Registres històrics: de muntanyes a neurones i molècules, passant per impressores d’objectes i ronyons

El 1667 (fa 351 anys!) el científic Nicholas Steno, que estudiava la formació de les roques, formulà les bases de la estratigrafia: les capes més profundes són més antigues que les més superficials. La deposició de material, capa a capa (estrat a estrat), defineix un registre històric de la seqüència temporal d’esdeveniments. D’aquesta mena de dades se’n poden deduir, en aquest cas, algunes de les propietats de les muntanyes que, a l’erosionar-se, contribuïren matèria a cada estrat d’una roca.

La formació de sòlids capa per capa no es limita pas només a les roques i muntanyes del món natural. De fet, és exactament un dels procediments d’impressió tridimensional (“3D printing”), el laminat, que permet de manufacturar objectes de plàstic i d’altres materials a baix cost o que, d’altra manera, serien molt difícils de construir. La possibilitat d’imprimir objectes ha revolucionat molts camps de coneixement (Gross et al. 2014 Anal. Chem.) al permetre la personalització de dissenys industrials de peces de maquinària, per exemple per a microscopis experimentals (e.g. OpenSPIM) o casolans, i també de teixits humans en medicina (e.g. ossos, Bose et al. 2013 Materials Today).

Enguany (2018), els científics han trobat que és precisament mitjançant un procés de laminat continuat com es formen les pedres del ronyó (Sivaguru et al. 2018 Scientific Reports). Aquestes pedres, també anomenades càlculs renals, retenen en la composició de les seves capes tota una història de la fisiologia del ronyó de la persona. Quina troballa! Tot un tresor d’informació que, fins avui, es continua llençant a la brossa sense miraments. (Vegeu també la notícia sobre la troballa al New York Times.) Una de les troballes més interessants és que les capes es fan i es desfan de forma natural, indicant que, en un futur, hauria de ser possible de descobrir la manera de desfer les pedres dels ronyons per evitar el dolor i les ferides internes que poden causar. Com llegir acuradament la composició de les capes d’aquestes pedres, i com interpretar-la de manera profitosa, encara no és clar.

En neurobiologia, l’experiment ideal de molts investigadors passa per observar al llarg del temps l’activitat neuronal de totes i cadascuna de les neurones del sistema nerviós. Aquesta tasca, a priori impossible, comença a semblar-ho menys. Com es podria fer l’equivalent de les capes de les pedres del ronyó, que acumulen minut a minut un registre sobre la situació fisiològica? Penseu que, fins fa uns 10 anys, la principal forma d’observar l’activitat d’una o dues neurones era amb l’electrofisiologia, consistent en insertar o adherir un electrode al cos cel.lular d’una neurona d’interès–una tècnica que requereix un llarg aprenentatge i que té molt d’art, i que encara avui en dia es considera la tècnica més precisa i detallada. Els darrers anys han ofert un gran desenvolupament de l’optofisiologia–la observació de senyals nervioses mitjançant sensors moleculars fluorescents–que ha permès d’observar l’activitat de més d’una neurona alhora, fins i tot–molt recentment–de desenes de milers (Stringer et al. 2018) gràcies als avenços espectaculars en microscopia òptica (Sofroniew et al. 2018 eLife).

Un problema greu que sorgeix d’observar l’activitat neuronal de l’animal mentre aquest roman capficat executant accions és la interferència en la seva llibertat de moviments, que n’alteren el resultat. Per exemple, l’observació de l’activitat neuronal del cervell requereix la immobilització de l’animal, o com a mínim del cap. Com es podria, doncs, guardar-se el pastís però també menjar-se’l, com diuen els angloparlants?

El 2015, investigadors del Howard Hughes Medical Institute a Janelia (on jo porto un grup de recerca) s’inventaren la CaMPARI (Fosque et al. 2015 Science), una proteïna la fluorescència de la qual depèn de les concentracions de calci a les quals ha estat exposada. En les neurones, l’activitat neuronal es correlaciona amb el calci que n’entra i en surt, i fent un seguiment de la concentració del calci es pot revel.lar l’activitat neuronal (e.g. amb GCaMP, una proteïna amb fluorescència que depen del calci). Amb CaMPARI, hom pot esbrinar a posteriori quines neurones foren activades, i si molt o poc, mentre l’animal duia a terme una tasca en concret. Amb aquest mètode, doncs, l’animal roman lliure, i amb l’anàlisi subseqüent, es poden descobrir neurones implicades en, per exemple, quines neurones participen de la coordinació de moviments incompatibles (anar endavant i anar endarrere) a les larves de la mosca Drosophila (Carreira-Rosario, Arzan Zarin, Clark et al. 2018 eLife), entre moltes altres. Tot un avenç!

Els neurobiòlegs, però, no restem satisfets. Volem realment poder llegir el registre de l’activitat de totes les neurones d’un animal, de la mateixa manera que un geòleg llegeix els eons en mirar els estrats d’una muntanya tallada. Una tècnica que ho permeti encara no existeix–o com a mínim, no s’ha publicat–, però sí que se n’ha proposada una que promet molt: el “molecular ticker tape”, és a dir, la cinta registradora molecular (Glaser et al. 2013). En què consisteix? Doncs resulta que hi ha unes proteïnes, que són un tipus de polimerases d’ADN com les que copien els cromosomes, que fan errors en l’elecció del nucleòtid (la lletra, entre A, T, C, G) en funció de les condicions al citoplasma cel.lular, com per exemple les concentracions de calci–que indiquen activitat neuronal. Hom podria, doncs, induir l’escriptura al propi genoma de cada neurona de la seqüència d’esdeveniments moleculars que n’indiquin si la neurona s’activà o no en un moment determinat de la seva vida. Per llegir-ne l’historial s’emprarien les tècniques modernes de seqüenciació d’ADN, que funcionen molt bé, ben ràpid i a baix cost, fins i tot per a una munió de cèl.lules individuals–com les neurones. Tot un somni que ja s’entreveu dins de l’horitzó d’allò possible.