Bio in sílico

En un determinado momento del desarrollo del embrión de la mosca del vinagre, se diferencian diversos segmentos que originarán los tejidos y órganos del animal adulto. Esta etapa de segmentación es la que los investigadores han simulado en un ordenador, elaborando un modelo que explica las interacciones genéticas conocidas y predice algunas desconocidas.

La Biología y las Matemáticas no parecen llevarse bien. Al menos no tan bien como la Química y la Física lo hacen con ella. Esto no se debe a una particular aversión de los biólogos por las Matemáticas o de los matemáticos por la Biología, sino a la complejidad de los sistemas biológicos, muy difícil del reducir a modelos matemáticos. Sin embargo, los avances del conocimiento en Informática y en Biología han conducido a una interacción entre Biología, Matemáticas e Informática más intensa. Algunos de los resultados de esta interacción son muy estimulantes.

Hace ya muchos años que la Informática y la Biología se han aproximado. Por ejemplo, existe una ya vieja disciplina informática, denominada Vida Artificial, que pretende simular en el ordenador los sistemas biológicos. Se han logrado simular muchas interesantes propiedades de estos sistemas, incluido el propio origen de la vida, es decir, el nacimiento y evolución de entidades autorreplicantes a partir de una “sopa primordial”. Otros programas simulan el funcionamiento de redes neuronales, aspectos de la embriogénesis, etc. La vida artificial no solo posee un interés académico, sino que sus aplicaciones son numerosas en muchos aspectos de la Informática y de la tecnología, como la Inteligencia Artificial y la Robótica.

Al margen de la fascinación de poder simular en un ordenador algunos aspectos de la complejidad de lo viviente, la importancia de esta disciplina es su capacidad de experimentación virtual y también su poder de predicción. No podemos diseñar un experimento real sobre la evolución de las especies, porque duraría millones de años, pero podemos hacerlo en un ordenador. Los resultados de estos experimentos de simulación permiten extraer concusiones o formular hipótesis sobre el funcionamiento de los sistemas vivos que de otra manera hubieran sido imposibles. Tan fascinante es este tema que hace años se demostró que en un universo de vida artificial, formado por los denominados autómatas celulares, podrían construirse ordenadores capaces, a su vez, de simular el propio sistema que los había creado. Algo parecido a la situación que empezamos a vivir, en la que teóricamente ya somos capaces de reproducir artificialmente el genoma que nos ha creado. ¿Será nuestra realidad una entidad simulada en un ordenador?

Pero dejemos la Filosofía Artificial (¿Acabo de inventar una nueva disciplina? ¿Por qué no?), y limitémonos a la simulación informática. Donde los ordenadores y las Matemáticas tienen que echar una mano a los biólogos moleculares es, sin duda, en la comprensión de las redes genéticas. Ahora que conocemos, o en breve conoceremos, todos los genes de nuestro genoma, se hace imperativo avanzar en la comprensión de las interacciones de unos genes con otros. A estas interacciones es a lo que se ha llamado redes genéticas. Ayudándonos de la analogía con un motor, en este las piezas interaccionan unas con otras, generando lo que podríamos llamar redes mecánicas, o electromecánicas. De la misma manera que un motor está formado por dispositivos que funcionan independientemente unos de otros, pero que se integran formando un todo, los biólogos confían en que lo mismo sucede con los genes. Estos, se cree, interaccionan en subgrupos originando así los diversos mecanismos que forman la célula y el organismo. Tenemos la esperanza de que estos mecanismos individuales podrán ser estudiados separadamente unos de otros, lo que facilitará enormemente la comprensión del funcionamiento de lo viviente, que de otra manera sería imposible. Para comprender la enormidad de la tarea, valga mencionar que, si es verdad lo que leí en alguna parte, nadie conoce en profundidad todos los mecanismos necesarios para el funcionamiento de un Boeing 767. En otras palabras, el ser humano ha sido capaz de fabricar un artefacto que nadie, individualmente, comprende en su totalidad. Sin embargo muchos individuos por separado han sido capaces, no solo de comprender, sino de diseñar los mecanismos e integrarlos para formar el avión completo. De manera similar, se pretende atacar el problema de comprender, y quizás recrear, los mecanismos de lo viviente, si es que estos, como parece, están formados por mecanismos más sencillos integrados unos con otros.

Un primer resultado esperanzador, que indica que es, en efecto, así como están formados y funcionan los seres vivos, apareció publicado hace unas semanas en la revista Nature. El Dr. von Dawson y sus colegas de la Universidad de Washington, en la ciudad de Seattle, publicaron la simulación en un ordenador de una red genética que controla la formación de los segmentos del embrión de la mosca del vinagre, Drosophila melanogaster. Para conseguirlo, los investigadores analizaron los datos experimentales acumulados hasta la fecha sobre el control de la segmentación del embrión de este simpático insecto, muy estudiado por los biólogos moleculares. Sin embargo, en un primer intento, no fueron capaces de simular el patrón de segmentos observado en el embrión de la mosca. Haciendo uso de la intuición científica, (particularidad humana que algún día los ordenadores también nos ayudarán a comprender, aunque nos pese) los investigadores se dieron cuenta de que los biólogos moleculares, que trabajaban cada uno por separado en un gen particular de la red genética, podían no haber identificado correctamente todos los componentes de esa red. Así, el Dr. von Dawson y sus colaboradores añadieron nuevas piezas lógicas a su red y volvieron a simular su funcionamiento. Esta vez lo consiguieron. Su modelo simulada bien el patrón de segmentos embrionario y contaba de 136 ecuaciones diferenciales y 50 parámetros.

Este trabajo, de una enorme complejidad, nos comunica un mensaje esperanzador por varias razones. En primer lugar, es posible simular el funcionamiento de redes genéticas en un ordenador. Esto sugiere que, en efecto, estas redes genéticas que integran mecanismos biológicos individuales existen y podrán ser descubiertas analizadas y simuladas en el futuro. Por otra parte, añade un factor muy importante: el poder de predicción. La Física se ha caracterizado por esta particularidad, no así la Biología. Muchos modelos físicos predecían la existencia de fenómenos o partículas que después fueron comprobados experimentalmente. La Biología se adentra ahora también por ese camino. Los investigadores, analizando el modelo genético que se creía correcto hasta la fecha, descubrieron que no estaba completo y predijeron la necesidad de “piezas” adicionales que, una vez incorporadas, lo hicieron funcionar. Los científicos experimentales pueden ahora dirigir su atención hacia esas “piezas” y comprobar si, en efecto, forman también parte de la red genética y cómo se integran en ella. No hay duda de que, avanzando por este nuevo camino, la Biología, y también la Medicina, nos depararán agradables sorpresas.