Al despedir 2022 y dar la bienvenida a un nuevo año, el equipo científico de CAS reflexiona sobre algunos de los descubrimientos científicos más importantes de 2022 y sobre su significado de cara a 2023 y los años venideros. Si desea mantenerse al tanto de las tendencias emergentes y los nuevos descubrimientos y conocer perspectivas únicas en el nuevo año, le invitamos a suscribirse a CAS Insights.
Una nueva era de la exploración espacial
¿Necesita un recordatorio de lo increíblemente grande que es nuestro universo? Las primeras fotos captadas por el telescopio espacial James Webb son asombrosas. Es el telescopio más potente y técnicamente avanzado que se ha creado, y las enseñanzas sobre el universo obtenidas gracias a él impulsarán las misiones futuras y la exploración durante generaciones. Hace poco se lanzó la última misión a la luna en el marco del programa Artemis de la NASA, que allanará el camino para una misión futura a Marte. Esta nueva era de la exploración espacial generará avances tecnológicos en campos que van más allá de la astronáutica y estimulará el progreso de aplicaciones en áreas como los materiales, la ciencia de los alimentos, la agricultura e incluso la cosmética.
Un hito en las predicciones de la IA
Desde hace décadas, la comunidad científica intenta entender mejor la relación entre las funciones de las proteínas y sus estructuras 3D. En julio de 2022, Deep Mind reveló que la estructura 3D plegada de la molécula de una proteína se puede predecir a partir de su secuencia lineal de aminoácidos usando los algoritmos AlphaFold2, RoseTTAFold y trRosettaX-Single. Las predicciones de los algoritmos redujeron el número de proteínas humanas con datos estructurales desconocidos de 4800 a tan solo 29. Aunque siempre habrá desafíos relacionados con la IA, la capacidad de predecir estructuras de proteínas tiene implicaciones en todas las ciencias médicas y biológicas. Entre los principales retos futuros se incluyen el modelado de proteínas con propiedades intrínsecas desordenadas y otras cuyas estructuras se alteren por medio de modificaciones post-translacionales o en respuesta a las condiciones ambientales. Al margen del modelado de proteínas, los avances de la IA siguen redefiniendo los flujos de trabajo y ampliando las capacidades de descubrimiento en numerosos sectores y disciplinas.
Tendencias en desarrollo en la biología sintética
La biología sintética tiene el potencial de redefinir las vías de síntesis mediante el uso de sistemas biológicos manipulados (p. ej., microorganismos en los que una parte importante de su genoma se ha modificado o manipulado) para fabricar una amplia gama de biomoléculas y materiales, como tratamientos, aromas, tejidos, alimentos y combustibles. Por ejemplo, se podría producir insulina sin el páncreas del cerdo, piel sin vacas y seda de araña sin arañas. El potencial que esto tiene para las ciencias médicas y biológicas es increíble, pero si se aplica a la fabricación, la biología sintética podría minimizar los problemas futuros de las cadenas de suministro, aumentar la eficiencia y crear nuevas oportunidades para producir biopolímeros o materiales alternativos con estrategias más sostenibles. Hoy en día, los equipos usan el modelado metabólico basado en la IA, las herramientas de CRISPR y los circuitos genéticos sintéticos para controlar el metabolismo, manipular la expresión de los genes y crear vías para la bioproducción. Ahora que esta disciplina empieza a incorporarse a numerosos sectores, los últimos avances y las tendencias emergentes para el control metabólico y los retos de ingeniería relacionados se describen en un artículo de Journal of Biotechnology publicado en 2022.
El despegue de la metabolómica de célula única
Aunque ha habido importantes progresos en la secuenciación y la cartografía genética, solo la genómica nos dice de qué es capaz una célula. Para lograr una comprensión más profunda de las funciones celulares, los enfoques proteómicos y metabolómicos ofrecen diferentes ángulos para revelar perfiles moleculares y vías celulares. La metabolómica de célula única proporciona una instantánea del metabolismo celular en un sistema biológico. La dificultad radica en que los metabolomas cambian con rapidez, por lo que la preparación de muestras es fundamental para comprender el funcionamiento celular. Conjuntamente, una serie de avances recientes en la metabolómica de célula única (técnicas de código abierto, algoritmos avanzados de IA, preparación de muestras y nuevas formas de espectrometría de masas) demuestra la capacidad para ejecutar análisis de espectros de masas detallados. Esto permite a los investigadores determinar la población de metabolitos célula por célula, lo que tiene un enorme potencial para realizar diagnósticos. En el futuro, eso podría llevar a detectar incluso una única célula cancerosa en un organismo. Combinado con los nuevos métodos de detección de biomarcadores, los dispositivos médicos portátiles y los análisis de datos asistidos por IA, este conjunto de tecnologías mejorará el diagnóstico y la vida de los pacientes.
Los nuevos catalizadores permiten producir fertilizantes de un modo más ecológico
Cada año, miles de millones de personas dependen de los fertilizantes para la producción constante de alimentos, de modo que reducir la huella de carbono y el coste de la producción de fertilizantes transformaría el impacto que la agricultura tiene en las emisiones. El proceso de Haber-Bosch para la producción de fertilizantes convierte el nitrógeno y el hidrógeno en amoníaco. Para reducir el consumo energético, los investigadores de Tokyo Tech han desarrollado un catalizador de nitruro sin metales nobles que contiene un metal de transición con actividad catalítica (Ni) sobre un soporte de nitruro de lantano que es estable en presencia de humedad. Como el catalizador no contiene rutenio, es una opción económica para reducir la huella de carbono de la producción de amoníaco. El soporte de La-Al-N, junto con los metales activos, como el níquel y el cobalto (Ni, Co), produjo NH3 a velocidades similares a las de los catalizadores de nitruro de metal convencionales. Puede encontrar más información sobre la producción sostenible de fertilizantes en nuestro último artículo.
Avances en la medicina basada en el ARN
Aunque la aplicación del ARNm en las vacunas para la COVID-19 captó mucha atención, la verdadera revolución de la tecnología del ARN no ha hecho más que empezar. Recientemente se ha desarrollado una nueva vacuna polivalente para la gripe con ARNm modificado con nucleósidos. Esta vacuna tiene el potencial de generar protección inmunitaria contra cualquiera de los 20 subtipos conocidos del virus de la influenza y de proteger frente a brotes futuros. Muchas enfermedades genéticas raras son el siguiente objetivo de los tratamientos con ARNm, ya que en muchos casos se deben a la carencia de una proteína vital y se podrían curar introduciendo una proteína sana de reemplazo por medio de un tratamiento con ARNm. Además de los tratamientos con ARNm, actualmente hay numerosos candidatos terapéuticos de ARN en fase de estudio clínico para muchas formas de cáncer y para enfermedades hematológicas y pulmonares. El ARN es muy selectivo y versátil y se puede personalizar fácilmente, lo que facilita su uso en un amplio conjunto de enfermedades. Puede obtener más información sobre el alto número de candidatos clínicos y las nuevas tendencias de las tecnologías de ARN en el último informe de CAS Insights.
Transformación esquelética rápida
En el campo de la química sintética, el reto de intercambiar de manera segura un solo átomo en una estructura molecular o de insertar y eliminar átomos individuales de un esqueleto molecular es formidable. Aunque se han desarrollado muchos métodos para funcionalizar las moléculas con sustitutos periféricos (como la activación de enlaces C–H), uno de los primeros métodos para realizar modificaciones de un solo átomo en los esqueletos de los compuestos orgánicos fue desarrollado por el grupo de Mark Levin en la Universidad de Chicago. Esto permite la escisión selectiva del enlace N–N de los núcleos de pirazol e indazol para producir pirimidinas y quinazolinas. El desarrollo de nuevos métodos de edición esquelética haría posible una rápida diversificación de las moléculas disponibles comercialmente, lo que podría acelerar el descubrimiento de moléculas funcionales y candidatos farmacológicos idóneos.
Avances en la regeneración de extremidades
Se prevé que la pérdida de un miembro afectará a 3,6 millones de personas antes de 2050. Durante décadas, los científicos creyeron que el factor más importante para la regeneración de un miembro era la presencia de nervios. Sin embargo, el trabajo realizado por el Dr. Muneoka y su equipo demostró la importancia de la carga mecánica para la regeneración de dedos en mamíferos y concluyó que la ausencia de un nervio no inhibe la regeneración. También lograron avances en la regeneración de miembros los investigadores de la Universidad Tufts que usaron la administración aguda de varios fármacos a través de un biorreactor portátil para provocar la regeneración de miembros a largo plazo en ranas. Este primer éxito podría llevar a avances en la regeneración de tejidos más grandes y complejos para los humanos, lo que sería beneficioso para veteranos del ejército, diabéticos y otras personas afectadas por amputaciones y traumatismos.
La fusión nuclear genera más energía neta con la ignición
La fusión nuclear es el proceso que genera la energía del sol y las estrellas. Durante décadas, se ha intentado replicar la fusión nuclear en la Tierra como fuente de energía que, en teoría, podría cubrir todas las necesidades energéticas futuras del planeta. El objetivo es obligar a átomos ligeros a colisionar con tanta fuerza que se fusionen y generen más energía de la que consumen. Sin embargo, vencer la repulsión eléctrica entre los núcleos positivos requiere temperaturas y presiones elevadas. Una vez vencida esa repulsión, la fusión libera grandes cantidades de energía que también deberían provocar la fusión de núcleos cercanos. Otros intentos anteriores de iniciar la fusión empleaban campos magnéticos intensos y láseres potentes, pero no habían logrado generar más energía de la que consumían.
Los investigadores del centro de ignición del Lawrence Livermore National Laboratory informaron de que el equipo había logrado iniciar la fusión nuclear y crear 3,15 megajulios de energía utilizando un láser de 2,05 megajulios. Aunque es un avance monumental, aún pueden faltar décadas para disponer de centrales de fusión nuclear funcionales que alimenten nuestra red eléctrica. Hay importantes obstáculos prácticos (escalabilidad, seguridad de las centrales, energía requerida para generar el láser, residuos, etc.) que se deben resolver antes de que esta posibilidad se materialice. Sin embargo, el logro de iniciar la fusión nuclear por ignición es un hito importante que allanará el camino para el progreso futuro.