Investigación y Ciencia 359 - Agosto 2006

SUPERVOLCANES ANILLOS NEGROS SUDOKU

AGOSTO 20066,00 EUROS

BIOLOGIASINTETICA

COMBATIR EL VIH

NUEVOS ANALGESICOS

ENFERMEDADESTRANSMITIDAS POR MOSQUITOS

CONTROL DE CALIDADDE LOS PROGRAMAS

9 770210 136004

00359

Agosto de 2006Nmero 359

3HACE...50, 100 y 150 aos.

4APUNTESEtologa...Acstica...Nanotecnia...Astronutica...Biologa...Dinmica de uidos.

30CIENCIA Y SOCIEDADAgresin vrica...Quema de pastizales de alta montaa...Biodegradabilidad.

36DE CERCARegistro de un ocano productivo.

38DESARROLLO SOSTENIBLELa nueva geopoltica.

SupervolcanesIlya N. Bindeman

El anlisis de cristales microscpicos de ceniza volcnica nos lleva al descubrimiento de las erupciones ms devastadoras.

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Historia de la gentica en MxicoAna Barahona

En la primera mitad del siglo XX, el mendelismo lleg a Mxico a travsde programas de mejora vegetal. En la segunda mitad, el creciente inters porlos efectos de las radiaciones extendi la gentica a la investigacin biomdica.

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Anillos negrosRoberto Emparan

La teora de un agujero negro anular nos permite pensar en propiedades insospechadas de universos con dimensiones ocultas.

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SudokuJean-Paul Delahaye

Este juego no requiere la aplicacin de matemtica alguna, ni siquiera de la mera aritmtica. Sin embargo, encierra en s interesantes problemas matemticos.

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Nuevos analgsicosAllan I. Basbaum y David Julius

Avances en el conocimiento de las clulas y molculas que transmiten las seales de dolor proporcionan nuevas dianas farmacolgicas para los analgsicos.

Control de calidad de los programasDaniel Jackson

Los ordenadores se encargan del vuelo de los aviones comerciales,de los sistemas bancarios, de las comunicaciones, de las ventas al por menory de muchos procesos fabriles. Poderosos instrumentos de veri cacin comprobarn la abilidad de los programas informticos.

84TALLER Y LABORATORIOLevitador diamagntico,por Marc Boada

88JUEGOS MATEMTICOSGanancia segura,por Juan M.R. Parrondo

90IDEAS APLICADASTransmisin continuamente variable, por Mark Fischetti

92LIBROSLos fsicos y su reino.

Combatir el VIHGary Stix

La bsqueda constante de puntos dbiles en el virus del sida constituye una fuente de ideas para una nueva clasede frmacos.

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Enfermedades transmitidas por mosquitosFred Gould, Krisztian Magori y Yunxin Huang

Ciertos genes manipulados que bloquean la transmisin de la malaria y el dengue se transportan sobre ADN egosta y se extienden por las poblaciones naturales.

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Biologa sintticaGrupo BIO FAB

Los principios y mtodos aprendidos de la ingeniera se aplican a la transformacinde la biotecnologa, que ha superado la etapa artesanal para convertirse en industria.

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DIRECTOR GENERAL Jos M.a Valderas GallardoDIRECTORA FINANCIERA Pilar Bronchal GarfellaEDICIONES Juan Pedro Campos Gmez Laia Torres CasasPRODUCCIN M.a Cruz Iglesias Capn Albert Marn GarauSECRETARA Purifi cacin Mayoral MartnezADMINISTRACIN Victoria Andrs LaiglesiaSUSCRIPCIONES Concepcin Orenes Delgado Olga Blanco RomeroEDITA Prensa Cientfi ca, S.A. Muntaner, 339 pral. 1.a08021 Barcelona (Espaa)Telfono 934 143 344 Telefax 934 145 413www.investigacionyciencia.es

SCIENTIFIC AMERICANEDITOR IN CHIEF John RennieEXECUTIVE EDITOR Mariette DiChristinaMANAGING EDITOR Ricki L. RustingNEWS EDITOR Philip M. YamSPECIAL PROJECTS EDITOR Gary StixSENIOR EDITOR Michelle PressSENIOR WRITER W. Wayt GibbsEDITORS Mark Alpert, Steven Ashley, Graham P. Collins, Steve Mirsky, George Musser y Christine SoaresPRODUCTION EDITOR Richard HuntGENERAL MANAGER Michael FlorekVICE PRESIDENT AND MANAGING DIRECTOR, INTERNATIONAL Dean SandersonPRESIDENT AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER Gretchen G. TeichgraeberCHAIRMAN John Sargent

COLABORADORES DE ESTE NUMEROAsesoramiento y traduccin:

Snia Ambrs: Supervolcanes; Juan Manuel Gonzlez Maas: Biologa sinttica; Felipe Corts: Nuevos analgsicos, Enfermedades transmitidas por mosquitos; Luis Bou: Sudoku, Control de calidad de los programas; J. Vilardell: Combatir el VIH, Hace..., Apuntes e Ideas aplicadas; Marin Beltrn: Desarrollo sostenible; Ramn Muoz Tapia: Taller y laboratorio

Portada: Kenn Brown

SUSCRIPCIONESPrensa Cientfi ca S. A.Muntaner, 339 pral. 1.a

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Difusincontrolada

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Copyright 2006 Prensa Cientfi ca S.A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa)Reservados todos los derechos. Prohibida la reproduccin en todo o en parte por ningn medio mecnico, fotogrfi co o electrnico,

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INVESTIGACIN Y CIENCIA, agosto, 2006 3

...cincuenta aos

EL NEUTRINO DESCUBIERTO. Una larga y emocionante aventura de la fsica ha terminado en triunfo. Se ha dado con el neutrino. Frederick Reines y Clyde L. Cowan, Jr., del Laboratorio Cientfi co de Los Alamos, atraparon a la fantasmal partcula en el interior de una cmara subterrnea cercana a la pila atmica del ro Savannah. En el nmero de enero de Scientifi c American, Phillip Morrison comparaba el neutrino con el planeta Neptuno. El descubrimiento de ste fue un triunfo culminante de la fsica clsica: el movimiento de otros planetas de-mostraba que deba estar donde se hall. El neutrino corresponde a un logro similar de la fsica moderna; su descubrimiento constituye una vindicacin de la ley de la conservacin de la energa.

...cien aosEL PUNTO MUERTO DE JAVA. Hace algunos aos, Eugne Dubois descubri en la isla de Java unos huesos de un animal prehistrico, que podran haber correspondido al eslabn perdido de la cadena ancestral que une al hombre con el mono. Julius Kollman es ms bien de la opinin de que los antepasados directos del hombre no deben buscarse entre las especies de simios antropoi-deos de gran estatura y crneo plano, sino mucho ms atrs en la escala zoolgica, entre los pequeos monos de crneo puntiagudo. A partir de stos cree que se desarrollaron las razas humanas pigmeas de las edades prehistricas, de crneo puntiagudo. Se explicara as la persistencia con que la mitologa y el folclore aluden a los pueblos pigmeos.

JUEGO DE GUERRA EN EL ATLNTICO. Hasta tal punto depende Britania del comercio ultramarino para abaste-cerse de alimentos, que en tiempo de guerra no habra medio ms seguro para poner a ese orgulloso imperio de rodillas pidiendo la paz que capturar, destruir, o expulsar de alta mar su fl ota mercante. Las ltimas maniobras navales se planearon con vistas a determinar la magnitud de este peligro. Aun-que los cruceros rpidos de la fl ota intrusa causaron daos considerables al comercio del pas, fueron ahuyentados de la ruta comercial elegida para el ataque. Afi rman las autoridades navales que el comercio de Gran Bretaa no puede ser nunca tan absolutamente daado que afecte de forma decisiva al resultado de una guerra.

MORALEJA. William S. Meade, de quien se dice que hizo una fortuna de 250.000 dla-res merced a la invencin de un proceso de conservacin de la carne, muri hace poco, sin un cntimo, en una casa de huspedes de

Nueva York. Tras hacerse con aquella fortuna, hallndose en la costa del Pacfi co, trab amistad con un anciano capitn de barco, quien afi rmaba conocer el lugar donde yaca hundido un buque con un tesoro. A la muerte de ste, Meade hered un paquete de mapas e instrucciones cifradas para localizar la embarcacin. En la bsqueda de sta Meade gast toda su fortuna. A sus expen-sas, organiz tres expediciones. Dos de ellas acabaron en fracaso en las costas suramericanas; la tercera fue abandonada tras navegar, durante aos, por las costas de Per y Chile en busca del tesoro.

FERVOR ALADO. Algo que ha estimulado grandemente las investigaciones aeronuticas ha sido la instauracin del Gran Premio de la Aviacin por el Aero Club de Francia. Acerca del nuevo aeroplano que los seores Bleriot y Voisin estn construyendo en su establecimien-to de los suburbios de Pars, ofrecemos aqu una ima-gen de la mquina (vase ilustracin) durante su primer vuelo experimental sobre el lago de Enghien. Apenas se hizo un corto vuelo, pues se descubri que eran necesarios algunos cambios. Quizs el ms importante de todos los aparatos aeronuticos franceses recientes sea el aeroplano de Santos-Dumont. La mquina ha sido bautizada 14bis; se ha construido principalmente para competir por los 10.000 dlares del premio Deutsch-Archdeacon.

...ciento cincuenta aosTRAMPA PARA CARTERISTAS. Por su forma y tamao, el artefacto parece por fuera un reloj de bolsillo. Dentro de la caja, hay una campanilla y un martillo de resor-te, conectado ste a una leontina. Se espera que el ratero tire de sta para hacerse con el reloj. Pero, en cambio, es el reloj el que se hace con el ladrn. El tirn hace sonar la campanilla de alarma, el dueo del reloj echa mano del bribn y el polica lleva a ste a la crcel.

HACE

El aeroplano de Bleriot, mostrado en Francia, 1906.

4 INVESTIGACIN Y CIENCIA, agosto, 2006

APUNTES

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ETOLOGIACuarentena submarinaSe saba que las langostas caribeas, animal por lo dems muy sociable, suelen quedar aisladas de sus congneres cuando estn infectadas con el virus letal y contagioso PaV1 y presentan un aspec-to enfermizo. Para averiguar si la segregacin era intencionada, se prepararon dos madrigueras contiguas en un tanque de agua marina, se sujet una langosta sana a una y una langosta enferma a la otra, y se introduca repetidas veces una segunda langosta. Si sta padeca ya la infeccin, se albergaba con la misma frecuencia con sus congneres sanos o enfermos. Pero las langostas sanas slo compartan la madri-guera con la langosta enferma en una ocasin de cada cuatro incluso antes de que las enfermas se tornaran contagiosas, advertidas quiz por seales qumicas. En el nmero de Nature del 25 de mayo escriben los autores del experimento que se trata de la primera vez que se observa una segregacin de individuos enfermos entre animales salvajes sociales.

J. R. Minkel Para no contagiarse, las langostas se mantienen alejadas de sus congneres enfermos.

NANOTECNIASuave al tactoLos sensores tctiles de tamao dactilar ms avanzados no discriminan entre elementos de menos de unos dos milmetros de ancho. Unos ingenieros qumicos de la Universidad de Nebraska en Lincoln han construido un sensor micromtrico. Rivaliza as en delicadeza con el tacto humano. Formaron una lmina de 100 nanmetros de espesor por medio de capas alternas autoensam-bladas de nanopartculas de oro y sulfuro de cadmio, separadas por pelculas aislantes. Cuando entre ambas caras se aplica una tensin elctrica y se presiona la lmina, fl uyen electrones desde las capas de oro hacia las de sulfuro de cadmio, a travs de las

capas aislantes. El sulfuro brilla entonces. Las imgenes reveladas con esa luz captan detalles de 40 micras de ancho y cinco de alto, lo sufi ciente para detectar las arrugas del traje de Lincoln en las monedas de un centavo de dlar. Segn uno de los investigadores, Ravi Saraf, los futuros sensores para robots basados en este descubrimiento no dependern de seales lumino-sas, sino de impulsos elctricos.

Charles Q. Choi

Una impresin del nmero 5 (derecha) se traduce en brillos con un sensor electrnico de sensibilidad humana.

Los lseres son conocidsimos como punteros de luz coherente, pero su fundamento la amplifi cacin por emisin estimulada funciona igualmente bien en ausencia de luz. Dos dispositivos acaban de probarlo Uno de ellos, el saser (de sound laser), se compone de capas alternas de arseniuro de galio y arseniuro de aluminio que emiten y parcialmente atrapan en un slido vibraciones sonoras (o fonones) que oscilan en la gama de los terahertz. Al aplicarle una diferen-cia de potencial elctrico, se crea un chorro de fonones, que

reverberan y se multiplican; ese ultrasonido amplifi cado sale por un extremo. En el otro dispositivo, uaser, unos osciladores piezoelctricos hacen vibrar un bloque de aluminio, que rea-limenta los osciladores y traba las vibraciones dentro de una misma frecuencia, en la gama de los megahertz. Este sistema genera ultrasonido multidireccional y podra ser de ayuda para estudiar los llamados lseres aleatorios, que hacen lo mismo con luz coherente.

J. R. Minkel

ACUSTICALseres de sonido


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Las nicas estructuras celulares poseedoras, que se sepa, de genomas son los ncleos, las mitocondrias y los cloroplas-tos. Se ha descubierto ahora que los centrosomas, que super-visan la divisin celular, parecen poseer un aparato gentico propio; curiosamente, no constara de ADN, sino de ARN. Un grupo del Laboratorio de Biologa Marina de Woods Hole, en Massachusetts, purifi c cinco secuencias de ARN de huevas de macha. Aunque abundaban en los centrosomas, en otros lugares de la clula se hallaron pocas o ninguna copia de esos

ARN. No se observaron sus secuencias en ninguna base de datos de genomas. Una de las secuencias parece codifi car el mecanismo que interviene en la replicacin del ARN y del ADN: da a entender que los centrosomas pueden duplicar su material gentico. Acerca del funcionamiento interno de los centrosomas no se sabe demasiado, ni siquiera tras un siglo de estudio. El grupo de Woods Hole sostiene que su descubrimiento podra explicar la evolucin y la funcin de los centrosomas.

Charles Q. Choi

BIOLOGIAUn lugar para el ARN

ASTRONAUTICALa precisin de las sondas espacialesLa estimacin de la trayectoria de una sonda espacial en cada momento requiere un modelo de las fuerzas actuan-tes sobre la sonda y mediciones del espacio que recorre y de su velocidad. Como predomina la gravedad, los principales modelos de la fuerza son las efemrides de los planetas y de los satlites, que especifi can las posiciones de los cuerpos principales del sistema solar en un instante dado cualquiera. Las efemrides se conocen con una precisin inferior a un kilmetro para los planetas interiores, e inferior a diez para Jpiter y Saturno. Las rbitas de las lunas de Saturno se han determinado con una precisin inferior a un kilmetro para Titn e inferior a 10 kilmetros para las otras. Las mediciones de la distancia recorrida y de la velocidad de la sonda sirven para ubicarla con respecto a la Tierra. En el caso de todas las sondas interplanetarias estadounidenses, las medi-ciones corren a cargo de las antenas de la Red Espacial Avanzada, que envan radio-seales a una sonda, que la reemite a la estacin en tierra. Los navegadores emplean entonces las seales emitidas y las recibidas para calcular a qu distancia se halla la sonda y qu

velocidad lleva. Su velocidad radial podemos fi jarla con una precisin menor que 0,05 milmetros por segundo y la distancia con un error de tres metros. Distribuyendo adecuadamente las

mediciones a lo largo de das y semanas, nos es posible estimar la posicin de la sonda con una precisin de un kilmetro. El proceso de estima mejora adems los modelos de la fuerza. Los clculos resultantes de la posi-cin y de la velocidad de la sonda en cada momento y los modelos de fuerza refi nados ayudan a predecir las posiciones futuras de la sonda. Esas predicciones se cotejan entonces con los objetivos de la misin para determinar las correcciones necesarias. Una misin tpica tiene programada una secuencia de correccio-nes para minimizar el gasto de propulsante y optimizar la precisin. En el Proyecto Cassini hay tres correcciones programadas entre los encuentros con los satlites de Saturno, con una precisin en el acercamiento inferior a dos o tres kilmetros.

Jeremy Jones, jefe del equipo de navegacin del Proyecto Cassini del Laboratorio de Propulsin a Chorro de la NASA

DINAMICA DE FLUIDOSLquidos platnicosIsaac Newton puso a girar un cubo de agua y observ un vr-tice redondo. Ahora, unos investiga-dores daneses han cuadrado ese crculo rotando slo el fondo de un cubo lleno de agua. Conforme ha-can subir la velocidad hasta algu-nas vueltas por segundo, el vrtice adoptaba primero una forma de trbol; luego, se volva cuadrado, pentagonal y hexagonal. Puede que la capa externa de agua, ms lenta, amplifi que pequeas variaciones del radio del vrtice y cree entonces esos picos, segn afi rma Tomas Bohr, nieto del famoso padre de la mecnica cuntica Niels Bohr. El grupo que encabeza, en la Universidad Tcnica de Dinamarca, ha realizado

la investigacin. Cabe comparar un cicln a un cubo semiesta-cionario; as se podra explicar la estructura de los ojos de los huracanes. El principio de fondo podra aplicarse tambin a los desages de las baeras. J. R. Minkel

Segn la velocidad de rotacin, el agua adopta forma de trbol, de cuadrado o de pentgono.


1. ANILLO DE FUEGO: Bocas del tamao de una montaa que explotan a lo largo del borde exte-rior de un supervolcn activo esconden el paisaje con nubes ardientes de gas caliente y ceniza.


SupervolcanesCristales microscpicos de ceniza volcnica

informan de las erupciones ms devastadoras

Ilya N. Bindeman

JULI

A G

REEN


Bajo la superfi cie de Ca-lifornia y Wyoming ace-chan dos volcanes en hibernacin de una furia inimaginable. En caso de entrar en erupcin, cubri-

ran el oeste de los Estados Unidos con varios centmetros de ceniza en cuestin de horas. Entre uno y otro, lo han hecho ya como mnimo cuatro veces en los ltimos dos millones de aos. Supervolcanes parecidos arden bajo Indonesia y Nueva Zelanda.

Una erupcin supervolcnica equivale a la fuerza devastadora de un asteroide que chocase contra la Tierra, pero ocurre diez veces ms a menudo. Es uno de los desastres naturales ms aniquiladores que la humanidad pueda sufrir. Aparte de la inmediata destruccin que causa-ran las incandescentes emanaciones de ceniza, los supervolcanes activos expulsan gases que alteraran el clima mundial durante aos.

Se buscan las causas que llevan a estos gigantes a entrar en erup-cin. La ciencia se propone predecir cundo explotarn de nuevo y de-terminar qu repercusiones tendra su erupcin. Recientes anlisis de cristales microscpicos de depsitos de ceniza de antiguas erupciones han apuntado algunas respuestas. Smese el progreso de tcnicas que permiten vigilar los lugares de riesgo y avalan la posibilidad de discernir seales de alerta antes de una gran erupcin. Los trabajos en marcha dan, sin em-bargo, a entender que las emisiones del supervolcn provocaran, durante los meses posteriores, reacciones qu-micas en la atmsfera ms peligrosas de lo que se haba sospechado hasta el momento.

Casi todos los vulcanlogos coinci-den en que es sumamente improbable

el Long Valley de California, Toba, en Sumatra, y Taupo, en Nueva Ze-landa. La bsqueda de otras grandes erupciones contina en regiones de potente corteza continental, como el oeste de Sudamrica y la parte ms oriental de Rusia.

A mediados de los setenta, se des-cubrieron algunas de las formas en que se pueden originar las cmaras y convertirse en un peligro. Bajo la superfi cie de Yellowstone, la placa tectnica de Norteamrica se mueve sobre un penacho de roca viscosa, y muy caliente, que asciende desde el manto, capa del interior de la Tierra de 2900 kilmetros de espesor atra-pada entre el ncleo fundido y la corteza, delgada en comparacin con aqul. Ese punto caliente funciona como un mechero Bunsen colosal: ha fundido tanta corteza suprayacen-te como para alimentar erupciones catastrfi cas a lo largo de los lti-mos 16 millones de aos. En Toba, el origen de la cmara es distinto. Esta regin descansa sobre una zona de subduccin, o sector donde una placa tectnica se desliza bajo otra. Esa convergencia calienta una vasta extensin, sobre todo por la fusin parcial del manto que se encuentra sobre la placa que se hunde.

Sea cual sea la fuente de calor, la presin en las cmaras de magma crece, en el transcurso del tiempo, a medida que se acumula ms magma bajo el peso imponente de la roca situada encima. Una supererupcin acontece una vez que el magma presurizado levanta lo sufi ciente la corteza que tiene encima para crear fracturas verticales que lleguen hasta la superfi cie de la Tierra. El magma asciende por cada una de esas nuevas fracturas; se forma as un anillo de bocas volcnicas. Cuando las bocas se unen, el gran cilindro de roca rodeado por el anillo no tiene nada que lo soporte. El techo de roca slida se desploma sobre el magma remanente, como lo hara el techo de una casa al retirar las paredes. Este derrumbe expulsa violentamente ms lava y gases por el anillo.

La huella de las erupcionesSeguan abiertos otros interrogantes. Muy pronto se vio que no toda cma-ra de magma deba promover erup-ciones catastrfi cas. En Yellowstone, por ejemplo, se encuentran tres de

que quienes hoy vivimos en la Tierra conozcamos un supervolcn activo. Las erupciones catastrfi cas suelen estar separadas por cientos de miles de aos. A pesar de ello, la dimen-sin y los efectos globales de estos episodios vienen atrayendo el inters desde los aos cincuenta.

El asombro inicialUno de los primeros descubrimientos de la geologa fue el de la existencia de enormes valles circulares de entre 30 y 60 kilmetros de dime-tro y varios kilmetros de profundi-dad que se parecan mucho a las cncavas calderas que coronan los volcanes ms conocidos del mundo. Las calderas se forman cuando las cmaras de roca fundida o magma que yacen bajo un canal de erupcin se vacan y su techo se derrumba. Los primeros investigadores, al ob-servar que estos valles con forma de caldera se hallan cerca de algunos de los mayores depsitos de rocas volcnicas emitidos por una sola erupcin, comprendieron que eran las reliquias de volcanes cientos o miles de veces mayores que el famo-so monte Helena, del estado de Wa-shington. A partir del extraordinario tamao de las calderas y del enorme volumen de material expulsado, se lleg a la conclusin de que las c-maras de magma correspondientes tenan que ser monstruosas.

No abundan los grosores de cor-teza continental y las fuentes de calor necesarias para crear cmaras de magma de tal calibre; los super-volcanes no son corrientes. En los ltimos dos millones de aos, se han emitido ms de 750 kilmetros c-bicos de magma de una sola vez en slo cuatro regiones: el Parque Na-cional de Yellowstone, en Wyoming,

Anlisis recientes de la composicin de cristales minsculos, insertos en los depsitos de ceniza procedentes de erupciones prehistricas, ponen en cuestin los supuestos admitidos sobre el comportamiento de los supervolcanes y sus repercusiones.

Segn el curso que tomen los procesos internos de las cmaras de magma que alimentan a los supervolcanes, as ser el carcter de futuras erupciones.

El invierno volcnico que sufrira el planeta tras una supererupcin sera probablemente ms corto de lo que se pensaba; en cambio, las reacciones qumicas de la atmsfera quiz resultaran mucho ms peligrosas.

Resumen/Poderosas erupciones


las calderas de supervolcanes ms j-venes del planeta. Se formaron hace 2,1 millones de aos, 1,3 millones de aos y 640.000 aos, ms o menos superpuestas. En los perodos entre estas explosiones la cmara subya-cente liber un volumen de magma parecido al de las supererupciones, con mayor tranquilidad, no obstante. Ignoramos por qu algunas veces el magma asciende lentamente hasta la superfi cie.

La composicin de los minsculos cristales atrapados en la lava y la ce-niza de Yellowstone ha aportado una respuesta parcial, con una nueva pers-pectiva de la formacin del magma. Se haba estado dando por supuesto que el magma se asentaba durante millones de aos en una piscina de roca licuada y que, cada vez que par-te de ese material ascenda hasta la superfi cie, ocupaba su lugar un nuevo material ascendente que llenaba la cmara. Si esta teora hubiera sido correcta, se podran esperar muchas ms erupciones catastrfi cas, ya que es trmica y mecnicamente imposi-ble que se mantengan en la corteza masas tan enormes de magma sin que se vacen a menudo.

La vieja concepcin se basaba en buena medida en anlisis de roca entera, con los que se obtena un conjunto de medidas qumicas por cada pieza, del tamao de un puo, de roca volcnica que se reuna. So-bre tales datos se basaban las con-

clusiones generales que se extraan en torno a la evolucin del magma. Resultaban insuficientes, sin em-bargo, para determinar la edad del magma emitido y su profundidad de origen.

Cada fragmento de roca est constituido por miles de diminutos cristales, cada uno con su historia, edad y composicin. A fi nales de los aos ochenta, el refi namiento de la tcnica permiti analizar cristales in-dividuales con cierta precisin. Se empez as a constatar que algunos cristales y los magmas donde se originaron ascendieron antes que otros y que unos se formaron a gran profundidad y otros cerca de la su-perfi cie.

A lo largo de los ltimos diez aos, la atencin se ha centrado en un tipo de cristal volcnico especial-mente duradero, el circn. Teniendo en cuenta que los circones pueden soportar cambios extremos de tempe-ratura y presin sin ver comprometida su composicin original, un grupo de investigadores entre ellos John W. Valley, de la Universidad de Wis-consin-Madison los han empleado para estudiar la evolucin de la cor-teza primigenia [vase Una Tierra primigenia fra, de John W. Valley; INVESTIGACIN Y CIENCIA, diciembre 2005]. Cuando me incorpor al equi-po de Valley en 1998, emplebamos circones de Yellowstone para dibujar la historia de su magma progenitor,

lo que a su vez proporcion impor-tantes indicios del comportamiento futuro del volcn.

El primer paso fue medir las pro-porciones de los istopos del oxgeno en los circones de la supererupcin ms reciente de Yellowstone cuan-do estall hace 640.000 aos emiti la toba de Lava Creek, un depsito fsil de ceniza que en algunos lugares alcanza los 400 metros de espesor, as como depsitos ms jvenes emi-tidos desde entonces por erupciones ms tranquilas. Al trmino de mis anlisis iniciales, a Valley y a m nos sorprendi que la composicin del oxgeno de los circones no se correspondiese con la profundidad y la temperatura del manto, tal y como se esperara si las cmaras vaciadas se hubieran rellenado desde abajo. Los circones originados en magmas derivados del manto hubieran tenido su propia signatura: a medida que los elementos disueltos en los magmas se renen para formar un circn, el cristal adquiere una proporcin elevada de oxgeno 18, un istopo pesado de oxgeno que tiene diez neutrones en su ncleo, en vez de los ocho habituales.

Valley y yo nos percatamos en-seguida de que el magma debi de originarse en la vecindad de la super-fi cie de la Tierra. Los circones que estudiamos eran, en comparacin con el manto, muy pobres en oxgeno 18. Ese empobrecimiento se da slo si

GRANDE, MAYOR, MAXIMO

Long Valley:erupcin de toba de Bishop

750 kilmetros cbicos de depsitos, hace 760.000 aos

Parque Nacional de Crater Lake: erupcin del monte Mazama

50 kilmetros cbicosde depsitos, hace 7600 aos

Monte Santa Helena:erupcin de 1980


los cristales se forman de rocas que han interactuado con la lluvia o la nieve. Intuimos, pues, que el techo de roca que se derrumb en una de las supererupciones ms antiguas de Yellowstone debi de constituir, al fundirse, la imponente acumulacin de magma que se expulsara luego, durante la catstrofe ms reciente de Lava Creek y las emanaciones me-nores acontecidas desde entonces. La hiptesis gan consistencia cuando supimos que las edades de los cir-cones procedentes de las erupciones posteriores a Lava Creek abarcaban dos millones de aos de vulcanismo en Yellowstone. Estos viejos circones slo podan encontrarse en la ceni-za ms joven si se originaron en el material emitido durante las erupcio-nes ms antiguas, se hundieron en la cmara de magma y volvieron a fundirse para alimentar las erupcio-nes recientes.

Gracias a nuestros hallazgos se pueden ya avanzar algunas pre-dicciones sobre el futuro compor-tamiento del supervolcn de Yel-lowstone y, quiz, de algn otro. Si se iniciara un nuevo perodo de pequeas erupciones precursoras en Yellowstone suele ocurrir entre se-manas y cientos de aos antes de la explosin catastrfica, sabramos, a partir del anlisis del oxgeno de las lavas y las edades de sus circo-nes, cul era el tipo de magma ms abundante de la cmara subyacente. Si la erupcin siguiente fuese pobre en oxgeno 18, la lava provendra, a buen seguro, de los restos estancados del magma original, que se parecera hoy ms a una espesa papilla de cristal que a un lquido explosivo.

Y si la nueva lava llevase la seal distintiva del magma original del manto y no contuviera circones an-tiguos, procedera, con elevada pro-babilidad, de un gran volumen de magma nuevo que habra rellenado la cmara subyacente. Significara que habra empezado un nuevo ciclo de vulcanismo y que la renovada cmara de magma podra explotar de manera catastrfica.

Repercusiones inmediatasLos cristalitos y sus signaturas iso-tpicas han revelado otras sorpresas buenas y malas sobre el perodo subsiguiente a las supererupciones. Uno de los ejemplos mejor estudia-dos de las repercusiones de una su-pererupcin es la toba de Bishop, una capa de entre diez y varios centenares de metros de espesor que afl ora a la superfi cie de la meseta volcnica del este de California, enorme depsito que representa el ltimo residuo de los 750 kilmetros cbicos de mag-ma que se calcula fueron expulsados durante la formacin de la caldera del supervolcn de Long Valley, hace unos 760.000 aos.

Durante dcadas, muchos han dado por sentado que tuvo que ocurrir una serie de erupciones a lo largo de millones de aos para que se produjera la toba de Bishop. Sin embargo, la investigacin minu-ciosa de las burbujas microscpicas rellenas de magma y atrapadas en diminutos cristales de cuarzo nos lleva a conclusiones muy diferen-tes. La velocidad a la que el magma abandona la cmara depende de dos factores fundamentales: la viscosi-dad del magma su capacidad de

fl uir y la diferencia de presin entre la cmara y la superfi cie terres-tre. Debido a que la presin en una burbuja coincide con la de la cmara en la que se form el magma, la burbuja acta como una versin en miniatura de la propia cmara.

En vista de semejante correspon-dencia, Alfred Anderson, de la Uni-versidad de Chicago, y su equipo estudiaron el tamao de las burbu-jas con un microscopio para estimar

SUPERCICLOS

1 La fusin parcial de la roca del manto sobre la placa de corteza ocenica que se hunde produce magma que asciende hacia la base de la corteza continental, donde se acumula. Esta cmara inferior de magma acta como un mechero Bunsen gigante, que funde parte de la corteza continental, con un punto de fusin menor al de la roca subyacente. Parte del magma asciende por conductos verticales entre las dos cmaras.

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2. LOS SUPERVOLCANES DORMIDOS, as el de Long Valleyen California (izquierda), no son montaas en forma de conoque saltan a la vista, como el monte Santa Helena, en el estado de Washington (arriba). Conocemos su existencia por las enormes calderas, depresiones de la superficie terrestre que se formaronal hundirse el terreno sobre las cmaras de magma que alimenta-ron las supererupciones recientes.

Las vastas cmaras de magma fundido que alimentan los supervolcanes se forman sobre puntos calientes (penachos de roca ascen-


cunto tiempo tard el magma en abandonar la cmara. A partir de estos y otros experimentos y de observa-ciones de campo realizados desde los noventa, se cree ahora que la toba y probablemente otros depsitos se expulsaron en un solo episodio, que dur entre 10 y 100 horas.

Ello oblig a cambiar las hiptesis sobre el proceso de erupcin de los supervolcanes. Ahora se cree que en un episodio de la magnitud de los que afectaron al Long Valley y a Yel-lowstone no ira manando despacio lava incandescente, como ocurre en el volcn Kilauea de Hawai; habra, en cambio, explosiones supersnicas de una mezcla de gas y cenizas, es-pumosa y supercaliente, que se ele-vara hasta la estratosfera, hasta unos 50 kilmetros de altura. Cuando se desplomase el terreno sobre la cma-ra, inmensas nubes grises, o coladas piroclsticas, se propagaran hori-zontalmente alrededor de la caldera. Estas coladas representan un estadio intermedio entre la lava y la ceniza; avanzan muy deprisa, a ms de 400 kilmetros por hora segn algunas fuentes. Estas coladas son tambin

muy calientes con temperaturas en-tre 600 y 700 grados, por lo que a su paso lo abrasaran y cubriran todo a lo largo decenas de kilmetros y en todas direcciones.

No obstante el dao potencial de las coladas piroclsticas, la ceniza introducida en la atmsfera podra acarrear males mayores. A lo largo de cientos de kilmetros alrededor de la erupcin y quiz durante das o semanas, caera ceniza desde el cielo. En un radio de 200 kilmetros alre-dedor de la caldera se tapara el Sol, por lo que el cielo del medioda se parecera al del anochecer. Las casas, las personas y los animales quedaran enterrados, si no aplastados. Incluso a 300 kilmetros de distancia, la ce-niza podra alcanzar medio metro de espesor y, mezclada con la lluvia, su peso hundira los tejados. Con menos ceniza se averiaran ya las estaciones elctricas. Basta con un milmetro de polvo, que fcilmente cubrira tras la explosin medio planeta, para inu-tilizar los aeropuertos y reducir la produccin agrcola.

Slo de forma gradual, la lluvia (cida a causa de los gases volc-

nicos) conseguira limpiar la gruesa capa de ceniza. La roca y la ceniza volcnicas fl otaran y obstruiran las vas fl uviales importantes. Recientes perforaciones petrolferas en el golfo de Mxico descubrieron una capa de depsitos de supervolcn de un gro-sor sorprendente cerca del delta del Mississippi, a unos dos mil kilme-tros de su origen, en Yellowstone. La magnitud de esos depsitos de un supervolcn tan lejano slo se explica si los productos volcnicos se trans-portaron ro abajo y al desembocar se hundieron con el sedimento hasta el fondo del ocano.

Largo recorridoHay razones para suponer que otras consecuencias, causadas por los gran-des volmenes de gases nocivos expelidos hacia la alta atmsfera, persistiran durante muchos aos. Algunos de tales resultados pudie-ran no ser tan perjudiciales como se crea, pero otros seran todava peores. Lo sabemos, una vez ms, gracias al estudio de la composicin de pequeos subproductos proceden-tes de antiguas erupciones.

2 A medida que crece la cmara superior, el terreno suprayacente se abomba y fragmenta. La composicin rica en slice y la baja temperatura de este magma lo hacen especialmente poco fl uido, por lo que el agua y el gas encuentran difi cultades para ascender a travs del mismo. As, cuando un tapn de ese mag-ma viscoso asciende hacia la superfi cie por una fractura vertical, la alta presin del material subyacente tiende a explotar violentamente.

3 La superfi cie de la Tierra, en tensin, se fractura a medida que se crean nuevas bocas explosivas a lo largo de un anillo del dimetro de la cmara de mag-ma. Los fragmentos de roca se hunden en la cmara, empujando ms magma hacia el anillo. La liberacin repentina de este magma lo transforma en gigantescas y abrasadoras nubes de ceniza, gas y roca, o coladas piroclsticas, que arrasan el entorno en un radio de decenas de kilmetros.

4 Tras la erupcin del volcn, aparece una depresin en forma de crter, la caldera, sobre la cmara de magma par-cialmente vaciada. Con el tiempo, la tierra que se ha desplomado sobre la cmara empieza a fundirse. Se genera as un nuevo aporte de magma; junto con otras fuerzas, origina un domo en el centro de la caldera. De ah puede escapar muchas veces lava lenta antes de que se acumule suficiente magma para alimentar una nueva supererupcin.

Bordede la caldera

Nueva capade ceniza

Coladas piroclsticas

Desplome de roca

Boca volcnica explosiva Nueva fractura

Magma a altapresin

Colada de lavaDomo

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dente desde las profundidades de la Tierra) y zonas de subduccin (regiones donde una placa tectnica se hunde y avanza bajo otra).En ambos casos, los volcanes gigantes tienden a seguir un ciclo eruptivo. Aqu se observan cuatro fases bsicas, empezando por la forma-cin inicial de la cmara de magma, para el caso de que se encuentre una zona de subduccin.


De los muchos gases eyectados en una erupcin volcnica, el dixido de azufre (SO2) es el ms daino. Al reaccionar con el oxgeno y el agua, produce gotculas de cido sulfrico (H2SO4), el principal impedimento contra la llegada de radiacin solar, causa a su vez del drstico enfria-miento del clima que se producira en caso de una supererupcin. Teniendo

en cuenta que el ciclo hidrolgico del planeta requerira meses y tal vez aos para eliminar las gotas cidas, ha habido estimaciones apocalpti-cas de inviernos volcnicos que duraran dcadas, si no siglos. Todo apunta a que esos clculos pecan de exageracin.

Casi siempre quedan atrapadas en la nieve y el hielo trazas del cido

sulfrico que emite una gran erup-cin y se precipita luego desde la atmsfera contaminada. En 1996, al estudiar testigos de hielo de Groen-landia y la Antrtida, se hall el pico de cido sulfrico que sigui a la supererupcin de Toba, hace 74.000 aos. Esa erupcin, que expuls 2800 kilmetros cbicos de lava y ceniza, redujo las temperaturas medias del planeta entre 5 y 15 grados cen-tgrados. Las consecuencias de tal enfriamiento, aunque graves, no lo resultaron tanto como se supona: el cido sulfrico del registro de hielo desapareci slo seis aos despus. (Algunos sostienen que desapareci antes incluso.)

Que los inviernos volcnicos no se prolonguen en la extensin antao defendida constituye una buena no-ticia. Sin embargo, un nuevo mto-do desarrollado en los ltimos cinco aos para estudiar la composicin de los tomos de oxgeno de la lluvia cida volcnica nos lleva a una con-clusin de signo contrario acerca de los efectos a largo plazo del dixido de azufre en la atmsfera. Para que el SO2 se convierta en H2SO4 debe oxidarse; es decir, debe adquirir dos tomos de oxgeno de otros com-puestos preexistentes en la atmsfera. Se debate vivamente sobre cul de ellos desempea ah el papel princi-pal. En 2003, empec a buscar con John M. Eiler elementos de juicio en mis muestras de cenizas procedentes de las erupciones prehistricas de Yellowstone y Long Valley. DE

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3. EXTENSOS DEPOSITOS VOLCANICOS forman una vertiente muy empinada del monte Yucca, en Nevada. Son los vestigios de abrasa-doras cenizas procedentes de supererupciones que tuvieron lugar hace aproximadamente entre 12,8 (capa inferior) y 12,7 millones (capa superior) de aos.

4. UNA MACIZA PARED de roca gris al oeste de Nebraska, originada por una ardiente pila de ceniza dejada por alguna su-pererupcin ocurrida en un lugar desconocido hace 28 millones de aos. De los elementos hallados en la ceniza se deduce que tales explosiones pueden alterar la qumica de la estratosfera.

5. LOS ESQUELETOS DE ANIMALES enterrados en la ceniza proyectada por una erupcin catastrfica en Idaho hace 12 millones de aos se exponen ahora en el Parque Histrico de Fsiles en Ceniza, en el noroeste de Nebraska. La mayora de los animales muri lentamente con la ceniza vidrio en polvo, que inundara sus pulmones y desgastara sus dientes por abrasin. Las sustancias qumicas txicas halladas en la ceniza podran tambin haber envenenado el agua que beban.


Iniciamos nuestros anlisis fi jndo-nos en un oxidante efi caz, el ozono, una molcula de gas constituida por tres tomos de oxgeno. El ozono protege al planeta de los rayos ultra-violetas del Sol. Debido a las raras transformaciones qumicas que algu-nos gases sufren en presencia de esa radiacin solar tan intensa, el ozono se caracteriza por una anomala en su signatura isotpica del oxgeno; sin entrar en matices, consta de un exceso de oxgeno 17.

Cuando el ozono o cualquier otra molcula rica en oxgeno de la estratosfera interacta con SO2, ste transfiere su signatura isotpica del oxgeno al cido resultante; es decir, la anomala del oxgeno 17 persiste en el nuevo cido. En 2003, geoqumicos de la Universidad de California en San Diego hallaron el primer registro de que esa signatura se conservaba tambin en los tomos de oxgeno del cido que luego se precipita con la lluvia y en los de los sulfatos que se forman cuando la lluvia cida reacciona con la ceniza de la superficie.

As pues, el exceso de oxgeno 17 y otras caractersticas qumicas que encontramos en el sulfato pro-cedente de las muestras de cenizas de Yellowstone y de Long Valley seala que hubo cantidades signi-ficativas de ozono estratosfrico que reaccionaron con gas proce-dente de las supererupciones. Por otro lado, el examen de las capas cidas de la Antrtida ha demos-trado que debi de erosionarse el ozono estratosfrico por el mismo proceso. Al parecer, las emisiones de un supervolcn abren agujeros en la capa de ozono por un perodo ms largo que el lapso en que en-fran el clima.

Esta prdida del ozono protector aumentara la radiacin ultraviole-ta que alcanza la superficie de la Tierra y, con ella, se multiplicaran los daos genticos causados por los rayos. La magnitud y duracin de esa destruccin del ozono todava es objeto de debate. Las observa-ciones espaciales han determinado una destruccin de entre el 3 y el 8 por ciento de la capa de ozono tras la erupcin en 1991 del monte Pinatubo, en Filipinas.

Qu pasara con una erupcin cien veces mayor? La simple arit-

mtica no soluciona el problema porque los detalles de las reaccio-nes de oxidacin atmosfricas son complejsimas y no los conocemos bien del todo.

Las tcnicas necesarias para estu-diar y vigilar los volcanes de todos los tamaos se desarrollan con parsi-monia. En cualquier caso, no importa cunto aprendamos, andamos muy

lejos de predecir una erupcin. Y lo que digamos de las consecuencias de las erupciones ms catastrfi cas se restringir al terreno de la especu-lacin. La buena noticia es que, de los lugares en los que podran darse erupciones catastrfi cas, sabemos lo bastante como para pronosticar con cierta seguridad que no habr nin-guna pronto.

Ilya N. Bindeman es geoqumico y ensea en el departamento de ciencias geolgicas de la Universidad de Oregn. Naci en Mosc y se doctor en la Universidad de Chicago en 1998.

LOW-18 O RHYOLITES FROM YELLOWSTONE: MAGMATIC EVOLUTION BASED ANALYSES OF ZIRCONS AND INDIVIDUAL PHENOCRYSTS. Ilya N. Bindeman y John W. Valley en Journal of Petrology, vol. 42, pgs. 1491-1517; 2001.

SULFATE OXYGEN-17 ANOMALY IN AN OLIGOCENE ASH BED IN MID-NORTH AMERICA: WAS IT THE DRY FOGS? Bao Huiming, Mark H. Thiemens, David B. Loope y Xun-Lai Yuan en Geophysical Research Letters, vol. 30, pgs. 1843-1848; 2003.

RARE SULFUR AND TRIPLE-OXYGEN ISOTOPE GEOCHEMISTRY OF VOLCANOGENIC SULFATE AERO-SOLS. Ilya N. Bindeman, John M. Eiler, Boswell Wing y James Farquhar en Earth and Planetary Science Letters (en preparacin, 2006).

El autor

Bibliografa complementaria

DESTRUCCION DEL OZONO

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Los peligrosos gases expulsados por el monte Pinatubo, Filipinas, en 1991, aparecen en estas imgenes, en falso color, de la alta atmsfera tomadas por un satlite. Nuevos datos sugieren que los gases de esta naturaleza que emitiesen los futuros supervolcanes daaran la pro-tectora capa de ozono antes de precipitarse en forma de lluvia cida y mezclarse con la ceniza para formar sulfato. Las muestras de sulfato de cuatro depsitos de supervol-canes contienen un exceso, poco corriente, de oxgeno 17 (las reas coloreadas e irre-gulares del grfi co representan grupos de medidas); ocurre slo en compuestos que han adquirido esos tomos infrecuentes durante la reaccin con ciertos gases, muy probablemente ozono, en la alta atmsfera. Los materiales originados en el suelo y que han permanecido all, como los productos de erupciones ms pequeas, no presentan esta anomala (lnea azul).

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Erupcin sinidentificar enel oeste deEstados Unidos

Erupcionesmenores

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ANALISIS DE MUESTRAS DE SULFATO


Aunque la expresin ingeniera gentica viene utilizn-dose desde hace al menos tres decenios y la tcnica del ADN recombinante constituye uno de los pilares de la investigacin moderna, la mayor parte del trabajo que los biotecnlogos llevan a cabo con organismos no tiene mucho que ver con la ingeniera. Ello ocurre, en parte,

porque la construccin a partir de componentes biolgicos no ha alcanzado todava los niveles de estandarizacin y utilidad que se dan en otros campos de la ingeniera. Y en parte se debe a los mtodos y la mentalidad de los bilogos; aunque stos reciben la poderosa infl uencia de la tcnica.

A principios de 1957 la ingeniera electrnica experiment una profunda transformacin. Jean Hoerni, de Fairchild Semiconductor, una empresa pequea ubicada en lo que despus se convertira en Silicon Valley, invent la tcnica planar: un sistema de depo-sicin y grabado de capas de metal u otros materiales en obleas de silicio mediante unas plantillas denominadas fotomscaras. La tcnica facilitaba la produccin, limpia y sistemtica, de circuitos integrados; asimismo, permita obtener una amplia gama de cir-cuitos mediante el simple cambio del dibujo de la fotomscara. Poco despus, los ingenieros elaboraran sus diseos a partir de bibliotecas de circuitos sencillos, creados por otros, y los combi-naran para formar diseos de complejidad creciente y dotados un rango de aplicaciones ms amplio.

Hasta entonces, la tcnica estndar para la fabricacin de un circuito electrnico se basaba en la conexin de sus distintos tran-sistores mediante cables, uno a uno. Era un proceso artesanal con

Biologa sintticaGrupo BIO FAB:David Baker, George Church, Jim Collins, Drew Endy, Joseph Jacobson, Jay Keasling, Paul Modrich,Christina Smolke y Ron Weiss

Los principios y mtodos aprendidos de la ingeniera se aplican a la transformacin de la biotecnologa, que ha superado la etapa artesanal para convertirse en industria

1. LOS COMPONENTES BIOLOGICOSconstituyen la base de una biologa

sinttica inspirada en la ingeniera electrnica. SLIM

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resultados dispares: un cuello de botella ineludible para la incipiente industria electrnica. La tcnica planar, en cambio, sigui mejorando a un ritmo constante; logr avances asombrosos a una velocidad que ha quedado plasmada en la famosa Ley de Moore.

Esta combinacin de tcnica y metodologa para el diseo y fabricacin de chips semiconductores (la chip fab, o fbrica de chips) constituye uno de los paradig-mas ingenieriles ms exitosos de todos los tiempos, un valioso ejemplo a seguir para otro sector emergente, el de la fabricacin de sistemas biolgicos.

Los ingenieros genticos siguen todava conectando cada circuito de forma manual. Segn Tom Knight, del laboratorio de inteligencia artifi cial del Instituto de Tecnologa de Massachusetts (MIT), la falta de estan-darizacin en las tcnicas de ensamblaje de secuencias de ADN hace que cada reaccin de ensamblaje de ADN constituya, amn de una herramienta para adentrarse en el tema de investigacin estudiado, un experimento en s misma.

La normalizacin de mtodos y componentes para la ingeniera biolgica facilitara el diseo de bibliotecas de componentes compatibles, lo que permitira subcontratar la fabricacin. El desacoplamiento entre la concepcin y la manufacturacin dejara va libre a los bioingenieros para concebir dispositivos cada vez ms complejos y aplicar las poderosas herramientas de la ingeniera, como el diseo asistido por ordenador, al manejo de esa complejidad. Con estos objetivos en mente, hemos comenzado a identifi car y a desarrollar el equipamiento y las tcnicas que sentaran las bases de una fbrica de sistemas biolgicos (bio fab). Asimismo, tratamos de incentivar la consolidacin de una comunidad que aplique los mejores principios y mtodos de la ingeniera a la biotecnologa.

Componentes de calidadSi los transistores constituyen los componentes bsicos de los circuitos electrnicos, sus equivalentes biolgicos son los genes: largos fragmentos de ADN cuidadosa-mente dispuestos. Por tanto, la construccin de circuitos gnicos para dispositivos biolgicos avanzados requiere un mtodo para fabricar, de forma rpida, fi able y a un precio razonable, extensos segmentos de ADN.

Hace veinte aos, Marvin H. Caruthers, de la Uni-versidad de Colorado en Boulder, continu los trabajos realizados previamente por otros sobre el desarrollo de un mtodo para la sntesis de hebras sencillas de ADN que aprovechaba las propiedades qumicas de stas. El ADN consta de nucletidos, que se diferencian por el tipo de subunidad, o base, que contienen: adenina (A), citosina (C), guanina (G) o timina (T). En virtud de la afi nidad entre bases, A se empareja con T, y C se em-pareja con G, para formar los peldaos de la molcula de ADN de doble hebra. Los grupos qumicos establecen enlaces entre los pares de bases y entre nucletidos colindantes a lo largo de cada cadena.

La mayor parte de la sntesis de ADN con fi nes co-merciales sigue apoyndose en el mtodo de Caruthers, o qumica de fosforamiditas en fase slida. Comienza con un nucletido unido a un soporte slido; una partcula de poliestireno suspendida en un lquido, pongamos por caso. Cuando se expone a un medio cido, la base del nucletido se enlaza con un nuevo nucletido aadido a la disolucin. A continuacin, ese segundo nucletido se expone al cido; otro nucletido se le une, contri-buyendo as al crecimiento de la cadena. A travs de la iteracin del ciclo se va sintetizando la secuencia de nucletidos deseada, con una tasa de error aproximada de una base por cada 100.

Por desgracia, muchos de los constructos gnicos que los ingenieros se proponen fabricar son de mayor longi-tud. Un sencillo entramado de genes puede medir varios miles de bases; el genoma de un organismo, aunque sea el de una bacteria, puede contar con varios millones de bases. As pues, para el desarrollo de mtodos de sntesis con mayor rendimiento y tasas de error menores nos hemos inspirado en la naturaleza.

En los seres vivos, la maquinaria biolgica (en la que operan la polimerasa y otras enzimas) sintetiza y repara molculas de ADN a una velocidad de hasta 500 bases por segundo, con tasas de error de alrededor de una base por cada mil millones. Ello representa un avance en el rendimiento global (el cociente entre la velocidad de sntesis y la tasa de error) de un billn de veces si lo comparamos con las mejores mquinas de sntesis de ADN, que aaden una base cada 300 segundos. Ade-ms, a la hora de copiar un fragmento de ADN largo (un genoma bacteriano, por ejemplo), hay multitud de polimerasas que operan en paralelo: en 20 minutos, en-cadenan alrededor de cinco millones de bases.

Uno de los autores (Church) se dispuso a remedar ese mecanismo mediante la adaptacin de la tcnica, ya de-sarrollada, de las micromatrices (microarrays). Se trata de portaobjetos de gran tamao sobre los que se han depositado oligonucletidos (u oligos), hebras sencillas de ADN de longitud reducida (entre 50 y 70 bases). Los oligos se fabrican de forma simultnea, directamente sobre la superfi cie de la micromatriz (a la que se encuentran unidos adoptando un patrn reticular, cuya densidad puede alcanzar un milln de puntos por centmetro cuadrado); el proceso se basa en la qumica de las fosforamiditas. A la tcnica tradicional hemos aadido unos conectores que, en un momento dado, pueden cortarse, lo que per-mite liberar determinados oligos de la micromatriz. Cada punto de nuestra micromatriz experimental tiene unas

Una tcnica de fabricacin fl exible y fi able junto con mtodos estandarizados y bibliotecas de di-seos originaron la industria de los chips semi-conductores (chip fab, o fbrica de chips). Ello facilit a los ingenieros la creacin de dispositivos electrnicos de complejidad y potencia extraordina-rias con multitud de aplicaciones.

De forma anloga, la biologa sinttica (bio fab) dotara a los ingenieros biolgicos de la capacidad para concebir y construir dispositivos refi nados a partir de componentes biolgicos bsicos.

El desarrollo y aplicacin de las tcnicas de la biologa sinttica son ya una realidad. Tambin se estn resolviendo aspectos referentes a la seguridad e incentivando a los bilogos para que adopten una mentalidad ingenieril.

Resumen/Fbricas biolgicas


30 micras de ancho; la micromatriz contiene en torno a 10 millones de molculas de oligo.

A estas hebras las denominamos oligos de construc-cin porque se han diseado para que sus secuencias se solapen entre s, de forma que, luego, se ensamblen para elaborar construcciones ms largas de ADN, un gen por ejemplo. Los oligos que contengan errores en su secuencia deben eliminarse. Para ello, hemos utilizado dos sistemas de correccin de errores.

El primero utiliza el mismo mtodo de sntesis de la micromatriz para producir oligos de seleccin, cuyas secuencias son complementarias con las secuen-cias de los oligos de construccin. A continuacin, liberamos los oligos de seleccin del portaobjetos y los esparcimos sobre la matriz que contiene los oligos de construccin. Los oligos de seleccin seguirn las reglas de emparejamiento para unirse, o hibridar, con sus oligos de construccin complementarios y formar un ADN de doble hebra. Luego, identifi camos las hebras que contienen errores (cualquier hebra de los oligos de construccin que no se haya emparejadado o cualquier emparejamiento que presente imperfecciones graves) y desprendemos los oligos defectuosos de la matriz.

Importa subrayar, en este contexto, lo siguiente: aun cuando los oligos de seleccin presenten la misma pro-babilidad de contener errores que los oligos de cons-truccin (ambos se han fabricado del mismo modo), la probabilidad de que una secuencia errnea de uno de los conjuntos de oligos encuentre una hebra perfectamente complementaria en el otro conjunto es muy pequea. Por tanto, el empleo de un conjunto de oligos para detectar errores en el otro constituye un mtodo efi caz: se obtienen oligos con un promedio de slo un error por cada 1300 bases.

Segn cabra esperar, los sistemas biolgicos se ha-llan interesados en autorreplicarse con precisa exactitud.

Nuestro segundo mtodo de correccin de errores ha bebido en la propia naturaleza. Hace diez aos, uno de los autores (Modrich) desentra los pormenores del proceso: lo bautiz MutS, L, H. Cuando dos hebras de ADN hibridan pero el emparejamiento de las bases A-T y C-G no es perfecto, la zona de la doble hebra que presenta el emparejamiento incorrecto no adopta forma de hlice. MutS es una protena natural que reconoce y se une a estas imperfecciones. Termina por reclutar a otras protenas, MutL y MutH, para corregir el error. Apoyado en ese sistema, otro de los autores (Jacobson), junto con Peter Carr, del MIT, ha logrado tasas de error de una base por cada 10.000 bases de ADN sinttico, precisin sufi ciente para fabricar pequeas redes de genes.

Estas tcnicas (la sntesis en paralelo de oligos que, en un momento dado, se pueden desprender y la correccin de errores) permiten ensamblar construcciones de ADN largas y casi sin errores y con una celeridad y ahorro

2. BACTERIAS RESPLANDECIENTES nos saludan a travs del dispositivo que un equipo de la Universidad de Texas en Austin present al concurso iGEM 2004. Incorporaron multitud de compo-nentes gnicos receptores de luz y productores de cromatforos en Escherichia coli; convirtie-ron as una biopelcula en una pantalla biolgica reproductora de imgenes inscritas en la superficie mediante la luz. Haciendo honor a la tradicin de los programadores inform-ticos, el primer mensaje de la mquina fue Hello World.CO

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Dispositivos con vida

Las bacterias programadas para formar dibujos anulares en respuesta a seales procedentes de colonias de clulas emi-soras que se muestran en rojo (izquierda), amarillo (centro) o rosa (derecha). Los tapices de bacterias Escherichia coli receptoras modifi cadas por ingeniera gentica detectan los productos qumicos fabricados por las clulas emisoras que se han colocado entre ellas. Luego, las bacterias receptoras producen protenas fl uorescentes de diversos colores en funcin de su distancia a las clulas emisoras, que estiman

a partir de la concentracin del producto qumico. Mediante la variacin de la ubicacin inicial de las colonias emisoras se obtienen patrones de complejidad creciente. Este sistema multicelular artifi cial se utiliza para comprender la seali-zacin y la formacin de patrones en sistemas celulares naturales, como las que operan durante el desarrollo de un organismo. La misma tcnica podra utilizarse en sensores, ingeniera tridimensional de tejidos y biofabricacin de mate-riales mediante organismos programados.


desconocidos. Ofrecen, por tanto, los fundamentos para una fabrica biolgica. Adems, lo mismo que sucedi con la litografa de chips semiconductores, tales procesos seguirn refi nndose. Qu podemos fabricar?

La naturaleza, en versin corregida y mejoradaUno de nuestros primeros objetivos consiste en utilizar la plataforma de biologa sinttica para explorar nuevas terapias. Keasling y Baker, coautores del articulo, dirigen laboratorios implicados en el desarrollo de tratamientos para dos de las enfermedades ms insidiosas que asolan a la humanidad: la malaria y el sida. Aunque nos centra-mos en terapias distintas, el trabajo de ambos grupos se apoya, en extensa medida, en la capacidad para sintetizar

fragmentos de ADN largos y precisos. Estos proyec-tos muestran cmo los mtodos de la biologa sinttica cambiar la forma en que los investigadores biomdicos acometen el desarrollo de nuevos tratamientos.

En el caso de la malaria, existe ya un tratamiento que elimina del cuerpo infectado el parsito. Nos referimos al C-15 sesquiterpeno, o artemisina, un compuesto natural que produce la planta del ajenjo silvestre (Artemisina annua), abundante en el norte de China. Sin embargo, la produccin de esos rboles es insufi ciente para que el frmaco llegue a todas partes a un precio asequible. El grupo de Keasling ha venido trabajando durante los ltimos cinco aos para copiar el conjunto de genes, o ruta gnica, responsable de la sntesis de la artemisina

LA VENTAJA DE LA ABSTRACCION

SistemasCombinaciones de dispositivos biolgicos que llevan a cabo fun-ciones codifi cadas por seres humanos. Pensemos en un sistema de tres inversores que opera como un oscilador.

DispositivosCombinaciones de componentes que llevan a cabo tareas concretas. Un inversor acepta una seal de entrada (ARRIBA) y la convierte en una seal de salida opuesta (ABAJO). Una unidad estndar para el transporte de seales, la polimerasa por segundo (PoPS), facilita la combinacin de dispositivos para formar sistemas.

ComponentesMaterial gnico que codifi ca funciones biolgicas. Un operador de la transcripcin como el componente n.o R0051, por ejemplo, corresponde a un fragmento de ADN que opera de forma coor-dinada con una protena de unin (en este caso la n.o C0051) para regular la actividad del gen. Componentes prefabricados con especifi caciones precisas y listos para ser utilizados se com-binan para generar toda una gama de dispositivos.

ADNSecuencias para los componentes gnicos. Los diseadores de componentes las especifi can, se sintetizan en otro lugar y, luego, se liberan. Las tcnicas de sntesis rpidas y con tasas de error mnimas convierten la fabricacin de ADN a la carta en un proceso rpido y fi able.

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Los bioingenieros aprovechan los mtodos que hicieron que la electrnica integrada a gran escala (EIGS) resultase tan exitosa para la industria de los semiconductores. La estandarizacin de las tcnicas permiti a los ingenieros de chips especializarse en el diseo o la fabricacin de circuitos y, as, abordar problemas complejos desde distin-tos niveles de abstraccin. A su imagen, los ingenieros de la biologa sinttica se enfrentan a la complejidad median-te el uso de jerarquas de abstraccin para dejar de lado la informacin innecesaria. Un biodiseador que trabaje

con sistemas completos debe preocuparse slo de qu dispositivos incluir y de cmo conectarlos para que de-sempeen la tarea deseada, pero no ha de fabricar cada uno de los componentes a partir de cero. Un diseador de dispositivos debera conocer las funciones y la compati-bilidad de cada uno de los componentes que integran el dispositivo, mientras que un ingeniero de componentes debera comprender el funcionamiento interno de cada componente, pero no se encargara de sintetizar el ADN que constituye su materia prima.

Sistemas

Dispositivos

Componentes

Componente n.o R0051Tipo:

Operador de transcripcinFamilia: Protena:ADNActividad:

0-2 PoPSRequerimientos: C0051Tipos celulares:

EnterobacteriasLicencia: Pblica

FORMULARIO DE PEDIDOtaacaccgtgcgtgttgactattttacctctggcggtgataatggttgc

Inversor

Oscilador


en el rbol, insertarlos en levaduras y producir el com-puesto en cantidades industriales.

Una vez en el interior de la levadura, la ruta se modi-fi ca para que opere con mayor efi cacia que en la planta originaria. Hasta la fecha, hemos rediseado subconjutos bsicos de los genes de la ruta del mevalonato para producir amorfadieno (un precursor de la artemisina) con un rendimiento 100.000 veces superior al de la ruta original en bacterias. Para obtener un rendimiento an mayor (que convierta el frmaco en un producto ampliamente asequible), ser preciso redisear la ruta entera de la artemisina de forma integrada.

La ruta completa consta de nueve genes. Cada uno mide una longitud media de unas 1500 bases de ADN. Cada nueva versin de la ruta que construimos contiene, por tanto, unas 13.000 bases. La obtencin de variantes de cada gen de la ruta permitira establecer las combina-ciones ms rentables. Sin embargo, la fabricacin de slo dos variantes de cada gen signifi cara la sntesis de 29 o, lo que es lo mismo, de 512 construcciones distintas, para un total de alrededor de seis millones de bases de nucletidos. Con las tcnicas al uso para la sntesis del ADN este objetivo supone un reto imponente. La tcnica de las micromatrices, en cambio, permite alojar toda esa cantidad de ADN en un solo chip de ADN.

El mismo mtodo que hace posible la produccin a gran escala de redes gnicas puede aplicarse a la sntesis de protenas nuevas: por ejemplo, nuevos catalizadores para reacciones de sntesis o para la recuperacin ambiental de vertidos residuales, y enzimas especfi cas para la terapia gnica o para la destruccin de patgenos. El grupo de Baker est desarrollando mtodos computacionales para el diseo de nuevas estructuras proteicas de este tipo. Dos de estas estructuras remedan caractersticas esenciales de la superfi cie del virus del sida; se estn ensayando como posibles vacunas.

Persiste un problema duro: los programas de clculo, poco refi nados todava, no garantizan que la protena diseada desarrolle la funcin deseada. Con todo, los ordenadores generan decenas o cientos de estructuras prometedoras que merecera la pena ensayar. Convertir todas ellas en secuencias gnicas requerira la sntesis de cientos de miles de bases de ADN, una opcin de-masiado difcil y cara para la tcnica actual, pero al alcance de una fbrica de biologa sinttica de primera generacin.

Estos proyectos de sntesis de ADN y protenas dirigi-dos contra la malaria y el sida ilustran una metodologa que se aplicara a una gama ms amplia de enfermeda-des, entre ellas las nuevas amenazas. As, mediante la combinacin de los mtodos de secuenciacin de ADN de alta velocidad y bajo coste [vase El genoma per-sonalizado, por George M. Church; INVESTIGACIN Y CIENCIA, marzo de 2006] con la capacidad de produccin de la biologa sinttica, un virus nuevo como el SARS o una cepa de la gripe nueva se caracterizaran en un tiempo razonable, de modo que la preparacin de vacunas contra estos patgenos (basadas en las protenas de los mismos) sera ms rpida que en la actualidad.

Por supuesto, la biologa sinttica trasciende la mera coleccin de tcnicas de sntesis ms rpidas. Corresponde a una nueva concepcin sobre las mquinas biolgicas que

ya existen y sobre la construccin de otras nuevas, que adopta el lenguaje y los mtodos de la ingeniera.BioladrillosEn 2000, Michael Elowitz y Stanislas Leibler, entonces en la Universidad de Princeton, junto con uno de noso-tros (Collins), y Tim Gardner y Charles Cantor, de la Universidad de Boston, construimos, a partir de com-ponentes biolgicos, los primeros elementos de circuito: un oscilador cclico y un conmutador. Desde haca un cuarto de siglo se saba que los organismos utilizan ese tipo de circuitos para regular su propia actividad gnica. Los esfuerzos de nuestros dos equipos representaron el primer xito en la fabricacin de circuitos biolgicos artifi ciales funcionales.

El signifi cado de dicha expresin queda bien refl ejado en el oscilador cclico de Elowitz y Leibler. Comenz siendo un intento de construir un reloj biolgico sinttico, con el fi n de aumentar el conocimiento sobre los relojes naturales que operan en los sistemas biolgicos. Su cir-cuito bsico constaba de un anillo de ADN, o plsmido, que contena tres genes: tetR, lacI y cI, que codifi can las protenas TetR, LacI y cI, respectivamente. Para que un gen se traduzca a una protena, la enzima polimerasa debe unirse primero a una regin de la hebra de ADN denominada promotor, que se encuentra curso arriba del gen (antes del lugar de inicio de la transcripcin). Luego, la polimerasa transcribe el gen en un ARN mensajero que, por fi n, se traduce en una protena. Si la polimerasa no se une al promotor, el gen no se transcribe, ni, por consiguiente, se sintetiza la protena.

Elowitz y Leibler se las ingeniaron para que cada uno de los productos proteicos de los tres genes del circui-to se uniese de forma selectiva a las regiones promotoras de los otros. As, la protena LacI se unira al promotor de tetR, mientras que la protena cI se unira al promotor del gen lacI y TetR se unira al promotor de cI.

Tales interrelaciones mediante, el producto proteico de un gen impide la unin de la polimerasa al promotor de otro gen. En consecuencia, la sntesis de las tres protenas acontece con arreglo a un ciclo oscilatorio: la abundancia de la protena LacI reprime la actividad del gen tetR; a continuacin, la ausencia de la protena TetR promueve la activacin del gen cI, que, a su vez, reprime la produccin de LacI, y as sucesivamente.

Los productos proteicos de este ciclo se vinculan a un gen que estimula la sntesis de una protena fl uorescente verde; el circuito completo se inserta en bacterias. La os-cilacin del dispositivo se observa conforme las bacterias se encienden y se apagan, algo as como las luces del arbolillo de Navidad. De forma anloga, la versin ms reciente del conmutador gnico del grupo de Collins se utiliza en la programacin de bacterias que detectan daos en el ADN celular y, luego, dan parte de sus hallazgos mediante la adopcin de diversos ordenamientos sobre un tapiz fl uorescente verde, o biopelcula.

Quizs el aspecto ms sorprendente de estos circuitos biolgicos sintticos es que sus funciones son idnti-cas a las de los primeros circuitos que los ingenieros elctricos construyen cuando quieren ensayar un nuevo proceso para la fabricacin de chips semiconductores. Los ingenieros saben que los componentes bsicos (un


oscilador o un interruptor) son, desde el punto de vista lgico, hermticos. Una construccin fi able y precisa de estos componentes facilita la fabricacin de circuitos de mayor complejidad. Una vez los ingenieros biolgicos logren despreocuparse de los elementos de construccin biolgica bsicos, podrn embarcarse en productos ms refi nados, como sistemas multicelulares, diseos bidimen-sionales y tridimensionales, y dispositivos cuya funcin no sea biolgica.

Weiss, uno de los autores, construy un prototipo de un sistema multicelular que reconoce un compuesto qumico determinado y luego informa de la presencia de ste mediante la emisin de una seal visible. Podra aplicarse, por ejemplo, a la deteccin de explosivos u otras sustancias. Esta mquina biolgica permite programar millones de clulas bacterianas para que se comuniquen entre s mientras cumplen su cometido y emitan seales luminosas con arreglo a patrones diversos.

Inspirado por estos primeros ejemplos, Endy (otro coautor del artculo), junto con Knight y Randy Rett-berg, del MIT, est desarrollando una biblioteca de componentes biolgicos similar a las bibliotecas con que cuentan los diseadores de chips. Este Registro de Componentes Biolgicos Estndar debera facilitar la realizacin de una amplia gama de proyectos de construccin biolgica; esperamos que otros contribu-yan a la biblioteca con nuevas aportaciones. Hasta la fecha, el registro contiene ms de 1000 bioladrillos, que incluyen multitud de componentes anlogos a los electrnicos (inversores, interruptores, contadores, am-plifi cadores) y componentes que reciben una seal o mandan una seal de salida a una pantalla. Tambin hemos defi nido una unidad para el transporte de sea-les: la polimerasa por segundo o PoPS (vendra a ser anloga a la corriente que circula por un hilo conductor que conecta dos componentes electrnicos); facilita a los

La exploracin de las mltiples posibilidades de la biologa sinttica para la medicina, la fabricacin de nuevos materia-les, los sensores, la recuperacin de vertidos y la produccin de energa acaba slo de empezar. Igual que cualquier em-presa que merezca la pena, conlleva riesgos. Los sistemas biolgicos se distinguen por su capacidad para evolucionar y replicarse; ello genera una preocupacin lgica sobre la posibilidad de que los dispositivos biolgicos provoquen daos, involuntaria o deliberadamente.

Hace tres largos decenios se celebr la famosa conferen-cia de Asilomar para abordar los problemas que parecan cernirse en torno a la entonces novedosa tcnica del ADN recombinante. Por primera vez, se poda extraer un gen individual de un organismo e insertarlo en otro, produciendo combinaciones gnicas que no existan en la naturaleza. Esta constituye hoy una herramienta esencial en los labora-torios de biologa molecular, en parte, porque las directrices que surgieron en Asilomar disiparon los temores sobre el empleo de ADN recombinante.

La preocupacin en torno a las tcnicas de la biologa sinttica no constituye, pues, ninguna novedad. Aun as, nuestra comunidad se empea en seguir discutindolo. En la conferencia Biologa Sinttica 2.0, celebrada en mayo, un plantel de cientfi cos y de expertos en tica abordaron las implicaciones de la genmica sinttica. Sus conclusiones, as como las conclusiones de un estudio sobre los riesgos, benefi cios y posible necesidad de salvaguardias que dur15 meses (fi nanciado por la Fundacin Alfred P. Sloan), estarn disponibles en la Red en los prximos meses, enla direccin www.syntheticbiology.org.

Evidentemente, los cientfi cos pueden adoptar desde este mismo instante todas las precauciones, tales como trabajaren laboratorios de bioseguridad protegidos, y respetar los mismos cdigos ticos que han funcionado durante 30 aos. Por supuesto, el problema no es asegurar que los inves-tigadores se comporten de manera responsable, sino que el acceso generalizado a las prestaciones de la sntesis de ADN pueda facilitar a los malhechores la creacin, por ejemplo, de nuevos patgenos letales. Esto ha impulsado a uno de nosotros (Church) a proponer un mtodo de segui-miento del grado de cumplimiento de las normas: incluira un registro del personal que trabaja en biologa sinttica (del mismo modo en que los investigadores que trabajan hoy con

los agentes seleccionados estn registrados por el gobierno de los EE.UU.), as como un sistema de vigilancia de las compras de organismos de diseo, equipamiento y materia-les precursores para la biologa sinttica.

Adems, la propia biologa sinttica constituira el sistema de seguridad por excelencia, merced al exquisito grado de control que admite. La mayora de las aplicaciones que he-mos descrito no supondran, en ningn momento, el contacto directo de los organismos sintticos con el entorno, pero, si se diese el caso, estos organismos podran crearse con una codifi cacin gnica distinta de la de los organismos natu-rales, lo que hara imposible el intercambio de genes con otras formas de vida. Un dispositivo biolgico sinttico podra disearse para que se autodestruyese tras un nmero deter-minado de divisiones celulares o para que su vida dependie-ra de sustancias que no se encuentran en la naturaleza. Se podran inscribir improntas gnicas en cada bioladrillo para identifi car y seguir el rastro de los organismos fabricados. En otras disciplinas ingenieriles, la capacidad para construir dis-positivos de mayor precisin proporciona un mayor grado de seguridad (por ejemplo, en los sistemas de control de vuelo trirredundantes de los aviones). En nuestra opinin, esto mismo quiz sea vlido tambin para los sistemas biolgicos sintticos.

SAM

OG

DEN

Sntesis segura

Los viales de bioladrillos contienen secuencias de ADN, com-ponentes bsicos para la ingeniera biolgica. Su utilizacin es segura incluso en los laboratorios con el nivel de bioseguridad ms bajo.


bioingenieros sintticos la combinacin y reutilizacin de los dispositivos gnicos.

Para demostrar el poder del proyecto de biologa sint-tica y sembrar el germen de la nueva disciplina, el grupo del MIT dict en 2003 el primer curso sobre ingenieras relacionadas con la biologa sinttica. El curso se trans-form en una competicin anual, con la participacin de decenas de universidades, entre ellas la Universidad de Valencia y la Universidad Politcnica de Valencia. Durante su corta existencia, el Concurso Internacional de Mquinas Diseadas Genticamente (iGEM) ya ha generado varios dispositivos celulares, entre los que se incluyen biopelculas que registran y muestran fotografas, as como clulas programadas que reciben seales y operan a modo de interruptores ante seales proporcionadas por molculas de tamao reducido, como la cafena.

Otra de nuestras aportaciones al iGEM (desarrollada por Smolke, Collins y Church) consista en un contador digital que operaba mediante una serie de fragmentos de ADN. Veinte de estos bits de ADN bastaran para contar y discriminar entre un milln (220) de estados celulares. La tcnica puede incorporarse en sensores que, a su vez, se hallaran conectados a rutas metablicas modifi cadas por ingeniera gentica, como la versin optimizada del grupo de Keasling para la produccin de artemisina. As, la produccin del frmaco se incrementara con slo apretar un interruptor.

Biologa sintticaCuando los autores de este artculo acometimos la crea-cin de una fbrica biolgica, no disponamos de ningn mtodo para producir de forma precisa, rpida y barata grandes constructos de ADN. Hoy en da, el mtodo en cuestin constituye una ms de las diversas tcnicas disponibles en la cada vez ms amplia caja de herra-mientas del ingeniero biolgico. Estamos progresando en el diseo de dispositivos biolgicos para ordenadores, para luego, en una ltima etapa, darles forma biolgica, algo parecido a la planifi cacin y posterior impresin de los chips de silicio.

Igual que en los circuitos de semiconductores, este enfoque presenta una ventaja aadida: facilita la op-timizacin de las interacciones entre los componentes y la anticipacin de posibles fallos. Esta capacidad re-sulta cada vez de mayor utilidad, conforme aumenta la complejidad de los sistemas creados. Otra ventaja del diseo abstracto es que, en la prctica, un ingeniero biolgico no necesita construir cada componente a par-tir de cero, ni siquiera debe saber cmo opera cada uno de ellos internamente; le basta con saber que funcionan de forma fi able.

Los estudiantes que participan en el concurso iGEM quiz representen la primera generacin de ingenieros biolgicos entrenados desde el inicio de su carrera para considerarse a s mismos bilogos e ingenieros a la vez. Conseguir que un nmero mayor de bilogos piensen como ingenieros informticos y atraer a ms ingenieros hacia la biologa constituye uno de los desafos ms importantes para el futuro inmediato, sobre todo cuando se trata de compartir componentes.

Hasta ahora, la biotecnologa ha estado en manos de equipos autnomos que trabajaban en aplicaciones

concretas, como la produccin de un medicamento. En el futuro, la tcnica biolgica requerir que numerosos grupos de investigacin contribuyan al desarrollo de subsistemas. Esperamos que la biologa sinttica fa-cilite esa progresin y ayude a incentivar avances tan revolucionarios como los logrados en la industria de los semiconductores.

En el grupo BIO FAB colaboran David Baker, de la Univer-sidad de Washington, George Church, de la facultad de medi-cina de Harvard, Jim Collins, de la Universidad de Boston, Drew Endy y Joseph Jacobson, del Instituto de Tecnolo-ga de Massachusetts, Jay Keasling, de la Universidad de California en Berkeley, Paul Modrich, de la Universidad Duke, Christina Smolke, del Instituto de Tecnologa de California, y Ron Weiss, de la Universidad de Princeton. La multiautora de este artculo refleja la naturaleza multidisciplinar de la ingeniera biolgica.

FOUNDATIONS FOR ENGINEERING BIOLOGY. Drew Endy en Nature, vol. 438, pgs. 449-453; 24 de noviembre de 2005.

LET US GO FORTH AND SAFELY MULTIPLY. George Church en Nature, vol. 438, pgs. 423; 24 de noviembre de 2005.

ADVENTURES IN SYNTHETIC BIOLOGY. Drew Endy, Isadore Deese, the M.I.T. Synthetic Biology Working Group y Chuck Wadey.

Los autores

Bibliografa complementaria

Los comienzos de la biologa sintticaUn grupo de empresas y organizaciones aplican los principios y herramientas de la ingeniera a la fabricacin de sistemas biolgicos con fi nes comerciales. El concepto biologa sinttica se halla cada vez ms cerca de convertir-se en realidad.

COMPAIA ESPECIALIDAD

BioBricks FoundationCambridge, Massachusetts

Promocin de herramientas gratuitas, estndares y componentes para la ingeniera biolgica

Blue Heron BiotechnologyBothell, Washington Sntesis de ADN

Amyris Biotechnologies Emeryville, California

Ingeniera de rutas metablicas para la produccin de medicamentosen microorganismos

Codon Devices Cambridge, Massachusetts

Construccin de dispositivosbiolgicos

Foundation for Applied Molecular EvolutionGainesville, Florida

Generacin de nuevas protenasy materiales

Synthetic Genomics Rockville, Maryland

Ingeniera gentica de microorganis-mos para la produccinde combustibles


L a gentica constituye la ciencia por antonomasia de nuestro tiempo. Aunque hunde sus races en el siglo XIX, cuando Gregor Mendel propuso el mecanismo de herencia de los caracteres, su verdadero desarrollo co-mienza en el siglo XX, con el redescubrimiento de las leyes de Mendel en 1900 por Hugo de Vries y Carl Correns. Desde entonces, la gentica ha progresado a un ritmo vertiginoso.

El conocimiento actual de los genes, su naturaleza y mecanismo de accin, junto con el desarrollo de nuevas tcnicas de anlisis, ha arrojado luz sobre el tratamiento de algunas enfermedades y ha abierto nuevas vas para la re-solucin de problemas derivados de la superpoblacin. El xito del Proyecto Genoma Humano idea que se ha extendido a otras especies radica en sus posibles aplicaciones: prevencin y tratamiento de enfermedades hereditarias, aumento de la produccin agrcola, avcola y ganadera, etctera. Sin lugar a dudas, la gentica tendr mucho que decir tambin en el siglo que acabamos de empezar.

Para comprender el estado actual de una disciplina cientfi ca resulta im-prescindible conocer su historia. A travs de la investigacin de su trayectoria descubrimos las cuestiones pendientes, acotamos conceptos y conocemos las posibilidades de las tcnicas empleadas. No suele abundar ese tipo de trabajo en la periferia de los centros del saber, expresin que designa los pases de escasa creacin de ciencia. Esta tendencia comienza invertirse con el creciente inters por el desarrollo cientfi co en diversos pases de Hispanoamrica.

En ese contexto debe entenderse el proyecto sobre la institucionalizacin de la gentica en Mxico, que hemos acometido en colaboracin con Susana Pinar, del Instituto de Historia del Consejo Superior de Investigaciones Cientfi cas, y Francisco J. Ayala, de la Universidad de California en Irvine.

Al abordar las instituciones relacionadas con la gentica, partimos del su-puesto que la ciencia constituye un fenmeno social. La aceptacin o rechazo de nuevas teoras, as como el uso o la introduccin de tcnicas novedosas, no

Historiade la genticaen MxicoEn la primera mitad del siglo XX, el mendelismo lleg a Mxicoa travs de programas de mejora vegetal.En la segunda mitad, el creciente inters por los efectos de las radiacionesextendi la gentica a la investigacin biomdica

Ana Barahona


dependen slo de su inters propio, sino tambin de su percepcin por la comunidad en un momento deter-minado. Este tipo de reconstruccin histrica permite entender, por un lado, la formacin de los conceptos y las teoras de la ciencia gentica, y, por otro, el establecimiento y con-solidacin de las instituciones.

El proyecto prest atencin par-ticular a la agricultura, es decir, a la mejora vegetal, y a la medicina. En 1939, lleg exiliado a Mxico un importante contingente de bilogos espaoles, que se integraron, sobre todo, en la Escuela Nacional de Agri-cultura (ENA) y en la Escuela Nacio-nal de Ciencias Biolgicas (ENCB) del Instituto Politcnico Nacional (IPN). Pero, en rigor, la institucio-nalizacin de la gentica no lleg hasta 1960, cuando Alfonso Len de Garay cre el programa de gentica y radiobiologa dentro de la Comisin Nacional de Energa Nuclear.

La gentica en la agriculturaLa gentica mendeliana se introdujo en los EE.UU. y otros pases a tra-vs de la agricultura, a fi nales del siglo XIX y comienzos del XX. De acuerdo con su actitud pragmtica, los expertos estadounidenses en me-jora vegetal y animal incorporaron el mendelismo con mayor rapidez que otros grupos acadmicos. Los traba-jos sobre la mejora del maz infl uye-ron y se benefi ciaron de la conjun-cin entre el mendelismo y el estudio de los caracteres cuantitativos. As, hacia fi nales de 1910, inmersos en la bsqueda de los patrones heredi-tarios de los caracteres cuantitativos, George H. Shull, Edward M. East y Donald F. Jones obtuvieron maz doble hbrido, uno de los mayores xitos de la investigacin llevada a cabo en los Estados Unidos.

El desarrollo de la gentica estuvo marcado por el inters econmico que su introduccin en la agricul-tura (incremento de las cosechas) supona para las grandes empresas. Por ello se disearon programas que impulsaron la introduccin del maz hbrido en Mxico y Colombia, pa-ses en donde tuvo que competir con el maz de polinizacin abierta. Se

produjo as la exportacin de tcni-cas y conocimientos agrcolas desde su lugar de origen, los EE.UU., a Mxico y otros pases perifricos. En Mxico tomaron una direccin propia para adaptarse a las necesi-dades locales.

En los dos primeros decenios del siglo XX, las publicaciones mdicas y los libros de texto de biologa mexi-canos hablaban ya de leyes de la herencia o de hiptesis sobre la herencia. Sin embargo, este cono-cimiento no promovi la creacin de ningn programa de investigacin en gentica. Hasta los aos treinta, la gentica no se introdujo realmente en la agricultura mexicana. Desde el

decenio siguiente, tomara una fuerza y un empuje an mayores.

Con la Revolucin Mexicana (1910-1917) lleg la renovacin de las con-diciones de los campesinos. La guerra y sus secuelas deterioraron la econo-ma y, en particular, la agricultura. La reforma agraria se expres en los programas polticos que los gobiernos pristas disearon para la recuperacin del campo. Consideraron la educacin un agente impulsor bsico: se foment la formacin de agrnomos y tcni-cos mediante la creacin de la ENA, que en 1907, durante la presidencia de Porfi rio Daz (1877-1911), pasara a formar parte de la Secretara de Agricultura y Fomento.ALD

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1. DISTRIBUCION de Drosophila pseudoobs-cura desde Canad hasta Amrica del Sur.

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La ENAy el movimiento agraristaLa creacin de la ENA se remonta al siglo XIX. En 1832, el Hospicio de Santo Toms, en el Distrito Federal, se transform en la primera Escuela de Agricultura por decreto guberna-mental. All se impartiran cursos de botnica, agricultura prctica y qumica aplicada. Las disensiones polticas forzaron su cierre. T

Investigación y Ciencia 359 - Agosto 2006

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