Osamu Shimomura: "Entender por qué algunos animales emiten luz es clave para la ciencia"

entrevista-shimomuraSuperviviente de la bomba atómica de Nagasaki y ganador del Nobel de Química, este investigador japonés afincado en EE UU ha dedicado su vida a estudiar la bioluminiscencia. Sus hallazgos han encontrado múltiples aplicaciones en medicina, genética, biotecnología... Ángela Posada-Swafford habló con él.

Shimomura amortigua la luz del laboratorio, coge un puñado de un polvo formado por bichitos secos que guarda en un frasco marcado con la etiqueta Cypridina-1944, lo pone en un mortero al que añade agua y empieza a molerlo. Pronto brota del cuenco una suave luminiscencia azul que se intensifica cuando le aplica más presión. El resplandor de este ser marino -Cypridina luciferin es un ostrácodo, una clase de crustáceo microscópico- alumbró el camino de este investigador de 82 años, desde los días oscuros en el Japón de la posguerra hasta la obtención del premio Nobel de Química en 2008. Profesor jubilado del Marine Biological Laboratory, en Massachusetts, Shimomura es el descubridor de la proteína verde fluorescente ?GFP?, "una de las herramientas más importantes de la biología moderna", según la Academia sueca.

Esta proteína se encuentra en la Aequorea victoria, una medusa bioluminiscente, es decir, capaz de generar su propia luz. Su hallazgo en 1961 revolucionó la biología molecular, y ahora es posible manipular este farol químico para iluminar el interior de la célula.

Un descubrimiento accidental


Gracias a Osamu Shimomura -y a Martin Chalfie y Roger Y. Tsien, que compartieron el Nobel con él-, la GFP se puede introducir en una célula viva para observar sus cambios y entender así, por ejemplo, la organización de las neuronas, la propagación del cáncer o la interacción entre sí de las proteínas. ?La GFP fue una consecuencia accidental de mi trabajo. Mi objetivo inicial era la aequorina, la proteína de la Aequorea que produce luz azul -emite fluorescencia en la zona azul del espectro-. Yo quería comprender el proceso químico de la emisión de luz por los animales, clave para la ciencia?, dice Shimomura.

Su aventura había empezado décadas atrás con la Cypridina, muy abundante en Japón. En los años 40, los soldados nipones usaban su resplandor para leer los mapas de noche en los campos de batalla: para ello, bastaba echar un poco de saliva en un puñado de polvo de Cypridina molida. La bioluminiscencia en este ostrácodo se produce por la oxidación de un pigmento llamado luciferina y la acción de la enzima catalizadora luciferasa. Determinar la naturaleza y funcionamiento de ambos elementos se convirtió en el Santo Grial de la bioquímica del momento.

Un baño contra la radiación atómica


El joven Shimomura creció en uno de los períodos más difíciles de la historia de su país. Su padre, coronel del ejército, trasladó a la familia lejos de Osaka durante la II Guerra Mundial, porque temía que la ciudad fuera objeto de bombardeos. Se instaló en una casa... ¡a 10 kilómetros de Nagasaki!: "Durante el primer día de escuela secundaria, nos dijeron que no habría clases porque los estudiantes deberían ir a trabajar en la industria bélica, así que terminé en una fábrica de aviones en las afueras de Nagasaki", recuerda Shimomura. Y añade: "La fábrica fue atacada por los cazas B-29 estadounidenses con bombas de magnesio y vi morir a muchos de mis compañeros. El 9 de agosto de 1945 las sirenas sonaron como siempre". Desde una colina vio un solo avión enemigo que soltaba tres pequeños paracaídas con objetos alargados. "Cuando volví al trabajo, n Un baño contra la radiación atómicauna intensa luz inundó el interior del edificio y me cegó temporalmente. Menos de un minuto después sonó una explosión y la onda expansiva me produjo dolor de oídos. Luego todo se volvió gris. Durante el regreso a casa caía una lluvia negra. En cuanto llegué, mi abuela me quitó la ropa y me bañó. Quizá eso me salvó de la radiación".

Durante la posguerra no hubo futuro para los jóvenes en Japón. Muchos profesores habían muerto en los bombardeos, por lo que Shimomura no se pudo graduar y, aunque siguió estudiando por su cuenta, sus intentos de matricularse en la universidad fueron rechazados. Un día viajó hasta la de Nagoya para pedir empleo a cierto catedrático, que resultó estar de viaje. Deambulando desilusionado por la Facultad de Química, se topó con el profesor Yoshimasa Hirata, un tanto distraído y medio sordo, quien supuso que el joven quería trabajar con él. "Puedes venir a mi laboratorio para ayudarme a aislar y purificar compuestos", le dijo al asombrado Shimomura, que aceptó en el acto.

El primer día, Hirata cogió un puñado de Cypridina disecada, la hizo refulgir de azul y le dijo: "No sabemos nada de esto. Empieza por aislar y estudiar la luciferina de este organismo". "Me puse a trabajar sin más ayuda que la poca literatura existente, casi toda en inglés. Sólo sabía que la luciferina era el combustible que causaba la bioluminiscencia, pero ignoraba si se trataba de una proteína, un azúcar, un aminoácido u otro tipo de molécula desconocida. De entre las decenas de miles de sustancias que componen la Cypridina, tenía que aislar una altamente inestable, que se degrada rápidamente cuando se expone al oxígeno".

Shimomura hizo sus experimentos en cámaras de hidrógeno, un gas peligroso por su naturaleza explosiva. Cada intento requería una semana de trabajo, pero, aunque cada muestra era más pura que la anterior, no lograba que cristalizara la luciferina. Hasta que una tarde, por azar, dejó una pequeña cantidad de la sustancia en un medio muy ácido. Al día siguiente vio asombrado que en la solución se había formado una capa de cristales rojos. ¡Eureka, lo consiguió!

A finales de los años 50, el científico japonés aceptó una oferta de empleo de la Universidad de Princeton y pronto quedó fascinado con los destellos luminiscentes de la Aequorea, muy abundante en la costa norteamericana del Pacífico. Durante un verano de trabajo en un laboratorio de Vancouver, Shimomura y su esposa Akemi -experta también en biología marina- recolectaron 9.000 medusas con redes para limpiar piscinas.De ellas extraían las tiras de órganos bioluminiscentes con tijeras, los envolvían en pañuelos de algodón y los estrujaban para sacar el líquido luminoso, que podía estar varias horas encendido. Pero la pareja paraba la reacción y separaba la luciferina de la luciferasa lo antes posible.

entrevista-shimomura-2"Si la revolución molecular hubiera sucedido antes, Shimomura no habría tenido que recolectar tantos especímenes, pues podría haber amplificado la proteína en grandes cantidades dentro de una bacteria, como hacen hoy los laboratorios", ha escrito el oceanógrafo David Gruber. Claro que el hallazgo llegó a tiempo: si sus estudios se hubieran demorado unos años, ya no habría encontrado ni un ejemplar de la citada medusa, pues se extinguió del Pacífico.

Finalmente, el biólogo japonés descubrió que la clave de la bioluminiscencia de la Aequorea era una fotoproteína, que bautizó como aequorina; y que, al ser activada con calcio, emitía una luz azul. "La medusa gestiona la concentración de este elemento en sus células para controlar la producción lumínica", explica Shimomura. "Cuando la molestan -continúa-, el nivel de calcio sube y enciende la alarma, que parece un neón intermitente". Pero un día de 1961, el científico observó que, contemplada bajo la luz ultravioleta, la luz de la medusa adquiría un tono verdoso a causa de la acción de lo que luego llamó proteína verde fluorescente: la GFP, que emite bioluminiscencia en la zona verde del espectro visible.

El que la GFP tuviera relación con el nivel de calcio es clave, pues los expertos saben que la movilidad de este elemento juega un papel crucial en muchos procesos biológicos que incluyen la contracción muscular, la transmisión de impulsos nerviosos, la liberación de neurotransmisores, la división celular y la secreción de insulina. Así que la posibilidad de "aplicar la fluorescencia a escala molecular para seguir la ruta del calcio permite mejorar el conocimiento sobre los mecanismos de numerosas enfermedades".

En los ochenta, el neurobiólogo de Harvard Martin Chalfie se preguntó si sería posible implantar la GFP de la medusa en una suerte de gusano llamado Caenorhabditis elegans -de apenas 1 mm de longitud y muy usado en investigaciones biológicas- para que sintetizara la proteína y produjera luz. Así se podría observar en vivo qué genes intervienen en la bioluminiscencia. Chalfie estaba en lo cierto: la GFP podía hacer brillar a criaturas diferentes de la Aequorea. Era una proteína perfecta para la revolución de la biología molecular y pronto fue implantada en experimentos con genes de diversas plantas, ranas, peces, cabras, ratones, conejos, monos, moscas y levaduras.

El bioquímico estadounidense de origen chino Roger Y. Tsien llevó las cosas aún más lejos y se propuso estudiar la célula como si fuera una ciudad para espiar a sus habitantes en sus quehaceres diarios: se trataba de observar cómo nacen las moléculas de proteínas y cómo se modifican, viajan, cooperan, compiten y hasta asesinan a otras. Su investigación es como una antropología celular. Tsien pretendía inventar técnicas visuales con tintes fluorescentes que permitieran a los neurofisiólogos ver el cerebro sin necesidad de abrir la cabeza de los pacientes. "Los colorantes cambian su intensidad de fluorescencia en presencia de iones de calcio libres dentro de la célula, igual que hace la medusa Aequorea para producir luz. Dichos iones de calcio se pegan a las proteínas y las hacen actuar. Este proceso sólo se puede estudiar en células vivas", explica Gruber.

Criaturas de ciencia ficción

Tsien describió la estructura de la molécula de la GFP, lo que le permitió combinar los 238 aminoácidos de la proteína e inventar mutaciones. Así dio con la fórmula para crear una proteína sintética superbrillante, mucho más visible que la natural, y tintes de todos los colores, de forma que, cuando se estudian las proteínas, el interior de la célula parece un cuadro de arte contemporáneo.

Hoy, oncólogos, inmunólogos, virólogos, neurobiólogos, biólogos celulares y botánicos usan las proteínas fluorescentes de Tsien, que refulgen alegremente en el interior de toda clase de cobayas. La producción se ha masificado en su empresa Aurora Biosciences, cuyo capital supera los 1.500 millones de dólares. Algunos laboratorios fabrican criaturas de ciencia ficción, como ratones con colas y orejas verdes, gatos que irradian un suave azul iridiscente o conejos rosa. Hay más de 24.000 estudios publicados sobre la GFP y sus aplicaciones. Shimomura oye la cifra, sonríe y repite el mantra con el que abría sus clases: "Nunca te des por vencido. Si encuentras un tema interesante, estúdialo hasta el final. Si te enfrentas con dificultades, resuélvelas. No te desanimes".

Ángela Posada-Swafford


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