento y provee información buscada por mucho tiempo sobre las actividades de células vivientes. Usando esta técnica, científicos podrían clasificar los miles de diferentes tipos de células en el cerebro, mapear como se conectan una con la otra y encontrar cómo las células enfermas difieren de las células normales.

El proyecto es una colaboración entre los laboratorios de Ed Boyden, el profesor asociado de desarrollo de carreras de ingeniería biológica y ciencias cerebrales y cognitivas en el MIT, y Craig Forest, profesor asistente de ingeniería mecánica en Georgia Tech.

“Nuestro equipo ha sido interdisciplinario desde el comienzo, y esto nos ha permitido traer los principios de diseño de máquinas de precisión para apoyar el estudio del cerebro viviente”, dice Forest. Su estudiante graduado, Suhasa Kodandaramaiah, pasó los últimos dos años como estudiante visitante del MIT, y es el autor líder del estudio, que apareció en la edición del 6 de mayo de Nature Methods.

El método podría ser particularmente útil en estudiar enfermedades del cerebro como esquizofrenia, enfermedad de Parkinson, autismo y epilepsia, dice Boyden. “En todos los casos, una descripción molecular de una célula que está integrada con [sus] propiedades eléctricas y de circuito … ha sido elusiva”, dice Boyden, quien es un miembro del Laboratorio de Medios del MIT y el Instituto McGovern para Investigación del Cerebro. “Si realmente podemos describir cómo las enfermedades cambian moléculas en células específicas dentro del cerebro viviente, podría permitir que se encuentren drogas con una puntería más precisa”.

Automatización

Kodandaramaiah, Boyden y Forest se propusieron automatizar una técnica de 30 años de edad conocida como fijación de membranas de célula completa (whole-cell patch clamping), que involucra traer una pequeña pipeta de vidrio hueco en contacto con la membrana celular de una neurona, entonces abriendo un pequeño poro en la membrana para grabar la actividad eléctrica dentro de la célula. Esta habilidad usualmente toma varios meses aprender a un estudiante graduado o posdoctorado.

Kodandaramaiah pasó alrededor de cuatro meses aprendiendo la técnica de fijación de membrana manual, dándole una apreciación de su dificultad. “Cuando me volví razonablemente bueno en eso, pude sentir que aunque es una forma de arte, puede ser reducida a un conjunto de tareas y decisiones estereotipadas que podrían ser ejecutadas por un robot”, dijo.

Para ese fin, Kadandaramaiah y sus colegas construyeron un brazo robótico que baja una pipeta de vidrio en el cerebro de un ratón anestesiado con una precisión micrométrica. Conforme se mueve, la pipeta monitorea una propiedad llamada impedancia eléctrica – una medición sobre qué tan difícil le es a la electricidad fluir fuera de la pipeta. Si no hay células alrededor, la electricidad fluye y la impedancia es baja. Cuando la punta toca una célula, la electricidad no puede fluir tan bien y la impedancia sube.

La pipeta toma dos pasos micrómetricos, midiendo la impedancia 10 veces por segundo. Una vez que detecta una célula, puede parar instantáneamente, previniendo que atraviese la membrana. “Esto es algo que un robot puede hacer que un humano no puede”, dice Boyden.

Una vez que la pipeta encuentra una célula, aplica succión para formar un sello con la membrana de la célula. Entonces, el electrodo puede atravesar la membrana para grabar la actividad eléctrica interna de la célula. El sistema robótico puede detectar células con un 90 por ciento de precisión, y establecer una conexión con las células detectadas alrededor del 40 por ciento del tiempo.

Los investigadores también mostraron que su método puede ser usado para determinar la forma de la células inyectando un colorante; trabajan ahora en extraer los contenidos de la célula para obtener su perfil genético.

Karel Svoboda, un líder grupal en el Campus Janelia Farm del Instituto Médico Hughes, dice que cree que la tecnología será ámpliamente adoptada, ya que remueve las barreras que han prevenido a más investigadores de usar una grabación de fijación de membrana. “Los humanos pueden hacerlo tan bien como la máquina, pero es extremadamente aburrido para una persona. Te cansas, comienzas a cometer errores. El robot puede continuar”, dice Svoboda, quien no fue parte del equipo investigador.

El desarrollo de la nueva tecnología fue patrocinado principalmente por los Institutos Nacionales de la Salud, la Fundación Nacional de Ciencia y el Laboratorio de Medios del MIT.

Una nueva era para la robótica

Los investigadores trabajan ahora en aumentar el número de electrodos para poder grabar de múltiples neuronas a la vez, potencialmente permitiéndoles determinar como las diferentes partes del cerebro están conectadas.

También se encuentran trabajando con colaboradores para comenzar a clasificar los miles de tipos de neuronas encontradas en el cerebro. Esta “lista de partes” del cerebro identificaría neuronas no solo por su forma – que es el método más común de clasificación – sino también por su actividad eléctrica y su perfil genético.

“Si realmente quieres saber que es una neurona, puedes ver la forma, y puedes ver como dispara. Entonces, si sacas la información genética, realmente puedes saber que está ocurriendo”, dice Forest. “Ahora conoces todo. Ese es el cuadro completo”.

Boyden dice que el cree que esto es solo el comienzo de usar robots en la neurociencia para estudiar animales vivientes. Un robot como este podría potencialmente ser usado para entregar drogas en puntos apuntados en el cerebro, o para entregar vectores de terapia genética. El espera que también inspirará a neurocientíficos a perseguir otros tipos de automatización robótica – como en optogenética, el uso de luz para perturbar circuitos neurales apuntados y determinar el papel causal que juegan las neuronas en las funciones cerebrales.

La neurociencia es una de las pocas áreas de la biología en la que los robots todavía deben tener un gran impacto, dice Boyden. “El proyecto genoma fue hecho por humanos y un set gigantesco de robots que harían toda la secuencia del genoma. En la evolución dirigida o en biología sintética, los robots hacen mucha de la biología molecular”, dice. “En otras partes de la biología, los robots son esenciales”.

Otros coautores incluyen al estudiante graduado del MIT Giovanni Talei Franzesi y el posdoctorado del MIT Bian Y. Chow.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/(en inglés)

Objetivo: Bacterias resistentes a las drogas

Bacteria resistente a drogas — Imagen: Aleks Radovic-moreno

Ingenieros diseñan nanopartículas que entregan altas dosis de antibióticos directamente a las bacterias.

Anne Trafton, News Office. Original (en inglés).

Durante las últimas décadas, los científicos han enfrentado desafíos en el desarrollo de nuevos antibióticos conforme las bacterias se vuelven más resistentes a las drogas existentes. Una estrategia que podría combatir dicha resistencia sería abrumar las defensas bacteriales usando nanopartículas altamente dirigidas para entregar grandes dosis de antibióticos existentes.

En un paso hacia esa meta, investigadores en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y en el Hospital de Brigham and Women han desarrollado una nanopartícula diseñada para evadir al sistema inmune y hacer su casa en los sitios de infección, y entonces desatar un ataque de antibióticos enfocado.

Este acercamiento mitigaría los efectos secundarios de algunos antibióticos y protegería las bacterias benéficas que normalmente viven dentro de nuestros cuerpos, dice Aleks Radovic-Moreno, un estudiante graduado del MIT y autor líder de un artículo que describe las partículas en el diario ACS Nano.

El profesor del instituto Robert Langer del MIT y Omid Farokzhad, director del Laboratorio de Nanomedicina y Biomateriales en el Hospital Brigham and Women, son autores principales del artículo. Timothy Lu, un profesor asistente de ingeniería eléctrica y ciencia computacional, y los estudiantes del MIT Vlad Puscasu y Christopher Yoon también contribuyeron a la investigación.

Reglas de atracción

El equipo creó las nuevas nanopartículas de un polímero con una capa de polietilenglicol (PEG), que es usado comúnmente para la entrega de drogas porque no es tóxico y puede ayudar a las nanopartículas a viajar a través del torrente sanguíneo evadiendo detección por el sistema inmune.

Su siguiente paso fue inducir a las partículas a apuntar específicamente bacterias. Investigadores han tratado previamente de apuntar las partículas a las bacterias dándoles carga positiva, que las atrae a las paredes celulares cargadas negativamente de las bacterias. Sin embargo, el sistema inmune tiende a limpiar nanopartículas cargadas positivamente del cuerpo antes de que encuentren a las bacterias.

Para sobrepasar esto, los investigadores diseñaron nanopartículas carga-antibióticos que pueden cambiar su carga dependiendo de su entorno. Mientras que circulan en el torrente sanguíneo, las partículas tienen una ligera carga negativa. Sin embargo, cuando encuentran un sitio de infección, las partículas ganan una carga positiva, permitiéndoles pegarse a las bacterias y liberar su carga de droga.

Este cambio es provocado por el entorno ligeramente ácido que rodea a las bacterias. Los sitios de infección pueden ser ligeramente más acídos que el tejido normal del cuerpo si las bacterias que causan enfermedades se están reproduciendo rápidamente, agotando el oxígeno. La falta de oxígeno dispara un cambio en el metabolismo bacterial, llevándolas a producir ácidos orgánicos. Las células inmunes del cuerpo también contribuyen: Células llamadas neutrófilos producen ácidos conforme tratan de consumir a las bacterias.

Justo por debajo de la capa exterior de PEG, las nanopartículas contienen una capa sensible al pH hecha de largas cadenas del aminoácido histidina. Conforme el pH se reduce de 7 a 6 – representando un incremento en acidez – la molécula polihistidina tiende a ganar protones, dándole a la molécula una carga positiva.

Fuerza abrumadora

Una vez que las nanopartículas se pegan a bacterias, comienzan a liberar su carga de droga, que está incrustada en el núcleo de la partícula. En este estudio, los investigadores diseñaron las partículas para entregar vancomicina, usada para tratar infecciones resistentes a las drogas, pero las partículas podrían ser modificadas para entregar otros antibióticos o combinaciones de drogas.

Muchos antibióticos pierden su efectividad conforme la acidez aumenta, pero los investigadores encontraron que los antibióticos cargados por nanopartículas retuvieron su potencial mejor que los antibióticos tradicionales en un entorno ácido.

La versión actual de las nanopartículas liberan su carga de droga en uno o dos días. “No quieres nada más una pequeña ráfaga de droga, porque las bacterias pueden recuperarse una vez que la droga se ha ido. Quieres una liberación de droga extendida para que las bacterias sean golpeadas constantemente con altas cantidades de droga hasta que han sido erradicadas”, dice Radovic-Moreno.

Young Jik Kwon, un profesor asociado de ingeniería química y ciencia de materiales en la Universidad de California en Irvine, dice que las nuevas nanoportículas están bien diseñadas y podrían tener gran impacto potencial en tratar enfermedades infecciosas, particularmente en países en desarrollo. “La mayoría de la nanotecnología se ha enfocado en la entrega de drogas para cáncer u obtención de imágenes; no mucha gente ha mostrado interés en usar un acercamiento nanotecnológico para enfermedades infecciosas”, dice Kwon, quien no fue parte del equipo investigador.

Aunque se necesita más desarrollo, los investigadores esperan que las altas dosis liberadas por sus partículas podrían eventualmente ayudar a sobrepasar la resistencia bacterial. “Cuando las bacterias son resistentes a las drogas, no quiere decir que dejan de responder, significa que responden pero solo a más altas concentraciones. Y la razón por la que no puedes alcanzar esto clínicamente es porque los antibióticos a veces son tóxicos, o no se quedan en el sitio de la infección el suficiente tiempo”, dice Radovic-Moreno.

Un posible desafio: También hay células de tejido cargadas negativamente y proteínas en sitios de infección que pueden competir con las bacterias en pegarse a las nanopartículas y potencialmente bloquearlas de pegarse a las bacterias. Los investigadores están estudiando qué tanto podría esto limitar la efectividad de su nanopartícula de entrega. También están conduciendo estudios en animales para determinar si las partículas seguirán siendo sensibles al pH en el cuerpo y circularán por el tiempo suficiente para alcanzar sus objetivos.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Una nueva técnica genera formas complejas y onduladas de forma precisa

Podría ayudar a mejorar la entrega de drogas y explicar patrones naturales desde dobleces cerebrales hasta pimientos.

Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).

Las propiedades flexibles de los hidrogeles – polímeros altamente absorbentes y gelatinosos que se encogen y expanden dependiendo de las condiciones ambientales como la humedad, el pH y la temperatura – los han hecho ideales para aplicaciones desde lentes de contacto a pañales de bebé y adhesivos.

En años recientes, los investigadores han investigado el potencial de los hidrogeles en la entrega de drogas, diseñándolos como vehículos cargadores de drogas que se rompen cuando son expuestos a cierto estímulo ambiental. Dicho vehículos pueden liberar lentamente sus contenidos de una manera controlada; incluso podrían contener más de un tipo de droga, liberada en momentos diferentes o bajo varias condiciones.

Sin embargo, es difícil predecir que tanto hidrogel se romperá, y hasta ahora ha sido difícil controlar la forma en la que un hidrogel se transforma. Nick Fang, un profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), dice que prediciendo cómo los hidrogeles se transforman podría ayudar en el diseño de sistemas más complejos y efectivos de entrega de drogas.

“¿Qué tipo de forma es más eficiente para fluir a través del flujo sanguíneo y pegarse a una membrana celular?” dice Fango. “Con el conocimiento apropiado de cómo se hinchan los geles, podemos comenzar a generar patrones a nuestro antojo”.

Fang y el posdoctorado Howon Lee, junto con colegas en la Universidad Estatal de Arizona, están estudiando la mecánica de hidrogeles que cambian de forma: buscando por relaciones entre la forma inicial de la estructura de un hidrogel, y el medio en el que se transforma, para poder predecir su forma final. En un artículo para Physical Review Letters, los investigadores reportan que ahora pueden crear y predecir formas complejas – incluyendo arrugas con formas de estrella y ondas – de hidrogeles.

Los hallazgos podrían proveer una base analítica para diseñar formas y patrones intrincados a partir de hidrogeles.

De PowerPoint a 3-D

Para crear varias estructuras de hidrogel, Fang y sus colaboradores usaron una configuración experimental que Fang ayudó a inventar en el 2000. En esta configuración, los investigadores proyectaron diapositivas de PowerPoint mostrando varias formas en un vaso de precipitados con hidrogel fotosensible, provocando que asumiera las formas mostradas en las diapositivas. Una vez que la capa de hidrogel se forma, los investigadores repitieron el proceso, creando otra capa de hidrogel encima de la primera y eventualmente construyendo hasta una estructura tridimensional en un proceso parecido a la impresión tridimensional.

Usando esta técnica, el equipo creó formas cilíndricas de varias dimensiones, suspendiendo las estructuras en líquido para observar como se transformaban. Todos los cilindros se transformaron en estructuras onduladas con forma de estrella, pero con diferencias características: cilindros cortos y anchos evolucionaron en estructuras con más arrugas, mientras que los cilindros altos y angostos se transformaron en estructuras menos arrugadas.

Fang concluyó que conforme el hidrogel se expande en el líquido, varias fuerzas actúan para determinar su forma final.

“Este tipo de estructura tubular tiene dos maneras de deformarse”, dice Fang. “Una es que puede doblarse, y otras es que puede abrocharse, o exprimirse. Así que estos dos modos compiten uno con el otro, y la altura dice qué tan duro es para doblarse, mientras que el diámetro dice qué tan fácil es estirarse”.

De sus observaciones, el equipo dibujó un modelo analítico representando la relación entre la altura inicial, diámetro y grosor de la estructura y su forma final. Fang dice que el modelo podría ayudar a los científicos a diseñar formas específicas para sistemas de entrega de drogas más eficientes.

Arrugándose naturalmente

Fang dice que los resultados del grupo también podrían explicar cómo patrones complejos son creados en la naturaleza. Menciona los pimientos – cuyas secciones medias pueden variar ampliamente en forma – como un caso de ejemplo: Pimientos pequeños y picantes tienden a ser triangulares en la sección media, mientras que pimientos más grandes tienen más forma de estrella y son ondulados. Fang especula que lo que determina la forma de un pimiento, y su número de ondas o arrugas, es su altura y diámetro.

Fang dice que el mismo principio podría explicar otras formas intricadas en la naturaleza – desde los pliegues en la corteza cerebral a arrugas en la yemas de los dedos y otros tejidos biológicos que “utilizan inestabilidad mecánica para crear una riqueza de patrones complejos”.

Katia Bertoldi, una profesora asistente de mecánica aplicada en la Universidad de Harvard, dice que los análisis de Fang permitirán a los científicos controlar la expansión y el colapso de dispositivos hechos de hidrogeles y otros materiales suaves.

“Lo que es notable es que hay una coincidencia entre la teoría y la experimentación”, dice Bertoldi. “Puedes usar estos cálculos para fabricar nuevos diseños como sistemas de entrega de drogas y robots suaves. El sistema realmente ofrece nuevos canales para el diseño de estos objetos altamente transformables”.

El equipo planea estudiar y predecir más formas de hidrogel en el futuro para ayudar a los científicos a diseñar vehículos de drogas que se transformen predeciblemente.

La investigación fue patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en los Estados Unidos. Colaboradores de la Universidad Estatal de California incluyen a Jiaping Zhang y Hanquing Jiang.

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Comparando manzanas y naranjas

Un nuevo sensor puede medir con precisión la madurez de las frutas, ayudando a prevenir las pérdidas del producto por descomposición.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Cada año, los supermercados de los Estados Unidos casi pierden el 10 por ciento de sus frutas y vegetales por la descomposición, de acuerdo al Departamento de Agricultura. Para ayudar a combatir esas pérdidas, el profesor de química del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) Timothy Swager y sus estudiantes han construido un nuevo sensor que podría ayudar a los tenderos y a los distribuidores de comida a monitorear mejor su producto.

Los nuevos sensores, descritos en el diario Angewandte Chemie, pueden detectar pequeñas cantidades de etileno, un gas que promueve la madurez en las plantas. Swager visualiza los sensores baratos pegados a las cajas de cartón de productos y escaneados con un dispositivo manual que revelaría la madurez de los contenidos. De esa manera, los tenderos sabrían cuando poner ciertos artículos a la venta para moverlos antes de que se vuelvan demasiado maduros.

“Si podemos crear un equipo que ayude a las tiendas de comestibles a manejar las cosas con mayor precisión, y tal vez reducir sus pérdidas en un 30 por ciento, eso sería enorme”, dice Swager, el profesor de química de John D. MacArthur.

Detectando gases para monitorear el suministro de comida es una nueva área de interés para Swager, cuya investigación previa se ha enfocado en sensores para detectar explosivos o agentes de guerra química y biológica.

“La comida es algo para lo que es realmente importante crear sensores, y vamos tras de la comida en el sentido amplio”, dice Swager. También está detrás de monitores que puedan detectar cuando la comida se vuelve mohosa o desarrolla crecimiento de bacterias, pero como su primer objetivo, eligió el etileno, una hormona de las plantas que controla la madurez.

Las plantas secretan cantidades variantes de etileno a través de su proceso de maduración. Por ejemplo, los plátanos seguirán verdes hasta que liberen el suficiente etileno para comenzar el proceso de maduración. Una vez que la maduración comienza, más etileno es producido, y la maduración se acelera. Si ese plátano amarillo perfecto no es comido en la cima de su madurez, el etileno lo volverá café y aguado.

Los distribuidores de fruta tratan de alentar este proceso manteniendo los niveles de etileno muy bajos en sus bodegas. Dichas bodegas emplean monitores que usan cromatografía de gas o espectroscopia de masa, que separa los gases y analiza su composición. Estos sistemas cuestan alrededor de $1,200 dólares cada uno.

“Justo ahora, es la única vez que la gente monitorea el etileno en estas enormes instalaciones, porque el equipo es muy caro”, dice Swager.

Detectando la madurez

Fundado por la Oficina de Investigación del ejército de los Estados Unidos a través del Instituto para Nanotecnologías del Soldado del MIT, el equipo del MIT construyó un sensor que consiste de un arreglo de decenas de miles de nanotubos de carbono: hojas de átomos de carbono enrolladas en cilindros que actúan como “supercarreteras” para el flujo eléctrico.

Para modificar los tubos para detectar gas etileno, los investigadores agregaron átomos de cobre, que sirven como “topes” (Nota del traductor: Con esto me refiero a los resaltes) para alentar los electrones fluyendo. “Cada vez que pones algo en estos nanotubos, estás haciendo topes, porque estás tomando este sistema perfecto y prístino y le estás poniendo algo”, dice Swager.

Los átomos de cobre ralentizan los electrones un poco, pero cuando el etileno está presente, se une a los átomos de cobre y alenta los electrones aún más. Midiendo qué tanto se alentan los electrones – una propiedad también conocida como resistencia – los investigadores pueden determinar qué tanto etileno está presente.

Para hacer el dispositivo aún más sensible, los investigadores añadieron pequeñas cuentas de poliestireno, que absorben etileno y lo concentran cerca de los nanotubos de carbono. Con su última versión, los investigadores pueden detectar concentraciones de etileno tan bajas como 0.5 partes por millón. La concentración requerida para la maduración de la fruta usualmente es entre 0.1 y una parte por millón.

Los investigadores probaron sus sensores en varios tipos de fruta – plátanos, aguacates (palta), manzanas, peras y naranjas – y fueron capaces de medir precisamente su madurez al detectar qué tanto etileno secretaban las frutas.

El autor líder del artículo describiendo los sensores es Birgit Esser, un posdoctorado en el laboratorio de Swager. El estudiante graduado Jan Schorr también es un autor del artículo.

John Saffell, el director técnico en Alphasense, una compañía que desarrolla sensores, describe el acercamiento del equipo del MIT como rigoroso y enfocado. “Este sensor, si es diseñado e implementado correctamente, podría reducir significativamente el nivel de descomposición de la fruta durante el envío”, dice.

“En cualquier momento dado, hay miles de contenedores de carga en los mares, transportando fruta y esperando que llegue a su destino con el grado correcto de madurez”, añade Saffell, quien no estuvo involucrado en esta investigación. “Sistemas analíticos caros pueden monitorear la generación de etileno, pero en el negocio tan dependiente de los costos que es el envío, no son económicamente viables para la mayoría de la fruta enviada”.

Swager ha aplicado por una patente de la tecnología y espera comenzar una compañía para comercializar los sensores. En trabajos futuros, planea agregar un chip de identificación por radio-frecuencia (RFID – radio-frequency identification) al sensor para poder comunicarse inalámbricamente con un dispositivo manual que mostraría los niveles de etileno. El sistema podría ser extremadamente barato – alrededor de 25 centavos por el sensor de nanotubo de carbono más otros 75 centavos por el chip RFID, estima Swager.

“Esto podría hacerse con electrónicos realmente baratos, con casi nada de energía”, dice.

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Dinámica de la sinapsis inhibidora y exitadora en el cerebro

Sinapsis dynamics — Imagen: Len Rubenstein

El cerebro se adapta al entorno en parte por modificar y reacomodar persistentemente las diversas conexiones sinápticas entre neuronas. Estos cambios incluyen fortalecer o debilitar vínculos existentes, así como formar y eliminar sinapsis – ajustes a largo plazo que son requeridos para el aprendizaje y la memoria.

David Vaughn – Picower Institute for Learning and Memory. Original (en inglés).

Debido a que las sinapsis exitadoras en neuronas exitables están localizadas en pequeñas protusiones llamadas espinas dendríticas, estudios tempranos usaron dinámica de espina dendrítica para monitorear el remodelado de sinapsis exitadoras en vivo. Sin embargo, la falta de sustitutos morfológicos para sinapsis inhibidoras ha impedido su observación, y aunque la interacción entre transmisión exitadora e inhibidora mantiene un papel crítico en la plasticidad del cerebro, la incapacidad de monitorear la dinámica de la sinapsis inhibidora ha hecho imposible el examinar cómo corresponden con los cambios exitadores.

La entrada sensorial impacta la actividad sináptica

Un nuevo estudio hecho en conjunto por Elly Nedivi, del Instituto Picower para el aprendizaje y la memoria, sus estudiantes Jerry Chen y Katherine Villa del Departamento de Biología, y sus colegas Jae Won Cha y Peter So del Departamento de Ingeniería Mecánica en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), así como el colaborador Yoshiyuki Kubota del Instituto Nacional para las Ciencias Fisiológicas en Japón, caracteriza la distribución de sinapsis inhibidoras a lo largo de las neuronas del cerebro y muestra que están divididas en dos poblaciones, una en espinas dendríticas adyacentes a una sinapsis exitadora, la otra en un eje dendrítico. Entonces midieron ellos la kinética del remodelado de las dos poblaciones durante experiencias sensoriales normales y alteradas.

Los investigadores monitorearon simultáneamente sinapsis inhibidoras y espinas dendríticas a lo largo de las neuronas del cerebro usando microscopía de dos fotones de color doble en alta resolución. Sus hallazgos indican que las espinas inhibidoras y las sinapsis en el eje responden diferente durante experiencias sensoriales visuales normales y alteradas, y cuando las sinapsis inhibidoras y las espinas dendríticas de neuronas de la corteza son reacomodadas, se encuentran agrupadas, basadas en la información sensorial. Este trabajo apareció en la revista Neuron el mes pasado, el 26 de abril.

Hasta ahora, la distribución de las sinapsis inhibidoras en las células dendritas se estimaba por medio de medidas de densidad volumétricas. El nuevo estudio del MIT, sin embargo, demuestra distribución uniforme de sinapsis inhibidoras del eje – contra las sinapsis en la espina, las que son lo doble de abundantes a lo largo de dendritas apicales distales. La distribución diferencial de la espina inhibidora y las sinapsis en el eje podría reflejar su influencia en la integración de la entrada de calcio desde varias fuentes.

Distinciones kinéticas y de agrupamiento entre tipos de sinapsis

El equipo investigador también descubrió que ambos tipos de sinapsis son dinámicos, pero las sinapsis de la espina inhibidora son cuatro veces más dinámicas que sus contrapartes del eje. La privación monocular (MD – Monocular deprivation), un paradigma visual para la plasticidad, resultó en una pérdida significativa pero transitoria de sinapsis inhibidoras de la espina durante los primeros dos días de MD, mientras que la pérdida de sinapsis del eje persistieron por al menos cuatro días. Esto demuestra el impacto de la experiencia sensorial alterada y la distinción kinética entre las dos poblaciones de sinapsis.

Después, los científicos buscaron evidencia de agrupamiento local entre cambios sinápticos exitadores e inhibidores durante la experienca visual normal al realizar análisis en sinapsis inhibidoras y espinas dinámicas y estables. Encontraron que los cambios en sinapsis inhibidoras ocurren en proximidad cercana a espinas dendríticas dinámicas comparado con las espinas estables, y los cambios en las espinas dendríticas ocurren en proximidad cercana a las sinapsis inhibidoras dinámicas comparado con las estables. Los investigadores también demostraron que este patrón de agrupamiento entre sinapsis inhibidoras dinámicas y espinas dendríticas era reforzado por MD.

Los investigadores también probaron que el porcentaje de espinas dinámicas y sinapsis inhibidoras agrupadas en respuesta al MD es significativamente más alto de lo que podría esperarse basado simplemente en una presencia incrementada de sinapsis inhibidoras dinámicas. “Esto sugiere que mientras que el MD en general no cambia la tasa de rotación espinal en neuronas de la corteza, lleva a una mayor coordinación de estos eventos con dinámicas de sinapsis inhibidoras cercanas”, explica Nedivi.

Nuevos descubrimientos revelan impacto potencial en la memoria de largo plazo

La habilidad de los investigadores del MIT de distinguir entre sinapsis inhibidoras en la espina y en el eje dan una nueva perspectiva en la dinámica de la sinapsis inhibidora en la corteza visual adulta. Las pérdidas de sinapsis inhibidoras que ocurren durante experiencias visuales alteradas, notadas arriba, son consistentes con encuentros de que la privación visual produce un período de desinhibición en la corteza visual.

Adicionalmente, los resultados de este estudio del MIT proveen evidencia de que la plasticidad dependiente en experiencia en el cerebro es un proceso altamente orquestado, integrando cambios en conectividad exitadora con la eliminación activa y la formación de sinapsis inhibidoras. Esto arroja nueva luz en la importancia de coordinar los circuitos exitadores e inhibidores para ayudar a promover la memoria de largo plazo.

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Dos golpes seguidos noquean agresivas células cancerosas

Células cáncer dos golpes — Imagen: Neil Ganem, Michael Yaffe y David Pellman

Un nuevo estudio del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), muestra que la entrega en etapas de drogas para el cáncer es mucho más efectiva que administrándolas al mismo tiempo.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Los doctores han sabido por mucho tiempo que tratando pacientes con múltiples drogas contra el cáncer usualmente produce mejores resultados que el tratamiento con una sola droga. Ahora, un estudio del MIT muestra que el orden y el tiempo de la administración de las drogas puede tener un efecto dramático.

En el nuevo artículo, publicado en Cell el 11 de mayo, los investigadores mostraron que separar en etapas las dosis de dos drogas específicas aumentan dramáticamente su habilidad de matar un tipo de células de cáncer de mama particularmente maligno.

Los investigadores, liderados por Michael Yaffe, el profesor de Biología e Ingeniería Biológica en el MIT, están trabajando ahora con investigadores en el Instituto para el Cáncer Dana-Farber para planear pruebas clínicas de la terapia de drogas en etapas. Ambas drogas – erlotinib y doxorrubicina – ya están aprobadas para el tratamiento del cáncer.

Yaffe y el posdoctorado Michael Lee, autor líder del artículo de Cell, enfoca su estudio en un tipo de cáncer de mama conocido como triple negativo, lo que significa que no tienen un estrógeno sobrereactivo, progesterona o receptores HER2/neu (Human Epidermal Growth Factor Receptor 2 – Receptor de Factor de Crecimiento Epidérmico Humano 2). Los tumores triple-negativo, que cuentan por alrededor del 16 por ciento de casos de cáncer de mama, son mucho más agresivos que otros tipos y tienden a golpear mujeres jóvenes.

“Para las células de cáncer de mama triple-negativo, no hay buen tratamiento. El estándar de cuidado es una combinación de quimioterapia, y aunque tiene una tasa de respuesta inicial buena, un número significativo de pacientes desarrollan cáncer recurrente”, dice Yaffe, quien es miembro del Instituto David H. Koch para Investigación de Cáncer Integrativa en el MIT.

Crecimiento descontrolado

Durante los pasados ocho años, Yaffe ha estado estudiando los complejos caminos de señalización de células que controlan el comportamiento de las células: cómo crecen, cuándo se dividen, cuándo mueren. En las células cancerosas, estos caminos usualmente se descontrolan, provocando que las células crezcan aún en la ausencia de cualquier estímulo e ignoren señales de que deben de pasar por el suicidio celular.

Yaffe fue intrigado por la idea de que cambios inducidos por las drogas cambian los caminos de estas señales, si son administradas en etapas, podrían cambiar una células cancerosa en un estado menos maligno. “Nuestro trabajo previo en biología-sistemas nos había preparado a la idea de que podrías potencialmente llevar a una célula de un estado en el que solo una fracción de las células del tumor respondieran a la quimioterapia a un estado donde muchas más de ellas respondieran al re-conectar terapéuticamente sus redes de señales de una manera dependiente en el tiempo”, dijo.

Específicamente, él y Lee pensaron que podría ser posible sensitivizar células cancerosas a drogas que dañan el ADN – la columna vertebral de la mayoría de la quimioterapia – al darles primero otra droga que apague uno de los caminos que promueven el crecimiento incontrolable. Probaron diferentes combinaciones de 10 drogas que dañan el ADN y una docena de drogas que inhiben diferentes caminos cancerosos, usando diferentes programados de tiempo.

“Pensamos que volveríamos a probar una serie de drogas que todos ya habían probado, pero las pondríamos en partes – como retrasos en el tiempo – que, por razones biológicas, pensamos que eran importantes”, dijo Lee. “Pienso que si no hubiera funcionado, habríamos tenido muchos retrocesos, pero estábamos muy convencidos de que había mucha información que estaba quedando fuera por todos los demás”.

De todas las combinaciones que trataron, vieron que los mejores resultados con pretratamiento usando erlotinib seguido de doxorrubicina, un agente de quimioterapia común. Erlotinib, aprobado por la FDA (Food and Drug Administration – Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos) para tratar cáncer pancreático y algunos tipos de cáncer pulmonar, inhibe una proteína encontrada en las superficies celulares llamada receptor de factor de crecimiento epidérmico (EGF – epidermal growth factor). Cuando está constantemente activo, como lo está en muchas células cancerosas, el receptor EGF estimula una señalización que promueve crecimiento y división descontrolados.

Los investigadores encontraron que darle erlotinib entre cuatro y 48 horas antes de la doxorrubicina incrementa dramáticamente la muerte de células cancerosas. Dosis en etapas mataron hasta el 50 por ciento de células triple-negativas, mientras que la administración simultánea mató alrededor del 20 por ciento. Alrededor de 2,000 genes fueron afectados por el pretratamiento con erlotinib, encontraron los investigadores, resultando en el apagado de caminos involucrados en el crecimiento descontrolado.

“En lugar de ver cómo el tipo de tumor triple-negativo clásico, que es muy agresivo y de rápido crecimiento y metastásico, perdieron su cualidad tumorigénica y se convirtieron en un tipo diferente de tumor que no es muy agresivo, y muy fácil de matar”, dijo Lee.

Sin embargo, si las drogas fueran dadas en el orden reverso, la doxorrubicina se volvió menos efectiva que si hubiera sido dada sola.

Tratamiento con objetivo

Este tratamiento no solo funcionó en células cancerosas crecidas en un plato de laboratorio, sino también en ratones con tumores. Cuando fueron tratados con dos golpes seguidos de erlotinib y doxorrubicina, los tumores se encogieron y no volvieron a crecer por la duración del experimento (dos semanas). Con la quimioterapia sola, o cuando las dos drogas fueron dadas a la vez, los tumores se redujeron inicialmente pero volvieron a crecer.

Una combinación de mediciones de alto rendimiento y modelado por computadora fue usado para revelar el mecanismo de muerte de tumor incrementada, y para identificar un biomarcador para la respuesta de la droga. Los investigadores encontraron que el tratamiento era más efectivo en un subconjunto de células cancerosas triple-negativo con los más altos niveles de actividad del receptor EGF. Esto debería permitir a los doctores el revisar los tumores de pacientes para determinar cual sería más probable que respondiera a este tratamiento novedoso.

La investigación es “innovadora en su demostración de que los principios del orden y el tiempo son esenciales al desarrollo de terapias efectivas contra enfermedades complejas”, escribieron Rune Linding, líder del grupo investigador en la Universidad Técnica de Dinamarca, y Janine Erler, profesora asociada en la Universidad de Copenhagen, en un comentario acompañando el artículo en Cell. “Como investigadores de enfermedades, debemos considerar los estados de las redes, este y otro estudios sirven como un modelo para una nueva generación de biólogos del cáncer”.

El concepto de tratamientos de drogas en etapas para maximizar el impacto podría ser ampliamente aplicable, dice Yaffe. Los investigadores encontraron incrementos similares en reducción de tumores al pre-tratar células de mama cancerosas positivas en HER2 con un inhibidor de HER2, seguido por una droga que daña al ADN. También vieron buenos resultados con erlotinib y doxorrubicina en algunos tipos de cáncer pulmonar.

“Las drogas serán diferentes para cada caso de cáncer, pero el concepto de que inhibición en etapas temporales será un fuerte determinante de la eficacia ha sido verdadero universalmente. Es solo una cuestión de encontrar las combinaciones correctas”, dice Lee.

Los hallazgos también remarcan la importancia de biología de sistemas en el estudio del cáncer, dice Yaffe. “Nuestros hallazgos ilustran cómo los acercamientos ingeniados por sistemas para la señalización de células puede tener un gran potencial de impacto en el tratamiento de enfermedades”, dice.

La investigación fue patrocinada por el Programa de Biología del Cáncer Integrativo de los Institutos Nacionales de Salud y el Departamento de Defensa.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Frustrando a los atacantes más inteligentes

Hackers astutos pueden robar los secretos de una computadora midiendo el tiempo que tardan las transacciones de almacenamiento de datos o midiendo su consumo de energía. Nueva investigación muestra como detenerlos.

Larry Hardesty, MIT News Office. Original (en inglés).

En los últimos 10 años, investigadores de criptografía han demostrado que aún la computadora aparentemente más segura es espantosamente vulnerable a un ataque. El tiempo que le toma a una computadora guardar datos en memoria, fluctuaciones en su consumo de energía e incluso ruidos que emite pueden traicionar y dar la información para un asaltante astuto.

Ataques que usan dichas fuentes indirectas de información son llamados ataques de canal alterno, y el alza en popularidad de la computación en la nube los hace una amenaza aún mayor. Un atacante tendría que estar muy motivado para instalar un dispositivo en tu pared para medir el consumo de energía de tu computadora. Pero comparativamente es más fácil cargar un poco de código en un servidor en la nube para escuchar otras aplicaciones que está ejecutando.

Afortunadamente, mientras que ellos han estado investigando ataques de canal alterno, los criptógrafos también han estado investigando maneras de detenerlos. Shafi Goldwasser, la profesora de Ingeniería Eléctrica y Ciencia Computacional en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), y su antiguo estudiande Guy Rothblum, quien es ahora un investigador en Microsoft Research, recientemente publicaron un largo reporte en el sitio web de Electronic Colloquium on Computational Complexity (Coloquio Electrónico sobre Complejidad Computacional), describiendo un acercamiento general para mitigar ataques de canal alterno. En el Simposio sobre la Teoría de la Computación (STOC – Symposium on Theory of Computing) de la Asociación para la Maquinaria Computacional en mayo, Goldwasser y sus colegas presentarán un artículo demostrando como la técnica que ella desarrolló con Rothblum puede ser adaptada para proteger información procesada en servidores web.

Adicionalmente a prevenir ataques en información privada, dice Goldwasser, la técnica también podría proteger dispositivos que usan algoritmos propietarios para que no se pueda usar la ingeniería inversa por piratas o competidores en el mercado – una aplicación que ella, Rothblum y otros describieron en la conferencia AsiaCrypt del año pasado.

Hoy en día, cuando una computadora personal está en uso, usualmente está ejecutando programas múltiples – dice, un procesador de palabras, un navegador, un visor de archivos PDF, quizá un programa de correos u hojas de cálculo. Todos los programas están almacenando datos en la memoria, pero el sistema operativo de la laptop no permite que ningún programa vea los datos almacenados por otro. Los sistemas operativos funcionando en servidores en la nube no son diferentes, pero un programa malicioso podría lanzar un ataque de canal alterno simplemente enviando sus propios datos a la memoria una y otra vez. Por el tiempo que toma el almacenamiento y la recuperación de datos, podría inferir lo que otros programas están haciendo con precisión sorprendente.

La técnica de Goldwasser y Rothblum oscurece los detalles computacionales de un programa, ya sea que esté ejecutándose en una laptop o un servidor. Su sistema convierte un cálculo dado en una secuencia de módulos computacionales más pequeños. Los datos alimentados al primer módulo son cifrados, y en ningún punto durante la ejecución del módulo son descifrados. La salida todavía cifrada del primer módulo es alimentada al segundo módulo, que la cifra en una manera diferente, y así sucesivamente.

Las formas de cifrado y los módulos están diseñados para que la salida del módulo final sea exactamente la salida de la computación original. Pero las operaciones realizadas por los módulos individuales son enteramente diferentes. Un atacante de canal alterno podría extraer información sobre como los datos en cualquier módulo dado son cifrados, pero eso no le permitirá deducir cual es la secuencia de módulos completa. “El adversario puede tomar mediciones de cada módulo”, dice Goldwasser, “pero no podrán aprender nada más de lo que podrían de una caja negra.”

El reporte por Goldwasser y Rothblum describe un tipo de compilador, un programa que toma código escrito en una forma inteligible a los humanos y lo convierte en un set de instrucciones de bajo nivel inteligibles a una computadora. Ahí, los módulos computacionales son una abstracción: La instrucción que inaugura un nuevo módulo no se ve diferente de la instrucción que concluyó el último. Pero en el artículo de STOC, los módulos son ejecutados en diferentes servidores en una red.

De acuerdo a Nigel Smart, un profesor de criptología en el departamento de ciencia computacional en la Universidad de Bristol en Inglaterra, el peligro de los ataques de canal alterno “ha sido conocido desde finales de los 90”.

“Se hizo mucha ingeniería para tratar de prevenir que esto fuera un problema”, dice Smart, “una enorme cantidad de trabajo de ingeniería. Eso es mucho dinero en la industria”. Mucho de ese trabajo, sin embargo, se ha basado en prueba y error, dice Smart. El estudio de Goldwasser y Rothblum, por otro lado, “es un estudio con muchas más bases, analizando preguntas básicas y profundas sobre que es posible”.

Además, dice Smart, trabajo previo en ataques de canal alterno tendían a enfocarse en la amenaza impuesta a dispositivos móviles, como celulares y tarjetas inteligentes. “Me parece que lo más probable que ocurra en el futuro es lo que se habla sobre servidores”, dice Smart. “No se de nadie fuera del MIT que esté estudiando eso”.

Smart advierte, sin embargo, que el trabajo de GoldWasser y sus colegas es improbable que se convierta en aplicaciones prácticas en el futuro cercano. “En seguridad, y especialmente en criptografía, toma un largo tiempo pasar de una idea académica a algo que realmente sea utilizado en el mundo real”, dice Smart. “Están estudiando lo que podría ser posible en un tiempo de 10 o 20 años”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

A través de un vidrio, claramente

Vidrio antiempañado — Imagen: Hyungryul Choi and Kyoo-Chul Park

Investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) encuentran una manera de hacer vidrio que es anti-empañado, se auto-limpia y es libre de reflejos.

David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Una de las características instantáneamente reconocibles del vidrio es la manera en la que refleja luz. Pero una nueva manera de crear texturas superficiales en el vidrio, desarrollada por investigadores del MIT, virtualmente elimina reflejos, produciendo vidrio que es casi irreconocible debido a su ausencia de reflejo – y cuya superficie causa que las gotas de agua reboten en él, como pequeñas bolas de hule.

El nuevo vidrio “multifuncional”, basado en nanotexturas superficiales que producen un arreglo de características cónicas, se auto-limpia y resiste el empañado y el reflejo, dicen los investigadores. Al final, esperan que pueda hacerse utilizando un proceso de manufactura económico que podría aplicarse a dispositivos ópticos, a pantallas de teléfonos inteligentes y televisores, paneles solares, parabrisas de autos e incluso ventanas en edificios.

La tecnología es descrita en un artículo publicado en el diario ACS Nano, escrito conjuntamente con los estudiantes graduados en ingeniería mecánica Kyoo-Chul Park y Hyungryul Choi, el antiguo posdoctorado Chih-Hao Chang, el profesor de ingeniería química Robert Cohen, y los profesores de ingeniería mecánica Gareth McKinley y George Barbastathis.

Paneles fotovoltáicos, explica Park, pueden perder hasta el 40 por ciento de su eficiencia dentro de seis meses conforme el polvo y la suciedad se acumulan en sus superficies. Pero un panel solar protegido por el nuevo vidrio que se auto-limpia, dice, tendría mucho menos problema. Adicionalmente, el panel sería más eficiente por que más luz sería transmitida a través de su superficie, en lugar de ser reflejada – especialmente cuando los rayos del sol están inclinados en un ángulo agudo al panel. En esos momentos, como temprano por las mañanas y antes del anochecer por las tardes, el vidrio convencional podría reflejar más del 50 por ciento de la luz, mientras que una superficie anti-reflejante reduciría el reflejo a un nivel insignificante.

Mientras que algo del trabajo anterior solamente trataba paneles solares con recubrimiento hidrofóbico, las nuevas superficies multifuncionales creadas por el equipo del MIT son aún más efectivas al repeler el agua, manteniendo los páneles limpios durante más tiempo, dicen los investigadores. Adicionalmente, recubrimientos hidrofóbicos existentes no previenen pérdidas por reflejo, dándole al nuevo sistema otra ventaja más.

Otras aplicaciones podrían incluir dispositivos ópticos como microscopios y cámaras a ser usadas en entornos húmedos, donde sus capacidades tanto anti-reflejos como anti-empañado podrían ser útiles. En dispositivos touch-screen, el vidrio no solo eliminaría los reflejos, sino que también resistiría la contaminación por sudor.

En definitiva, si el costo de dicho vidrio puede ser reducido lo suficiente, incluso ventanas de autos podrían beneficiarse, dice Choi, limpiándose a sí mismas de la suciedad y la arena en la superficie exterior de las ventanas, eliminando brillo y reflejos que pueden afectar la visibilidad, y previniendo el empañado en las superficies interiores.

El patrón de la superficie – que consiste en un arreglo de conos a nanoescala que son cinco veces tan altos como el ancho de su base de 200 nanómetros – está basado en un nuevo acercamiento de fabricación que desarrolló el equipo del MIT utilizando recubrimiento en una superficie de vidrio con varias capas delgadas, incluyendo una capa fotoresistiva, la cual es iluminada después con un patrón de reja y removida mediante grabado; grabados sucesivos producen las superficies cónicas. El equipo ya ha aplicado por una patente para el proceso.

Debido a que la forma de la superficie es nanotexturizada – en lugar de algún método particular de alcanzar la forma – la que provee las características únicas, Park y Choi dicen que en el futuro filmes de vidrios o polímeros transparentes podrían ser fabricados con dichas características superficiales simplemente pasándolas a través de un par de rollos de textura mientras aún están parcialmente fundidos; dicho proceso agregaría muy poco al costo de la manufactura.

Los investigadores dicen que obtuvieron su inspiración de la naturaleza, donde las superficies texturizadas que van desde las hojas del loto hasta los caparazones del escarabajo desértico y los ojos de las palomillas (o polillas) se han desarrollado en formas que comúnmente tienen múltiples propósitos a la vez. Aunque los arreglos de nanoconos puntiagudos en la superficie aparecen frágiles cuando se ven microscópicamente, los investigadores dicen que sus cálculos muestran que deben ser resistentes a un amplio rango de fuerzas, desde el impacto por gotas de lluvia en un fuerte aguacero o al polen y la arena cargados por el viento o hasta un golpe con un dedo. Pruebas adicionales serán necesarias para demostrar qué tan bien las superficies nanotexturizadas se mantienen a través del tiempo en aplicaciones prácticas.

Andrew Parker, un superior visitando al becario de investigación en el Colegio Green Templeton en la Universidad de Oxford en el Reino Unido, quien no estuvo involucrado en este estudio, dice, “Superficies multifuncionales en animales y plantas son comunes. Por primera vez, hasta donde yo sé, este artículo enseña una lección en la eficiencia de manufactura haciendo un dispositivo anti-reflejos y anti-empañado. Esta es la manera en la que la naturaleza trabaja, y podría ser el futuro de una ingeniería más verde donde dos estructuras, y dos procesos de manufactura, son reemplazados por uno”.

La investigación fue patrocinada por la Oficina de Investigación del Ejército a través del Instituto para Nanotecnología del Soldado del MIT; la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea; la Fundación de Investigación Nacional de Singapur a través del Centro de la Alianza para Investigación y Tecnología Singapur-MIT (SMART – Singapore-MIT Alliance for Research and Technology), y la Fundación Xerox. Park y Choi recibieron becas de Samsung y la Fundación Educativa Kwanjeong/Fundación de Becas STX, respectivamente.

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“http://web.mit.edu/ (en inglés)

Protección inmunitaria de una fuente inesperada

Mucosidad protege — Imagen: Public Library of Science Journal

Ingenieros biológicos del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de
Massachusetts) encuentra que las proteínas en las mucosidades ayudan a evitar infecciones virales.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés)

Las mucosidades usualmente provocan una fuerte repulsión, pero para la ingeniera biológica del MIT Katharina Ribbeck, es un material fascinante.

“Sin ellas, no seríamos capaces de oler, no seríamos capaces de reproducirnos, y todos seríamos víctimas de patógenos”, dice Ribbeck, quien estudia propiedades antivirales de mucinas, el componente principal de las mucosidades.

La mucosidad, que recubre superficies húmedas en los cuerpos de todos los animales, es la primera línea de defensa del cuerpo. Le permite a nutrientes, a otras moléculas vitales y al esperma entrar, pero mantiene fuera patógenos como ciertos virus peligrosos y bacterias. Ribbeck, la profesora asistente de Desarrollo de Carreras de Ingeniería Biológica, está tratando de encontrar cómo la mucosidad logra esta selectividad. De interés particular es el papel de las mucinas, el principal bloque de construcción de la mucosidad.

“Comúnmente son considerados como elementos de andamios inertes, pero la imagen que está emergiendo es que realmente tienen una función activa en el sistema defensivo del cuerpo”, dice Ribbeck.

Un mejor entendimiento de la función inmune de las mucosas podría arrojar luz sobre por qué ciertas personas son más susceptibles a infecciones virales o bacteriales, dice Ribbeck. La composición de las mucosas puede diferir entre personas, y también varía dependiendo de factores como la edad de una persona, la dieta y la época del año.

Investigación previa ha mostrado que las mucosas – proteínas largas con forma de hebra con muchas moléculas de azúcar pegadas – son abundantes en la leche materna, protegiendo a los niños contra virus como los rotavirus y el VIH. Para encontrar si este papel antiviral era más general, Ribbeck probó la habilidad de las mucosas para bloquear tres diferentes virus de que entraran en células.

Para este estudio, que apareció en una edición reciente del diario Biomacromolecules, Ribbeck y sus estudiantes crearon un gel de mucosas purificadas. Los investigadores recubrieron células epiteliales humanas con una capa de este gel y entonces las expusieron al virus del papiloma humano, influenza A y polyomavirus de célula de Merkel. Los tres virus fueron atrapados en el gel de la mucosa, previniendo que infecten las células.

El trabajo es “una extensión muy lógica” de estudios previos mostrando que las mucosas protegen el revestimiento del estómago de ser consumido por las enzimas digestivas encontradas en el estómago, y de bacterias en el estómago, dice Shyamsunder Erramilli, profesor de física en la Universidad de Boston. “Es uno bello testimonio de esta asombrosa molécula”, dice Erramilli, quien no estuvo involucrado en este estudio.

Ribbeck especula que los virus están atrapados por las moléculas de azúcar encontradas en las mucosas. Los azúcares enlazados a mucosas son similares a aquellos en las superficies celulares, a los que los virus normalmente se enganchan. Esta similaridad permitiría a estas moléculas servir como señuelos que capturan virus antes de que alcancen sus destinos.

En su estudio, encontrado por los Institutos Nacionales de la Salud, los investigadores también encontraron que la sal tiene un fuerte efecto en como bloquean las mucosas la entrada viral. La alta concentración de sal vuelve a las mucosas menos penetrables, lo que ofrece una posible explicación sobre por que hacer gárgaras o enjuagar los pasajes nasales con agua salada usualmente suaviza los síntomas del resfrío o la gripe, dice Ribbeck. Los investigadores ahora se encuentran investigando como la sal mejora el desempeño de las mucosas.

Ribbeck también planea estudiar como logran los virus superar la barrera defensiva mucosa. Ella sospecha que las bacterias podrían actuar como cómplices, rompiendo los azúcares encontrados en las mucosas y abriendo el camino para que pasen los virus. Además, los virus podrían montar las bacterias conforme estas abren su camino a través de la capa mucosa. Una vez que los virus infectan células, pueden regresar el favor apagando muchas de las defensas inmunitarias del cuerpo, dándole a las bacterias una mejor oportunidad de establecer su propias infecciones.

Aunque los investigadores miraron tres virus específicos en este estudio, creen que las mucosas deben tener los mismos efectos protectores contra la mayoría de los virus. Debido a eso, mucosas purificadas o sintéticas podrían ser buenos aditivos antivirales a los productos de higiene personal, dice Ribbeck. Las mucosas purificadas ya se usan como ingredientes en la saliva artificial, y al menos una compañía cosmética las usa en cremas hidratantes de alto nivel (por su propiedades humectantes, no sus efectos antivirales).

Las mucosas también podrían ser aditivos benéficos a las fórmulas de bebés. “Este es uno de los problemas molestos con la fórmula – no tiene los componentes del sistema inmune de la madre. Las mucosas protectoras podrían ayudar aquí”, dice Ribbeck.

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Incentivos algorítmicos

Algoritmos incentivos — Imagen: Howard Pyle

Un nuevo giro en trabajo pionero hecho por criptógrafos del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) hace casi 30 años podría llevar a mejores maneras de estructurar contratos.

Larry Hardesty, MIT News Office. Original (en inglés).

En 1993, los investigadores criptógrafos del MIT Shafi Goldwasser y Silvio Micali compartieron el primer premio Gödel para la ciencia computacional teórica por su trabajo en pruebas interactivas – un tipo de juego matemático en el que un jugador intenta extraer información confiable de un interlocutor no confiable.

En su innovador artículo de 1985 sobre el tema, Goldwasser, Micali y el doctor Charles Rackoff de la Universidad de Toronto propusieron un tipo particular de prueba interactiva, llamada prueba de cero-conocimiento, en la que un jugador puede establecer que él o ella conoce alguna información secreta sin llegar a revelarla. Hoy en día, pruebas de cero-conocimiento son utilizadas para asegurar transacciones entre instituciones financieras y varias compañías nuevas han sido fundadas para comercializarlas.

En el Simposio sobre Teoría Computacional de la Asociación de Maquinaria Computacional en Mayo, Micali, el profesor de Ingeniería en el MIT, y el estudiante graduado Pablo Azar presentarán un nuevo tipo de juego matemático al que están llamando una prueba racional; varía las pruebas interactivas dándoles un componente económico. Cómo las pruebas interactivas, las pruebas racionales pueden tener implicaciones para la criptografía pero también podrían sugerir nuevas maneras de estructurar incentivos en contratos.

“Mientras que estre trabajo es sobre asimetría de información”, añade Micali. “En la ciencia computacional, pensamos que información valiosa es el resultado de un largo cálculo, un cálculo que no puedo hacer yo mismo”. Pero los economistas, dice Micali, modelan el conocimiento como una distribución de probabilidad que precisamente describe un estado de la naturaleza. “Era claro para mi que ambas cosas tenían que converger”, dijo.

Una prueba interactiva clásica involucra dos jugadores, a veces nombrados Arturo y Merlín. Arturo tiene un problema complejo que necesita resolver, pero sus recursos computacionales son limitados; Merlín, por otro lado, tiene recursos computacionales pero no es confiable. Una prueba interactiva es un procedimiento por medio del cual Arturo le hace a Merlín una serie de preguntas. Al final, aunque Arturo no puede resolver el problema por sí mismo, puede decir si la solución que Merlín le ha dado es válida.

En una prueba racional, Merlín sigue siendo no confiable, pero es un actor racional en el sentido económico: Cuando es enfrentado con una decisión, siempre elegirá la opción que maximice su recompensa. “En la prueba interactiva clásica, si haces trampa, eres atrapado”, Azar explica. “En este modelo, si haces trampa, obtienes menos dinero”.

Conexión de complejidad

Investigación en pruebas interactivas y pruebas racionales cae bajo la categoría de la teoría de complejidad computacional, que clasifica problemas computacionales de acuerdo a qué tan difíciles son de resolver. Las dos clases de complejidad mejor conocidas son P y NP. A grandes rasgos, P es un grupo de problemas relativamente fáciles, mientras que NP contiene algunos problemas que, hasta donde se sabe, son muy, muy difíciles.

Problemas en NP incluyen la factorización de grandes números, la selección de una ruta óptima para un vendedor que viaja, y los llamados problemas de satisfacibilidad, en los que uno debe encontrar condiciones que satisfagan conjuntos de restricciones lógicas. Por ejemplo, es posible idear una lista de asistencia para una fiesta que satisfaga la expresión lógica (Alicia O Bob Y Carol) Y (David Y Ernie Y NO Alice)? (Si: Bob, Carol, David y Ernie van a la fiesta, pero Alice no). De hecho, la gran mayoría de los problemas difíciles en NP pueden ser replanteados como problemas de satisfacibilidad.

Para tener un sentido de como funcionan las pruebas racionales, considera la pregunta de cuántas soluciones tiene un problema de satisfacibilidad – problemas aún más difíciles que encontrar una sola solución. Supón que el problema de satisfacibilidad es una versión más complicada del problema de la lista de la fiesta, uno que involucra 20 invitados. Con 20 invitados, hay 1,048,576 posibilidades para la composición final de la fiesta. ¿Cuántas de esas satisfacen la expresión lógica? Arturo no tiene suficiente tiempo para probarlas todas.

¿Pero que sucede si Arturo en su lugar subasta un boleto en una lotería? Incluso escribirá una lista perfectamente aleatoria de asistentes a la fiesta – Alice si, Bob no, Carol si y así sucesivamente – y si satisface la expresión, le dará a quien tenga el boleto $1,048,576. ¿Cuánto ofrecerá Merlín por el boleto?

Supon que Merlín sabe que hay exactamente 300 soluciones para el problema de satisfacibilidad. Las posibilidades de que la lista de la fiesta de Arthur sea uno de ellas son 300 en 1,048,576. De acuerdo al análisis econométrico estándar, una posibilidad de 300 en 1,048,576 vale exactamente $300. Así que si Merlín es racional, apostará $300 por el boleto. De esa información, Arturo puede deducir el número de soluciones.

Knockout a la primera ronda

Los detalles son más complicados que eso, y por supuesto, con muy pocas excepciones, nadie en el mundo real quiere poner un millón de dólares para aprender la respuesta a un problema matemático. Pero el resultado del artículo de los investigadores es que con pruebas racionales, pueden establecer en una ronda – “¿Qué ofreces?” – lo que podría requerir millones de rondas usando pruebas interactivas clásicas. “La interacción, en la práctica, es costosa”, dice Azar. “Es costoso enviar mensajes por una red. Reduciendo la interacción de un millón de rondas a una provee ganancias significativas en tiempo”.

“Pienso que es otro caso donde pensamos que entendemos que es una prueba, y hay un giro, y obtenemos algún resultado inesperado”, dice Moni Naor, la presidenta en el Departamento de Ciencia Computacional y Matemáticas Aplicadas en el Instituto Israelí de Ciencia Weizmann. “Lo hemos visto en el pasado con pruebas interactivas, que resultaron ser muy poderosas, mucho más poderosas de lo que normalmente piensas que lo son pruebas que escribes y verificas”. Con pruebas racionales, dice Naor, “tenemos otro giro, si asignas alguna racionalidad teórica al demostrador, entonces la prueba es otra cosa en la que no pensamos en el pasado”.

Naor advierte que el trabajo está “solo en el comienzo”, y que es difícil decir cuando dará resultados prácticos, y lo que podrían ser. Pero “claramente, vale la pena estudiar”, dijo. “En general, la combinación de la investigación en complejidad, criptografía y teoría de juego es prometedora”.

Micali está de acuerdo. “Pienso que esta es una buena base para futuras exploraciones”, dijo. “Justo ahora, la hemos desarrollado para problemas que son muy, muy difíciles. ¿Pero que hay de los problemas que son muy, muy simples?”. Sistemas de prueba racional que describen interacciones simples podrían tener una aplicación en crowsourcing, una técnica mediante la cual tareas computacionales que son fáciles para los humanos pero difíciles para las computadoras son distribuidas por Internet a ejércitos de voluntarios que reciben pequeñas recompensas financieras por cada tarea que completan. Micali imagina que podrían incluso ser usadas para sistemas biológicos, en los que organismos individuales – o células iguales – pueden ser pensados como productores y consumidores.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)