La mente del fabricante de herramientas

La mejor manera de aprender con qué intensidad el bioingeniero de Princeton, Clifford P. Brangwynne, aborda la vida es verlo jugando hockey en Baker Rink. Antes de la pandemia de COVID-19, tenía un partido de pie al mediodía. Ha jugado desde pequeño, principalmente en defensa. En Baker, podría estar defendiéndose de su colaborador y amigo Mikko Haataja, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en Princeton y un delantero formidable. "Cuando practicas deportes intensos, eso es lo único que tienes conscientemente en la mente", dice Brangwynne. Con los patines puestos, se mete en la zona. Y cuando Cliff Brangwynne entra en la zona, no hay nada que lo detenga.

Brangwynne, profesor de Ingeniería Química y Biológica de June K. Wu '92, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y beneficiario de la “beca genio” MacArthur, también suele estar en la zona científicamente. En 2009, cuando era investigador postdoctoral, publicó un hallazgo importante, algo fundamental sobre cómo se organizan las células. En los diagramas de los libros de texto, las celdas parecen ordenadas. Pequeños subcompartimentos llamados orgánulos, cada uno rodeado por una membrana, realizan tareas como almacenar información genética o producir energía. Pero Brangwynne encontró un orgánulo que no estaba limitado por una membrana. En cambio, actuó como una lámpara de lava o un aderezo para ensaladas de aceite y vinagre. Cuando miró bajo el microscopio, vio gotas de líquido fusionándose y rompiéndose dentro de una célula.

Sin embargo, Brangwynne vio que se avecinaban desafíos. Una cosa es poder ver gotitas en las células. Otra es conocer las normas que rigen su formación, o conocer todos los fines a los que sirven. Para responder esas preguntas, necesitaría ir más allá de la observación pasiva. Tendría que aprender a controlar las gotas, porque controlar algo demuestra que lo entiendes. "Cliff tiene un gran olfato para los problemas interesantes", dice Haataja. Y fue en respuesta a este problema, dice Haataja, que "la parte de bioingeniería de Cliff tomó el control".

Bioingeniería es una palabra grande que cubre una gran área de la ciencia. Los bioingenieros, dice Brangwynne, utilizan ideas de campos cuantitativos para estudiar biología. Movilizan los componentes de la biología, como las proteínas, y los manejan como un trabajador de la construcción lo haría con un taladro. Crean un conjunto de herramientas para responder preguntas fundamentales sobre biología o resolver un problema desconcertante para la sociedad. Es un enfoque que ya ha llevado lejos a los habitantes de Princeton.

Impulsada por el deseo de reducir la contaminación, Frances Arnold '79 reconoció el costo ambiental de producir comodidades modernas como medicamentos y combustibles. Se propuso convencer a las proteínas para que las fabricaran sin todo el desperdicio. Cuando inauguró su laboratorio en el Instituto de Tecnología de California en la década de 1980, los científicos sostuvieron que la capacidad intelectual y la potencia de las computadoras revelarían instrucciones precisas para hacer que las proteínas cumplieran sus órdenes. Pero las proteínas contienen cientos o miles de aminoácidos. Con 20 aminoácidos para elegir, eso da como resultado una cantidad abrumadora de combinaciones posibles. A Arnold no le gustaban esas probabilidades, por lo que intentó aprovechar la forma en que la biología modifica las proteínas (la evolución) para crear una herramienta de personalización de proteínas que cualquier científico podría usar. Hoy en día, tanto los fabricantes de medicamentos como de detergentes para ropa utilizan su técnica, conocida como evolución dirigida. Se llevó a casa una parte del Premio Nobel de Química de 2018.

En 1961, cuando Osamu Shimomura era investigador en el Departamento de Biología de Princeton, aisló una proteína brillante y verdosa de una medusa. Pero él no se detuvo ahí. Miró debajo de la proverbial capucha para ver qué hacía brillar a la proteína. Otras proteínas brillantes conocidas en ese momento requerían aditivos químicos para iluminarse, pero la proteína de Shimomura solo necesitaba una fuente de luz azul. Los científicos aprovecharon la oportunidad para utilizar la proteína verde como herramienta. Entre innumerables aplicaciones, lo utilizaron para rastrear cómo se propagan las células cancerosas y para detectar arsénico en pozos de agua. Shimomura obtuvo parte del Premio Nobel de Química 2008. Más tarde, en 2014, parte del Nobel de química fue para un investigador que utilizó la proteína para aumentar la resolución de los microscopios ópticos, lo que permitió a los científicos ver los diminutos subcompartimentos de una célula, incluidas las gotitas, con mayor nitidez.

Cuanto más se sumergía Brangwynne en la comunidad de ingenieros de Princeton, más se daba cuenta de que él también necesitaba una nueva herramienta para poder controlar o manipular las gotas en las células. “Él siempre tiene la mentalidad de que si hay una controversia o si hay algo que se desconoce es porque no hemos hecho la medición correcta, y si no hemos hecho la medición correcta es porque probablemente no tenemos la medida correcta. tecnología”, dice Rohit Pappu, colaborador de Brangwynne desde hace mucho tiempo y biofísico teórico de la Universidad de Washington en St. Louis. En septiembre de 2015, Brangwynne obtuvo una subvención de los Institutos Nacionales de Salud. En la sección de la solicitud de subvención que pregunta sobre el motivo de salud pública de la financiación, Brangwynne escribió: "Desarrollaremos una tecnología de vanguardia" para controlar y estudiar las gotas de manera que serían relevantes para diversos cánceres y otras enfermedades.

Al principio, admite Brangwynne, "no creo que entendiéramos realmente lo que estábamos haciendo". Para controlar las gotas en el momento justo, él y sus colaboradores pensaron que tendrían que comenzar con las proteínas "flash mob" que se agrupan para formar gotas, y luego combinarlas con otras partes de proteínas para crear una especie de control remoto que permitiría un científico indica la aglomeración. Encontrar las piezas adecuadas no fue tarea fácil.

Afortunadamente, otros científicos habían creado un campo próspero en torno a proteínas que cambian de forma o se ensamblan en respuesta a un destello de luz. La luz láser es un fantástico mecanismo de control remoto porque se puede encender o apagar instantáneamente y está tan enfocada que puede iluminar regiones específicas de una célula. Entonces, los investigadores conectaron una proteína sensible a la luz a una proteína flash-mob y luego agregaron una proteína brillante para poder ver su invento bajo un microscopio. Luego pusieron todo el asunto dentro de células que habían cultivado en placas de Petri. "Al crear este híbrido y encender una luz, empujas el sistema" y se forman gotas, dice Haataja, colaborador del proyecto. Dondequiera que el equipo atacaba sus células con un láser azul, listo, se formaban gotas.

Por más alucinante que fuera poder finalmente manipular gotas en una célula, algo todavía inquietaba al bioingeniero de Brangwynne. Era un problema de números. En la naturaleza, dice Brangwynne, las proteínas flash-mob que impulsan la formación de gotas se ensamblan en grupos que tienen siempre el mismo número de parejas. Tenía curiosidad por saber si las gotas se formarían con menos o más compañeros y cuál era exactamente el umbral de concentración para la formación de gotas. No pudo responder esas preguntas ni otras similares, porque la proteína sensible a la luz que eligió el equipo no se agrupaba en números consistentes.

Para Brangwynne, el campo de las gotas ha consistido en demostrar que los principios de la física que gobiernan el flujo de líquido en una lámpara de lava o en un aderezo para ensaladas también se aplican al entorno microscópico de la célula. Expertos en áreas tan diversas como la física de polímeros y la biología celular están estudiando las gotitas, y eso puede requerir unir diferentes culturas científicas para llegar a la verdad, dice. Los físicos y matemáticos expresan sus hipótesis con números y ecuaciones, mientras que los biólogos pueden utilizar dibujos o diagramas. Brangwynne es físico de formación y cree que a medida que la biología busque responder preguntas cada vez más complejas en el siglo XXI, el campo necesitará integrar principios de las matemáticas o la física que quizás no eran tan esenciales en el siglo XX.

Brangwynne “aporta un pragmatismo de ingeniería a su pensamiento”, dice Amy Gladfelter '96, colaboradora de Brangwynne y bióloga celular cuantitativa de la Universidad de Carolina del Norte, Chapel Hill. "Gran parte de la ingeniería tiene que ver con el producto y la aplicación, pero él tiene esta capacidad de utilizar los principios de la ingeniería para el descubrimiento de ciencia básica que es bastante única como individuo o como pensador".

Brangwynne y sus colaboradores buscaron una proteína que se agrupara constantemente con el mismo número de socios. Se decidieron por la ferritina, una proteína que se encuentra en la sangre y que se ensambla en un grupo de 24 unidades. El equipo volvió a añadir una proteína brillante para rastrear cosas bajo un microscopio; de hecho, la proteína verde brillante que Shimomura descubrió en Princeton. También agregaron un componente que responde a la luz y, finalmente, la proteína flash-mob. Era un proyecto de construcción a escala molecular. Efectivamente, con un destello de luz azul, el nuevo sistema formó gotas en las células cuando se le ordenaba. El equipo llama a la tecnología “andamios centrales para promover gotas”, o Corelets para abreviar.

Con Corelets, es posible comenzar a abordar las cuestiones cuantitativas que molestaban a Brangwynne. El equipo ya ha creado una "huella digital" cuantitativa de las condiciones físicas que conducen a la formación de gotas en las células. Esta información fundamental podría algún día ayudar a los investigadores a comprender cómo intervenir cuando las gotitas no funcionan correctamente en las enfermedades.

Las diminutas gotas parecidas a lámparas de lava que se forman y se rompen con la tecnología Corelets son "fascinantes de ver", dice Gladfelter. “Fluyen, gotean y se fusionan. Hacen estas cosas que se parecen a las que vemos en nuestra vida cotidiana. Viertes jarabe de arce o estás preparando aderezo para ensalada y ves gotas de aceite. Estamos acostumbrados a este tipo de interacciones con los materiales. Y luego, verlo a escala microscópica, te hace sentir como si estuvieras en este mundo invisible”, dice. Con la tecnología de Brangwynne, una científica hace que todo suceda, controlando lo que sucede en una célula casi tan fácilmente como si estuviera señalando y haciendo clic con el mouse. "Hay algo muy hermoso y satisfactorio en eso", dice Gladfelter.

Para José Ávalos, la flexibilidad de Corelets es un punto de venta. Ávalos, profesor asistente de ingeniería química y biológica en Princeton, es coautor del trabajo de Corelets. Está interesado en utilizar gotas para transformar organismos unicelulares en pequeñas fábricas. Para hacer esto, su equipo está fusionando aún más proteínas (enzimas que podrían producir productos farmacéuticos o combustibles de maneras más sustentables) a los sistemas de Brangwynne. La herramienta original había obligado a Ávalos a unir sus enzimas a un conglomerado gigante de proteínas. Estaba abarrotado desde un punto de vista molecular, y en esa situación "algunas enzimas simplemente no van a estar contentas", dice Ávalos. El sistema Corelets está estructurado de manera diferente, afirma, y ​​es posible idear versiones menos pobladas que mantengan a las enzimas felices y funcionales.

Paralelamente a Corelets, Brangwynne y sus colaboradores desarrollaron otra herramienta más. Esta técnica, llamada CasDrop, no sólo convoca gotas a voluntad, sino que las forma en ubicaciones específicas del ADN dentro de células cultivadas en laboratorio. El dispositivo de localización que dirige las gotas al ADN es una proteína llamada Cas9, un componente del sistema de edición de genes ganador del Premio Nobel llamado CRISPR. Este Cas9 está modificado para conservar sus capacidades de localización pero carece de la capacidad de cortar ADN.

Amy Strom, becaria postdoctoral del grupo de Brangwynne, está utilizando CasDrop para aprender más sobre la interacción entre las gotas y el genoma. La hipótesis de trabajo es que las gotas tienen la capacidad de afectar la forma en que una célula lee las instrucciones genéticas, para influir en qué genes se activan o desactivan. "Estoy muy entusiasmado con esta tecnología", dice Strom. "Podemos hacer nuevas preguntas que no pudimos abordar antes".

Tanto Corelets como CasDrop están llamando la atención. Scientific American las colocó entre sus 10 principales tecnologías emergentes de 2019. La revista científica Nature nombró a CasDrop una tecnología a seguir en 2020. En diciembre, Brangwynne dio una conferencia virtual sobre las herramientas en una conferencia de biología celular. Un científico cautivado publicó una reacción a la charla en Twitter. El tweet incluía un emoji con la boca abierta y una nube en forma de hongo emergiendo de su cabeza. Traducción: alucinante.

Mientras el laboratorio de Brangwynne utilizaba un enfoque de bioingeniería para hacer que las gotas se fusionaran en el momento justo, una comunidad de bioingeniería se estaba fusionando en Princeton. La Iniciativa de Bioingeniería de Princeton se lanzó en noviembre, con Brangwynne a la cabeza. En una conferencia inaugural durante la fiesta de lanzamiento virtual, Brangwynne calificó los planes para la iniciativa como “absolutamente ambiciosos”. La comunidad abarca departamentos de ingeniería y ciencias biológicas, así como física e informática. Se están llevando a cabo la recaudación de fondos y la planificación para que un edificio actúe como un centro físico de bioingeniería. La campaña de participación comunitaria de Princeton, “Un año de visión de futuro”, lanzada el otoño pasado, incluyó un tema de bioingeniería en marzo. La iniciativa está reclutando su primera generación de becarios postdoctorales distinguidos. La convocatoria de solicitudes dice: "Damos la bienvenida especialmente a los proyectos que buscan desarrollar tecnologías novedosas".

Brangwynne sonríe cuando habla de bioingeniería en Princeton. "Es el campo que va a transformar a la humanidad en este siglo", afirma. Espera que la iniciativa de bioingeniería genere nuevas colaboraciones entre los profesores de Princeton y con la red de empresas farmacéuticas y de biotecnología de Nueva Jersey. Sueña con dispositivos médicos de próxima generación, pruebas más inteligentes que permitan detectar medicamentos exitosos más rápido y soluciones a problemas como el cáncer o la demencia.

Pero él no sueña con las anteojeras puestas. "Somos muy conscientes de las enormes implicaciones éticas de algunas de las tecnologías que entran dentro de la bioingeniería", entre las que quizás la edición de genes CRISPR sea de suma importancia, dice. Al mismo tiempo, no todas las tecnologías dentro de la bioingeniería provocarán los mismos niveles de preocupación y, como en cualquier campo, diferentes tecnologías requerirán diferentes grados de previsión y precaución a la hora de su aplicación. “En este momento estamos experimentando a una escala global absolutamente masiva, un gran éxito de la bioingeniería”, dice Brangwynne, refiriéndose al uso de vacunas para diseñar la respuesta inmune humana para combatir el COVID-19. "Creo que hay que ser cuidadoso, pragmático y realista acerca de dónde estamos trazando límites", dice, porque diferentes personas tendrán diferentes niveles de comodidad con la ética de tecnologías de bioingeniería específicas.

Mientras continúa la planificación del instituto de bioingeniería, el laboratorio de Brangwynne bulle de actividad. En julio, Brangwynne fue nombrado ganador de los Premios Nacionales Blavatnik, un honor que llegó con 250.000 dólares, el mayor premio científico sin restricciones para jóvenes investigadores. En octubre, el laboratorio obtuvo una subvención altamente competitiva de cinco años y 7,5 millones de dólares del Departamento de Defensa. Gladfelter, Avalos y Pappu se encuentran entre los co-galardonados de Brangwynne. Juntos, utilizarán los fondos para descubrir reglas básicas para diseñar gotas para que puedan producir productos nuevos y útiles. Una posible aplicación de este trabajo son las gotas diseñadas para bombear materiales avanzados importantes para la seguridad nacional. Sin relación con todo eso, Brangwynne y otros en el campo de las gotas han lanzado nuevas empresas de medicamentos para comercializar terapias para el cáncer y otras enfermedades en las que las gotas salen mal.

Haataja, su colaborador y adversario del hockey, tiene plena confianza en que Brangwynne seguirá triunfando. "Cliff on the Ice es similar a Cliff el erudito", dice Haataja. “Es tenaz. Él no se rinde. Se esfuerza, pero en el buen sentido. Y cuando hace algo, lo hace a 160 kilómetros por hora”.

Carmen Drahl *07 es una escritora radicada en Washington, DC cuyo trabajo aparece en Forbes y Scientific American.