Causas Nobel

El teléfono de George Smoot sonó poco antes de las 3:00 a.m. del 3 de octubre y una voz con acento sueco le dijo que había ganado el Premio Nobel de Física en 2006. Pero el cosmólogo se mostró escéptico.

Este mapa de variaciones de temperatura en la radiación de hace 14 mil millones de años se ha llamado la imagen del bebé del universo. También ganó el Premio Nobel por George Smoot '66, PhD '70. Para ver fotos de Smoot y Andrew Fire, PhD '83, quien también ganó un Premio Nobel en 2006, haga clic en el enlace multimedia a continuación.

Después de todo, la propensión a las bromas corre en su familia. Oliver R. Smoot '62, quien estableció el estándar de medición para el Puente de Harvard (364,4 smoots y una oreja), es un pariente lejano. Y el propio Smoot todavía puede recordar vívidamente haberle hecho una broma a su asesor de tesis de posgrado, el profesor de física del MIT, David Frisch. Después de trabajar en un turno nocturno, Smoot y un amigo fingieron que habían limado un precioso trozo de osmio para que encajara dentro de un imán para un experimento. Cuando Frisch entró al laboratorio y vio astillas de metal esparcidas, se agarró el corazón aterrorizado, recuerda Smoot. Por eso me preocupé cuando recibí la llamada telefónica en medio de la noche, dice. ¡Sé que los estudiantes pueden hacer bromas!

Pero la llamada de Suecia no fue una broma. Smoot y otro alumno del MIT, Andrew Z. Fire, se unieron a un grupo de otros 61 alumnos distinguidos, profesores y afiliados del MIT cuando cada uno ganó un Premio Nobel en 2006. Ambos han cambiado la forma en que se hace ciencia en sus campos.

Andrew Z. Fire, PhD '83, ganó el premio de medicina por ayudar a descubrir los detalles de un mecanismo natural de silenciamiento de genes llamado interferencia de ARN. Aunque el descubrimiento pionero se produjo hace solo ocho años, la inducción de interferencia de ARN es ahora una técnica de laboratorio común que ayuda a los biólogos a identificar las funciones de genes individuales. Las terapias que utilizan la interferencia del ARN para combatir enfermedades humanas como la degeneración macular ya se encuentran en ensayos clínicos.

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• Fotos de Smoot and Fire

George Smoot '66, PhD '70, ganó el premio de física. Codirigió el equipo de investigación detrás del satélite COBE de la NASA, que realizó las primeras mediciones cuantitativas de las condiciones iniciales del universo. El mapa de Smoot de 1992 de pequeñas variaciones de temperatura en la radiación cósmica que se originaron hace unos 14 mil millones de años es la pistola humeante de la teoría del Big Bang. Se cree que las fluctuaciones diminutas que trazó Smoot indican las concentraciones locales de energía, las semillas, alrededor de las cuales la materia se fusionó en los cúmulos de galaxias que forman el universo actual.

El silenciador de genes: Andrew Fire

Antes de 1998, identificar la función de un gen dado era un proceso laborioso cuyo éxito estaba determinado en gran parte por la suerte. Los investigadores encontraron células u organismos con copias mutadas del gen y dedujeron de las funciones perdidas lo que hacía el gen normal. O intentaron inducir mutaciones en las células del laboratorio, una técnica de acertar o fallar que, en las células humanas, en su mayoría fallaba. Ahora, gracias al descubrimiento de la interferencia de ARN (ARNi), los biólogos esencialmente pueden desactivar genes individuales en el laboratorio. Es similar a accionar un interruptor para hacer que algunas bombillas de una variedad de millones cambien de color.

Comprender la interferencia del ARN ha cambiado radicalmente la forma en que hacemos biología celular y entendemos, o sondeamos, las células, dice Phillip Sharp, profesor del Instituto en el Centro de Investigación del Cáncer del MIT y el mismo premio Nobel. Pasamos de una posición de no tener un enfoque general para investigar la función de los genes a poder silenciar un gen para preguntar qué hace. Cada revista que mira, uno o más o todos los artículos en ella han utilizado esta tecnología. Realmente ha sido un avance fundamental.

Fire, ahora profesor de patología y genética en la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford, comparte el Premio Nobel con Craig Mello, ahora profesor de medicina molecular en la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts, por su descubrimiento del mecanismo de silenciamiento génico.

Fire llegó al MIT cuando tenía 19 años y se graduó en matemáticas en la Universidad de California, Berkeley. Mientras participaba de lo que él llama la mezcla heterogénea intelectual de Berkeley, se encontró con la biología molecular y se emocionó. Una década antes de que Sharp ganara su premio Nobel, Fire trabajó en su laboratorio en el MIT. Cuando era estudiante, Fire realizó una importante investigación preliminar sobre la bioquímica del control de la expresión génica en las células humanas, recuerda Sharp. Lanzó otros 15 años de trabajo en mi laboratorio y en otros ”.

Antes de que Fire y Mello publicaran su revolucionario artículo, se sabía que el ARN tenía múltiples funciones, pero se pensaba principalmente en él como el intermediario del ADN, el mensajero que traduce los genes en proteínas. Los investigadores sabían, sin embargo, que cuando se inyecta en un organismo, el ARN a veces puede evitar la producción de proteínas y genes silenciadores.

Pero el fenómeno no se pudo reproducir de manera confiable, por lo que no estaba claro qué forma de ARN era responsable de él. ¿Fue ARN sentido, que sigue la secuencia del ARN mensajero que codifica una proteína específica? ¿Era el complemento del ARN sentido, el ARN antisentido? ¿O fue una combinación de doble hebra de los dos?

Fire y Mello colaboraron en una serie de experimentos rigurosos utilizando un gusano nematodo llamado C. elegans para determinar si el ARN sentido, antisentido o bicatenario provocó el silenciamiento génico. Con el fin de obtener fuertes señales visibles de sus sujetos de prueba, trabajaron con un gen que ayuda a mantener las contracciones musculares normales en C. elegans : si el gen fuera silenciado, los gusanos se contraerían. Cuando los investigadores inyectaron a los gusanos con ARN de sentido puro o antisentido puro, no sucedió nada. Pero cuando inyectaron ARN de doble hebra, los gusanos se contrajeron. Fire y Mello concluyeron que el ARN tenía que ser de doble hebra para silenciar el gen.

La pareja publicó estos resultados junto con otras observaciones sobre RNAi en Naturaleza en 1998. La idea de que el ARN bicatenario fue la clave para el silenciamiento es la razón por la que recibieron el premio [Nobel], dice Sharp. Investigaciones posteriores de Fire, Mello, Sharp y otros establecieron el funcionamiento molecular del ARNi, que ahora se sabe que ocurre en la mayoría de los organismos.

En los seres humanos, en otros animales e incluso en las plantas, el ARN está normalmente presente como hebra única. Fire y otros en el campo creen que el ARNi probablemente se desarrolló como una defensa contra los virus. Cuando una célula ve ARN bicatenario, su primera respuesta es cortarlo en pedazos, lo cual es comprensible dado que el ARN bicatenario [viral] está [a menudo presente] cuando los virus se replican, explica Fire.

Pero la célula va un paso más allá. No solo quiere cortar las cosas, quiere ir y encontrar cualquier cosa que se le parezca, en caso de que haya perdido algo de ARN. Entonces [una molécula en] la célula toma los trozos de ARN que se han cortado y busca cosas que sean similares. Si encuentra algo, lo corta.

Ese algo podría ser el propio ARN mensajero de la célula. Cuando se destruye su mensajero, se silencia un gen.

En teoría, dice Sharp, el ARNi puede silenciar cualquier gen, desde los genes de un virus invasor hasta el gen que produce la proteína que se cree que causa la enfermedad de Parkinson. Eso lo hace terapéuticamente prometedor. Sharp y otros investigadores han fundado empresas para comercializar fármacos ARNi. Si pudiera llevar ARN al [tejido] objetivo, podría tener una terapéutica realmente genial, dice Fire.

Alnylam, la empresa Sharp cofundada en Cambridge, MA, está llevando a cabo ensayos clínicos de un fármaco para el virus respiratorio RSV; Acuity Pharmaceuticals de Filadelfia y Sirna Therapeutics de San Francisco están realizando ensayos clínicos de medicamentos para la degeneración macular.

Fire disfruta viendo estas empresas, pero solo como animadora, dice. Continúa estudiando el funcionamiento molecular del silenciamiento de genes en el sujeto de prueba favorito de su laboratorio, C. elegans .

El ARNi también ha demostrado ser un mecanismo que las células utilizan normalmente para controlar la actividad de sus genes. Victor Ambros '75, PhD '79 y Rosalind Lee '76 descubrieron que el ARN juega un papel clave en el control del desarrollo animal; Los investigadores han encontrado muchos genes que codifican ARN bicatenario, y ahora se cree que la interferencia de estos ARN es responsable de regular el 30 por ciento del genoma humano.

En estos días, Fire se centra en establecer vínculos entre el silenciamiento de genes y las enfermedades humanas. Muchos genes se silencian en el cáncer, dice. Eso se sabe desde hace bastante tiempo. Actualmente está trabajando con patólogos en Stanford para comprender cómo la interrupción de los procesos reguladores del ARN contribuye a la enfermedad.

El cartógrafo cósmico: George Smoot

George Smoot no se propuso ser un reportero meteorológico o un cartógrafo. Pero en 1992, hizo historia cartográfica cuando creó el primer mapa del universo joven al trazar ligeras variaciones en la temperatura de radiación de 14 mil millones de años. Las variaciones en este fondo cósmico de microondas, o CMB, dan a los astrofísicos pistas sobre cómo se formaron estructuras complejas como las galaxias.

Smoot, profesor de física en la Universidad de California, Berkeley, comparte el Premio Nobel de física con John Mather del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA por su trabajo en el CMB, cuya existencia respalda la teoría del Big Bang.

Angelica de Oliveira-Costa, ahora científica investigadora del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, se unió al laboratorio de Smoot en Berkeley como estudiante de posgrado un año después de que Smoot anunciara su mapa. Ella dice que parte de lo que lo convierte en un físico de primer nivel es que tiene buen ojo para las buenas ideas y no le teme al cambio.

Smoot siempre se sintió atraído por la cosmología, pero hizo su trabajo de posgrado en física de partículas y aceptó un trabajo con Luis Álvarez, premio Nobel en ese campo en Berkeley. Entre proyectos, Álvarez le dijo a su personal que se tomaran unos meses libres y buscaran nuevas y fértiles áreas de investigación. Smoot aprovechó la oportunidad para pasar a la cosmología, adoptando la filosofía de Álvarez como propia: cuando terminas un experimento, no hagas automáticamente el siguiente. Debería ver si hay algún descubrimiento o tecnología nuevos que le permitan realizar mediciones en un área prometedora.

Para Smoot, el estudio del fondo cósmico de microondas era un área tan atractiva y abierta. Dice que tuvo la intuición de que lo que sea que midas allí será una medida fundamental, y tenía razón. De Oliveira-Costa dice de sus tres años en el laboratorio de Smoot: Científicamente, fue uno de los mejores momentos de mi vida. Cada pequeño descubrimiento que hiciste fue nuevo.

Descubierto en la década de 1960, el CMB había sido predicho por la teoría del Big Bang. La radiación no proviene de un lugar en el universo sino de un hora poco después de la formación del universo. Cuando miramos hacia atrás en la radiación, estamos mirando hacia atrás a una época en el universo cuando todo era caliente y denso como el plasma en nuestro sol, explica Edmund Bertschinger, jefe de la división de astrofísica del departamento de física del MIT. A medida que el universo se expandió, se enfrió, al igual que el CMB, que ahora está a solo 2,7 grados por encima del cero absoluto. Estamos viendo ese resplandor en nuestros radiotelescopios miles de millones de años después, dice.

Los fotones del CMB proporcionan algo así como una fotografía del universo unos 370.000 años después del Big Bang, cuando se enfrió a unos 3.000 ° C, liberando partículas para formar los primeros átomos. Hasta entonces, el universo era un plasma opaco de alta energía; los fotones se vieron atrapados en una acalorada e íntima conversación con partículas subatómicas como los electrones. Cuando el universo se enfrió y se formaron los átomos, los fotones, incluidos los que forman el CMB, pudieron por primera vez moverse libremente.

Cuando Smoot comenzó a trabajar en el CMB, se desconocía su espectro exacto y parecía tener una energía completamente uniforme. Esta uniformidad sugirió un universo temprano donde la energía y la materia se distribuían de manera homogénea, un escenario aparentemente incompatible con el variado y complejo universo de hoy. ¿Cómo pudieron las estrellas agrupadas en galaxias agrupadas en cúmulos de galaxias rodeadas por grandes vacíos emerger de un universo primitivo donde la materia se extendía tan suavemente como la guinda de un pastel de bodas? Para que la teoría del Big Bang se mantuviera, el universo primitivo tendría que haber tenido bultos sobre los que pudieran actuar las fuerzas de la mecánica cuántica y luego la gravedad, lo que finalmente provocó la formación de galaxias y otras estructuras.

En busca de esta irregularidad, muchos grupos, incluido el de Smoot, enviaron detectores de radiación en globos e incluso en aviones espías a altitudes en las que el CMB no está casi filtrado por la atmósfera terrestre. Mientras tanto, otros calcularon qué nivel de fluctuación en la energía del universo temprano habría permitido que se formaran grumos o semillas. Smoot se unió a un grupo, dirigido por Mather en la NASA, que estaba trabajando para poner en órbita un satélite sensible de detección de radiación llamado COBE (Explorador de fondo cósmico). Cuando se lanzó COBE el 18 de noviembre de 1989, los astrofísicos habían establecido que variaciones muy pequeñas en el CMB, tan pequeñas como una centésima parte de un grado, indicarían un universo temprano lo suficientemente diverso como para haber producido el actual.

Smoot estaba a cargo de un grupo de seis instrumentos en COBE, llamados radiómetros diferenciales de microondas, que buscaban variaciones de temperatura llamadas anisotropía en el CMB. Arriba sobre la Tierra, el COBE en órbita tenía una recepción sin obstáculos del CMB en todas las direcciones. Smoot y su equipo de Berkeley analizaron el valor de un año de estas medidas de temperatura, millones, en busca de anisotropía; cuando parecieron encontrarlo, trabajaron para convencerse a sí mismos de que no se debía al ruido de los instrumentos del COBE.

En 1992, Smoot anunció que COBE había encontrado variaciones de cien milésimas de grado en la energía del CMB. Su mapa de estas variaciones, que muestra aproximadamente qué zonas del universo temprano eran ligeramente más cálidas y cuáles eran algo más frías, se ha denominado la imagen del bebé del universo. Lo sorprendente es que el universo es casi completamente uniforme, dice. Es más uniforme que una bola de billar. Smoot recibió su mitad del Premio Nobel por su trabajo en el mapa; Mather fue honrado por liderar el proyecto COBE y medir el espectro de CMB.

Los astrofísicos dicen que el anuncio de Smoot y Mather de los resultados de COBE fue un punto de inflexión para la cosmología, cuando la especulación filosófica sobre los orígenes del universo dio paso a una ciencia construida sobre evidencia cuantitativa. Posteriormente, el mapa de Smoot fue verificado por experimentos con globos adicionales y desde entonces ha sido mejorado por mediciones más sensibles de WMAP, un satélite de la NASA que todavía está en órbita. Bertschinger compara a Smoot y los otros científicos de COBE con exploradores que encuentran nuevos continentes. Primero encuentra los continentes y luego explora las costas y hace que sus mapas sean cada vez más refinados, dice.

El mapa de CMB recibió tanto entusiasmo que Smoot escribió un libro, Arrugas en el tiempo , para mostrarles a los jóvenes que dedicarse a la ciencia puede ser una aventura, dice. Ahora que ganó el Premio Nobel, Smoot dice solo medio en broma que siente aún más presión para ser un embajador de la ciencia. Yo solía ser un forajido, siempre yendo al margen de la física, probando cosas raras, siendo rebelde, recuerda.

En un universo que se cree que es 96 por ciento de materia oscura misteriosa y energía oscura, hay muchos territorios nuevos y extraños para explorar. Tengo una lista de ocho preguntas que creo que son realmente importantes, dice. (ver la lista de Smoot, a continuación) . Un día, Smoot planea iniciar un centro de física cosmológica para abordarlos. Pero por ahora, son viñetas en sus conferencias, y el cartógrafo cósmico mantiene la lista pegada a la pared.

Lista de Smoot
Las ocho preguntas de cosmología que mantienen despierto a George Smoot por la noche

1. ¿Ocurrió la inflación1? ¿Cómo?

2. ¿Qué es la materia oscura?

3. ¿Qué es la energía oscura?

4. ¿Por qué hay más materia que antimateria en el universo?

5. ¿Se pueden encontrar otras reliquias2 (por ejemplo, cuerdas cósmicas)?

6. ¿Hay 3 dimensiones extra?

7. ¿Varían las constantes fundamentales?

8. ¿Qué otras fuerzas exóticas podría haber?

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1 la expansión exponencial del universo joven

2 del universo joven

3 es decir, más de cuatro (tres dimensiones espaciales y tiempo)

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