Un Experimento Piloto para el Retorno de Científicos Peruanos Residentes en el Extranjero Por Carlos Bustamante Departamentos de Física, Química y Biología Molecular y Celular de la Universidad de California, Berkeley Howard Hughes Medical Institute
Resumen En el presente artículo, planteo el establecimiento de un laboratorio de biofísica especializado en el estudio y la manipulación de moléculas individuales en la Universidad Peruana Cayetano Heredia (UPCH) que funcionará como laboratorio “gemelo” del que actualmente dirijo en la Universidad de California en Berkeley. Este proyecto es un “experimento piloto” de un proyecto más ambicioso a través del cual, científicos peruanos residentes en el extranjero y ya insertados en el sistema de ciencia e investigación del primer mundo, puedan establecer sendos laboratorios paralelos a los suyos en el Perú. El fin es introducir en el Perú los métodos de manipulación de moléculas individuales, nuclear en el país un grupo de investigadores que trabajen en esta nueva área de investigación bioquímica, colaborar en proyectos comunes a ambos laboratorios y facilitar el intercambio entre los miembros de ambos grupos. El laboratorio piloto estará ubicado y administrado por la Facultad de Ciencias y Filosofía Alberto Cazorla Talleri de la UPCH. El laboratorio, y la tecnología moderna que tendrá, serán accesibles a los investigadores de otras instituciones del país y de América del Sur.
Introducción Como muchos países del tercer mundo, el Perú ha sido un productor de capital humano para la ciencia y la tecnología. En nuestro país, a un alto costo fiscal y personal, se vienen preparando generaciones enteras de jóvenes peruanos en diversas áreas de investigación científica. Como es sabido, una fracción moderada de éstos salen del Perú para completar su educación y entrenarse como investigadores científicos; de este grupo una pequeñísima fracción termina por regresar al Perú e insertarse dentro del quehacer académico como docentes e investigadores. El resultado neto de este proceso es que el Perú invierte grandes cantidades de dinero para la preparación escolar, universitaria y, a veces, de post-grado de estos estudiantes, sólo para al final de su educación formal (habiendo ya obtenido un doctorado o master en Estados Unidos o Europa) perderlos irreversiblemente. Es la consabida ‘fuga de talentos’. Somos pues, exportadores de captial humano, sin duda el más importante de los capitales en el desarrollo de la ciencia y la tecnología. De la ppoblación económicamente activa, el 26% son profesionales, el 20.60% estudiantes y el 11.95% técnicos. Este es el grupo que abarca mayores porcentajes de salida al exterior. La propuesta en este ensayo, es invertir esta ecuación de flujo y proponer un modelo de ‘rescate parcial’ de esos peruanos que salieron al extranjero a educarse como investigadores y que no pudieron regresar a nuestro país. Hagamos por un momento un experimento mental: imaginemos que hace 30 ó 35 años, el Perú decidió infiltrar a los países del primer mundo con algunos de sus mejores estudiantes para que aprendieran y se empaparan de los últimos avances tecnológicos en estos países. Durante los años de permanencia en el extranjero, muchos de de estos peruanos encontraron posiciones estables en sus países de residencia y establecieron, en muchos casos, dinámicos grupos de investigación con reputación internacional. Ahora, luego de este período de incubación, estos peruanos aceptan establecer grupos de investigación en el Perú paralelos a los suyos y organizar sendos laboratorios en el Perú, gemelos a los propios. De este modo, lo que hubiese sido una derrota, la pérdida de varias generaciones de científicos de modo irremediable e irreversible, se puede convertir en una victoria, en una ganancia neta para el país. ¿Cuál es la diferencia entre el escenario tradicional en la que lamentamos de modo fatalista la pérdida de talentos y esta nueva formulación? Esencialmente sólo una: la actitud de las autoridades académicas y políticas del Perú y su voluntad de crear los mecanismos que permitan la retención y captación de este grupo de peruanos con infomación estratégica para nuestro desarrollo tecnológico y científico.
He aquí la idea central: si cada peruano establecido académicamente en el extranjero estuviese dispuesto a crear un laboratorio paralelo al propio en el Perú, el efecto en el nivel académico del país sería dramático. Estos laboratorios gemelos empezarían a funcionar en colaboración con sus hermanos gemelos en el extranjero trabajando en proyectos comunes y se beneficiarían de la dinámica de investigación en el primer mundo. El flujo y reflujo de personal entre los pares de laboratorios tendría un efecto único en la preparación de la nueva generación de jóvenes científicos peruanos y al mismo tiempo permitiría el contacto directo con la nueva generación de jóvenes científicos del primer mundo.
Experimento piloto: Creación de un laboratorio de estudio de moléculas individuales en el Perú Hace un año, la Facultad de Ciencias y Filosofía Alberto Cazorla Talleri de la UPCH, se comprometió a ser la sede de un nuevo laboratorio para el estudio de moléculas individuales, gemelo al laboratorio que dirijo en la Universidad de California en Berkeley. El plan requiere el entrenamiento post-doctoral de peruanos en esta área de investigación en Berkeley y la construcción en California de los sofisticados instrumentos de medida para el laboratorio en el Perú. Este experimento piloto está ya en marcha. Un nuevo Paradigma en la Biología La búsqueda para entender la complejidad y dinámica de la célula viva y de sus componentes moleculares se ha acelerado grandemente en años recientes. Por ejemplo, se acaban de terminar los proyectos del genoma para varios organismos, incluyendo los primeros genomas humanos. Además, los progresos recientes en biología estructural han aumentado el ritmo al cual estructuras macromoleculares de alta resolución pueden ser obtenidas, levantando la perspectiva de un eventual catálogo completo no solamente de las secuencias de los genes de un organismo, sino también de las estructuras de las proteínas codificadas y de los RNAs. Sin embargo, la explosión de los datos que resultará probablemente de estos esfuerzos no aumentará proporcionalmente nuestra comprensión de cómo funciona la célula. La razón es que la célula no es solamente una solución concentrada de componentes moleculares limitados por una membrana y su funcionalidad no es simplemente el resultado de reacciones de segundo orden entre estos componentes. De hecho, durante los últimos años, los biólogos han ido apreciando que la célula está organizada de una manera modular. Cada una de sus funciones centrales (Ej. replicación, transcripción, traducción, translocación de proteínas, recombinación, edición, plegamiento y degradación de las proteínas, transporte celular y crecimiento, señalización intracelular e intercelular, etc.), es realizada por ensamblajes moleculares complejos o por unidades centrales que consisten de numerosos componentes que se comportan como máquinas moleculares pequeñas, auto-contenidas. Estas entidades moleculares complejas se caracterizan por su gran tamaño (son típicamente ensamblajes de 10 o más proteínas con dimensiones totales de múltiplos de diez nanometros), y contienen varias partes con funciones especializadas. Estas unidades de procesamiento, proporcionan un ambiente localizado en el cual las especies químicas pueden interactuar con alta especificidad y eficiencia. Más aún, estas unidades funcionan a menudo como los transductores de energía mecano-química que convierten la energía química de la hidrólisis de un enlace, de gradientes químicos a través de las membranas, o de la unión de componentes, en generación de movimiento, de fuerza y de torsión. En algunos casos especiales, estos ensamblajes moleculares realizan esta transducción de la energía de una manera cíclica, funcionando en efecto como motores moleculares. Creo que la investigación futura en biología será dirigida cada vez más a dilucidar los detalles del funcionamiento de estas máquinas moleculares. En este esfuerzo, los métodos tradicionales de biología estructural no serán suficientes para aclarar la compleja dinámica estructural de estos sistemas. La razón principal es que las técnicas estructurales tales como cristalografía de rayos X o NMR, que son capaces de proporcionar gran detalle espacial de ensamblajes moleculares complejos, son frecuentemente limitadas por la gran escala de dichos ensamblajes moleculares y proporcionan información muy limitada sobre su dinámica. Como ilustración del problema, está claro que incluso después que todos los componentes de la maquinaria de reparación del DNA hayan sido identificados y cristalizados, y su actividad haya sido probada en ensayos libres de células, la reparación seguirá siendo una caja negra hasta que podamos reconstruir un modelo integral de la
maquinaria envuelta en este proceso y su dinámica funcional. De manera semejante, una lista completa de las proteínas de transporte o de señalización, con estructuras y los correspondientes estudios bioquímicos in vitro, nunca nos darán más que una visión muy incompleta del crecimiento de la célula, de la transmisión sináptica y la plasticidad. Por otra parte, los métodos cinéticos de muchas moléculas que se han utilizado para investigar la dinámica de sistemas bioquímicos, pueden proporcionar apenas promedios del comportamiento dinámico de una población de moléculas, y como tal, no son apropiados para describir los cambios dinámicos complejos que acompañan la actividad de las máquinas moleculares. El advenimiento de los métodos de moléculas individuales. Para entender el comportamiento de esta maquinaria molecular se requiere un cambio fundamental, tanto conceptual como práctico, de la investigación bioquímica. De hecho, todos los procesos químicos y bioquímicos hasta este momento han sido investigados aprovechándose del método de “réplica” en el cual muchas moléculas de una o varias especies son investigadas al mismo tiempo. En estas medidas macroscópicas, los cambios en las características de cada molécula individual que acompañan estas transformaciones se suman para proporcionar una señal medible. A pesar de su enorme poder, este método tiene limitaciones. La señal macroscópica corresponde realmente a la suma asincrónica de las contribuciones de cada una de las moléculas en el conjunto y, como tal, representa un promedio temporal y poblacional de los cambios experimentados por cada molécula. Sin embargo, muy pocas (si alguna) de las moléculas en el conjunto se comportan realmente como este promedio, e interpretar los cambios fluidos y continuos característicos de observaciones macroscópicas en términos de transformaciones igualmente fluidas y continuas en el nivel molecular es engañoso e incorrecto. A nivel molecular, los procesos químicos ocurren de una manera estocástica, discreta, azarosa. Las moléculas chocan y reaccionan unas con otras como entidades discretas para formar productos que pueden transformarse nuevamente en las especies reactantes iniciales. Llegados a este punto, podemos preguntarnos: ¿Pero qué importancia puede tener el estudio del comportamiento estocástico, azaroso y probabilístico de las transformaciones químicas? ¿No es la descripción de esta aleatoriedad innecesaria, después de todo? ¿No es el comportamieto promedio suficiente para entender la naturaleza de las reacciónes químicas? La respuesta es inequívocamente no, principalmente por dos razones: La primera es que las reacciones químicas y bioquímicas son a menudo procesos complejos que ocurren en pasos múltiples y con múltiples intermediarios. Aunque la naturaleza, tiempo de vida y participación, ya sea obligatoria o eventual, de estos intermediarios determinan los mecanismos moleculares de estas transformaciones, su presencia es a menudo difícil de inferir de los experimentos macroscópicos que interrogan simultáneamente a asambleas estadísticas de moléculas, debido a la coexistencia simultánea de especies y vías químicas alternativas. Todas las poblaciones moleculares, si bien al inicio están sincronizadas, se desfasan tarde o temprano. Por lo tanto, excepto tempranamente, las señales de asambleas moleculares son, en realidad, la suma incoherente de las contribuciones de cada molécula en la muestra y pueden proporcionar solamente la dinámica del promedio de la población de moléculas (cinética). En contraste, los métodos con moléculas individuales evitan el promedio del conjunto que caracteriza a los métodos de medición molecular a granel y permiten seguir la trayectoria de las moléculas individuales conforme ocurren las reacciones en tiempo real. De este modo, los métodos de moléculas individuales permiten caracterizar los varios intermediarios en los procesos químicos y seguir las vías alternativas de la reacción. La segunda razón tiene que ver con las tensiones y estreses que se generan en el curso de reacciones químicas. De hecho, desde la publicación de los estudios clásicos de J. D. van der Waals en 1873, los físico-químicos, han entendido que muchas – si no la mayoría – de las propiedades de la materia se pueden racionalizar por la fuerza y dirección de las fuerzas que las moléculas ejercen unas sobre otras. Incluso fenómenos estrictamente macroscópicos, tales como la elasticidad y los puntos de fusión de sólidos, la viscosidad y los puntos de ebullición de líquidos, o la compresibilidad de los gases, son manifestaciones macroscópicas de una miríada de pequeñas interacciones entre moléculas. Los químicos también han sabido por mucho tiempo que la afinidad química resulta de las interacciones de atracción entre las entidades químicas. En 1889, Svante Arrhenius
propuso que las reacciones entre especies moleculares siguen rutas que pasan por la formación de un cierto tipo de estado “activado”, en gran parte inestable, de alta energía, y cuya grado de accesibilidad a lo largo de la reacción controla la velocidad de ésta. Sin embargo, hasta muy recientemente, químicos y bioquímicos han carecido de los métodos para investigar el efecto de fuerzas o torques sobre las moléculas o sobre sus reacciones. Los métodos de manipulación mecánica directa de moléculas individuales recientemente inventados, permiten medir directamente las fuerzas que mantienen unidas las estructuras moleculares, determinar las tensiones y los estreses generados en el curso de reacciones químicas y bioquímicas, ejercer fuerzas externas o torques para alterar el grado e incluso el destino de estas reacciones, y revelar las reglas que gobiernan la interconversión entre la energía química y la mecánica en estos procesos. Usados inicialmente en los estudios de la elasticidad de moléculas individuales de DNA, los métodos de manipulación de moléculas individuales constituyen una poderosa nueva manera de investigar y de seguir los procesos bioquímicos en tiempo real.
Colofón Los últimos cinco años han sido testigos del desarrollo de laboratorios para manipulación de moléculas individuales por todo el mundo desarrollado. Existen ahora laboratorios en los Estados Unidos, Canadá y en varios países de la Unión Europea y Asia. Según lo precisado arriba, estos métodos ofrecen una forma única y nueva para investigar la dinámica de sistemas bioquímicos, y su uso continuará aumentando por todo el mundo. Hemos iniciado un plan piloto para la creación de un laboratorio de manipulación de moléculas individuales en el Perú que estará ubicado y administrado por la Facultad de Ciencias y Filosofía “Alberto Cazorla Talleri” de la UPCH. El objetivo es introducir en el Perú los métodos de manipulación de moléculas individuales y de nuclear en el país un grupo de investigadores que trabajen en esta nueva área de investigación bioquímica. Aunque el laboratorio estará ubicado en la UPCH y estará bajo la responsabilidad directa de esta institución, no será para el uso exclusivo de investigadores de la UPCH. Más bien, el objetivo es que este laboratorio, y la tecnología moderna que soporte, sean accesibles a los investigadores de otras instituciones del país y de América del Sur. La idea de crear un laboratorio de estudios de manipulación de moléculas individuales en el Perú va mas allá de simplemente transferir tecnología y “know-how” para investigación de una universidad norteamericana a una universidad peruana. De hecho, lo que proponemos es establecer el laboratorio de manipulación de moléculas individuales en la UPCH como laboratorio “hermano” del laboratorio correspondiente en la Universidad de California en Berkeley. Creo que uno de los elementos más importantes, pero también menos tangibles en la investigación, es el desarrollo de una "cultura de investigación" asociada al trabajo científico hecho en ese lugar. Esta cultura se desenvuelve en un ambiente dinámico de investigación, donde el flujo constante de individuos y sus diversas destrezas dan lugar a una concentración de conocimiento y un ritmo de investigación que facilita y auto-cataliza la innovación, la creatividad, y los ulteriores desarrollos científicos. Pienso que el establecimiento de los laboratorios hermanos entre instituciones del mundo desarrollado y del mundo en desarrollo puede ser una manera eficiente, y hasta ahora no ensayadal, de fortalecer la investigación en este último. En particular, tengo la esperanza que la ejecución de proyectos conjuntos entre las dos instituciones y el intercambio de estudiosos nacionales y extranjeros, impongan el ritmo y la cultura de investigación de la ciencia de los países más desarrollados en nuestro medio. En este arreglo, ambos laboratorios acordarán participar y colaborar en proyectos de investigación de interés común e intercambiarán estudiantes y profesionales por períodos variados. El éxito de este "experimento" se medirá a través del récord de publicaciones conjuntas de los miembros de las dos instituciones y por el aumento constante de científicos que participen en el laboratorio hermano del Perú, muchos de los cuales tendrán la oportunidad de entrenarse en Berkeley. De tener éxito, este laboratorio será el primero de su clase en América Latina; colocará a nuestro país en una posición principal en el área de estudio de moléculas individuales en el mundo, y servirá como lugar para la formación de jóvenes investigadores peruanos que tendrán el privilegio de tener un contacto directo con un
grupo avanzado de investigación en los EEUU desde el inicio de sus carreras. Más aun, este experimento probará el modelo de transferencia de cultura y de ritmo de investigación del mundo desarrollado al mundo en desarrollo, que podrá luego ser implementado en otros campos de investigación por otros investigadores peruanos establecidos en el primer mundo. No será una tarea fácil. Pero creo que es una idea que merece ser ensayada. De ese modo los peruanos que vivimos y trabajamos en el extranjero podremos retribuir siquiera en algo el inmenso regalo que recibimos de maestros como el Dr. Alberto Cazorla Talleri, cuyos esfuerzos por educar a la siguiente generación de científicos en nuestro país, nos abrieron en su día las puertas de la investigación científica. Es un reto que debemos aceptar.