Al crecer en Wisconsin, pasé mucho tiempo al aire libre.
En la primavera, sentía el aroma encantador de las lilas.
En el verano, adoraba ver el brillo eléctrico de las luciérnagas
en las noches húmedas y calurosas.
En el otoño, los pantanos refulgían con el rojo de los arándanos.
Hasta el invierno tenía sus encantos, con los ramilletes navideños de los pinos.
Para mí, la naturaleza siempre ha sido una fuente de asombro e inspiración.
Cuando estudié química en la universidad, unos años después,
llegué a comprender mejor los detalles moleculares del mundo natural.
Todo lo que acabo de mencionar, desde el aroma de las lilas y los pinos
hasta el rojo intenso de los arándanos y el brillo de las luciérnagas,
tiene al menos un aspecto en común:
son creación de las enzimas.
Como conté, crecí en Wisconsin, y obviamente me gusta el queso
y los Green Bay Packers.
Pero hablemos ahora del queso.
Durante los últimos 7000 años,
las personas han extraído una mezcla de enzimas
del estómago de vacas, ovejas y cabras y la han agregado a la leche.
Esto hace que la leche cuaje, que es parte de la elaboración de quesos.
La enzima clave en esta mezcla se denomina "quimosina".
Quiero mostrarles cómo funciona.
Aquí tengo dos tubos, y voy a agregar quimosina a uno de ellos.
Un momento por favor.
Mi hijo Anthony, que tiene ocho años,
tenía ganas de ayudarme a armar la demostración para esta charla TED.
Estábamos en la cocina cortando rebanadas de ananá,
extrayendo las enzimas de las papas rojas
y haciendo todo tipo de demostraciones en la cocina.
Al final, nos pareció que la demostración de la quimosina quedó muy bien.
Entonces, lo que vemos aquí es cómo la quimosina nada en la leche
y se adhiere a una proteína llamada "caseína".
Lo que hace entonces es cortar la caseína, como si fuera una tijera molecular.
Este corte provoca el cuajado de la leche.
Aquí estamos en la cocina trabajando en esto.
Bien.
Ahora agitaré los tubos,
los pondré a un costado y los dejaré reposar un minuto.
Bien.
Si el ADN es el plano de la vida,
las enzimas son los obreros que ejecutan las instrucciones.
Una enzima es una proteína, un catalizador:
acelera una reacción química,
así como esta quimosina acelera el cuajado de la leche.
Pero no solamente fabrica queso.
Si bien las enzimas cumplen un rol esencial en los alimentos que comemos,
también participan en procesos como la salud de los niños
y pueden ayudar a combatir los problemas ambientales actuales.
Los aminoácidos son los elementos más importantes de las enzimas.
Existen 20 aminoácidos comunes,
y usualmente se los designa con una abreviatura de una sola letra.
Así que tenemos un abecedario de aminoácidos.
En una enzima, los aminoácidos se ubican uno tras otro,
como las perlas de un collar.
La identidad del aminoácido se determina según las letras del collar
y el orden en que aparecen.
Eso determina las características únicas de una enzima
y la diferencian de las demás.
Esta cadena de aminoácidos se pliega y forma una estructura de orden superior.
Si pudiésemos observar la quimosina a nivel molecular,
que es la enzima de este experimento, veríamos que luce así.
Pueden ver todas estas hebras, bucles, hélices, nudos y giros.
Tiene que tener exactamente esta estructura para funcionar bien.
Hoy día, podemos crear enzimas en los microbios,
por ejemplo, en una bacteria o en la levadura.
Para esto necesitamos una parte de ADN
con el código de la enzima que nos interesa.
La insertamos en el microbio
y dejamos que el microbio use sus propios mecanismos y recursos
para producir la enzima que queremos.
Para extraer quimosina, no necesitaríamos un ternero hoy en día.
Podríamos obtenerla a partir de un microbio.
Más interesante aún: podemos manipular
secuencias de ADN completamente personalizadas
y crear cualquier enzima que queramos, que no existan en la naturaleza.
Para mí, la parte más divertida
es intentar diseñar una enzima que tenga nuevos usos,
con tan solo ordenar los átomos.
Tomar enzimas de la naturaleza y experimentar con esos aminoácidos,
acomodando esas letras, agregando algunas, quitando otras,
quizá reorganizándolas un poco,
es similar a tomar un libro y editar unos cuantos capítulos o cambiar el final.
En 2018, el premio Nobel de química se otorgó a quien desarrolló este método,
que se conoce como "evolución dirigida".
Actualmente, podemos potenciar la capacidad de la evolución dirigida
para diseñar enzimas con fines específicos,
por ejemplo, enzimas que puedan aplicarse en nuevas áreas,
como la lavandería.
Así como las enzimas en su organismo los ayudan a descomponer lo que comen,
las enzimas en su jabón de lavado
los ayudan a descomponer las manchas de la ropa.
Resulta que alrededor del 90 % de la energía que requiere un lavado
es por calentar el agua.
Y es así por una buena razón:
el agua más caliente ayuda a limpiar la ropa.
Pero ¿y si pudiéramos lavar la ropa con agua fría?
Ciertamente ahorrarían algo de dinero y, además,
según cálculos realizados por Procter & Gamble,
si en todos los hogares de EE. UU. se usara agua fría para lavar la ropa,
nos ahorraríamos emisiones de 32 toneladas de CO2 por año.
Es un montón,
casi lo mismo que el dióxido de carbono emitido por 6,3 millones de vehículos.
Entonces, ¿cómo podríamos diseñar enzimas que diesen lugar a estos cambios?
Las enzimas no evolucionaron para lavar la ropa sucia,
mucho menos en agua fría.
Pero podemos encontrar en la naturaleza un punto de partida:
dar con una enzima que presente alguna funcionalidad,
arcilla con la que comenzar.
Aquí en la pantalla vemos un ejemplo de ese tipo de enzimas.
Podemos comenzar a experimentar con los aminoácidos
agregando algunas letras, quitando otras, reacomodándolas.
Y al hacer esto podemos generar miles de enzimas.
Podemos tomar estas enzimas
y ponerlas a prueba en placas como esta.
Esta placa en mis manos contiene 96 pocillos,
y en cada uno hay una muestra de tela con manchas.
Podemos medir la eficacia con la que cada una de estas enzimas
remueve las manchas de las telas, y ver así cuán bien funcionan.
Podemos hacer esto con la robótica,
como verán en pantalla dentro de un segundo.
Entonces, al hacer esto,
resulta que algunas enzimas están dentro del rango de las enzimas básicas.
Nada peculiar en ello.
Algunas no son buenas, y nos deshacemos de ellas.
Otras sí son buenas.
Esas enzimas mejoradas son nuestra versión 1.0
y las que queremos desarrollar.
Podemos repetir este ciclo una y otra vez.
La repetición de este ciclo nos permite dar con nuevas enzimas
que puedan hacer lo que queremos.
Tras varios de estos ciclos, encontramos algo nuevo.
Así que hoy pueden ir al supermercado y comprar un jabón de lavado
que les permita lavar con agua fría gracias a estas enzimas.
Quiero mostrarles cómo funciona esta enzima.
Tengo otros dos tubos aquí, y ambos tienen leche.
Permítanme mostrarles:
A uno le agregaré esta enzima y al otro le agregaré agua.
Será el grupo de control, así que nada cambiará en ese tubo.
Quizá les parezca curioso que haga esto con leche.
Pero la razón es que la leche tiene muchas proteínas,
y es sencillo ver cómo trabajan las enzimas en una solución proteica
ya que es una experta en descomponer proteínas.
Tiene esa función.
Déjenme poner esto aquí.
Como mencioné, es experta en descomponer proteínas
y pueden extrapolar lo que hace en la leche
a lo que haría en su lavarropas.
Podemos visualizar de esta manera lo que ocurriría.
Bien, estos dos están listos.
Voy a agitar también estos dos.
Los pondremos aquí junto a las muestras de quimosina
y regresaré a ellos al final de la charla.
¿Qué es lo que se avecina en el futuro del diseño de enzimas?
Ciertamente, será más rápido.
Existen enfoques nuevos para desarrollar enzimas
que permiten a los investigadores analizar muchas más muestras.
Además de manipular las enzimas naturales, que es lo que he estado mostrando,
hoy algunos investigadores intentan diseñar enzimas desde cero
usando el aprendizaje automático, un enfoque de la inteligencia artificial,
para enriquecer sus diseños de enzimas.
Otros agregan a la mezcla aminoácidos artificiales.
Mencionamos los 20 aminoácidos básicos de la naturaleza hace un momento.
Ellos agregan aminoácidos artificiales para crear enzimas distintas
a las que podrían encontrarse en la naturaleza.
Es un área interesante.
¿Cómo nos afectará en el futuro el diseño de enzimas?
Pues bien, quiero centrarme en dos áreas: la salud humana y el medioambiente.
Algunas farmacéuticas
tienen ahora equipos que se dedican a diseñar enzimas
para crear fármacos con mayor eficiencia y con menos catalizadores tóxicos.
Por ejemplo, Januvia,
un medicamento para tratar la diabetes tipo 2,
está parcialmente creado con enzimas.
Los fármacos creados con enzimas seguramente aumentarán en el futuro.
En otra área, existen ciertos trastornos
en los que una única enzima no funciona bien en el organismo.
Un ejemplo es la llamada "fenilcetonuria", o PKU, por sus siglas en inglés.
La gente con PKU no puede metabolizar o digerir apropiadamente la fenilalanina,
uno de los 20 aminoácidos básicos que ya he mencionado.
La consecuencia de ingerir fenilalanina para las personas con PKU
es que se arriesgan a desarrollar discapacidades intelectuales permanentes.
Es una enfermedad aterradora.
Ahora bien, quienes tengan hijos...
¿Cuántos padres hay aquí?
Muchos.
Puede que estén familiarizados con la PKU
pues en EE. UU. a todos los niños debe hacérseles una prueba de PKU.
Recuerdo cuando a mi hijo Anthony le pincharon el talón para hacerle la prueba.
El gran desafío aquí es qué comer.
Hay fenilalanina en tantos alimentos que es muy difícil evitarla.
Anthony es alérgico a los frutos secos y creí que eso era un problema,
pero la PKU está a otro nivel.
Sin embargo, las nuevas enzimas podrían permitir a los pacientes de PKU
comer lo que quieran.
Recientemente, la FDA aprobó una enzima diseñada para tratar la PKU.
Es una muy buena noticia para los pacientes
y también para el campo de la terapia de reemplazo enzimático,
pues existen otros casos en que esto podría aplicarse también.
Eso con relación a la salud.
Ahora hablemos sobre el medioambiente.
Cuando leí sobre "la isla de la basura" en el Pacífico,
que es una enorme isla de plástico en algún lugar entre California y Hawái,
y sobre los microplásticos prácticamente en todo el mundo,
me alarmé.
Los plásticos no van a desaparecer.
Y las enzimas pueden ayudarnos en esta área también.
Recientemente, se descubrieron bacterias
que producen enzimas capaces de degradar plástico.
Ya hay estudios para diseñar versiones mejoradas de estas enzimas.
Al mismo tiempo,
se han optimizado nuevas enzimas
para crear plásticos biodegradables que no deriven del petróleo.
Las enzimas también pueden capturar los gases de efecto invernadero,
como dióxido de carbono, metano y óxido nitroso.
No cabe duda de que se trata de grandes desafíos,
y ninguno de ellos es sencillo.
Pero la habilidad de potenciar las enzimas puede ayudarnos con esto en el futuro,
por eso creo que es otra área a investigar.
Ahora retomaré la demostración.
Esta parte es divertida.
Empezamos con las muestras de quimosina.
Déjenme acomodar esto.
Pueden ver que esta muestra es una de las que obtuvo agua,
así que no debería pasar nada con la leche.
Esta muestra obtuvo quimosina.
Pueden ver que esta parte se aclaró totalmente.
Esta parte cuajada es el queso: acabamos de hacer queso en unos minutos.
Hemos estado produciendo esta reacción durante miles y miles de años.
Quizá haga esta demostración para el "día de niños en el trabajo",
aunque pueden ser un público difícil, así que veremos.
También quiero que veamos esto.
Se trata de la enzima usada en el lavado de ropa.
Pueden ver que es diferente a la que se le agregó agua.
Parece ser más clara,
y es exactamente así como queremos que sea la enzima para el lavado,
porque es necesario tener una enzima que pueda devorar las proteínas,
pues tendrán manchas de diferentes proteínas en su ropa,
como leche chocolatada o manchas de pasto.
Y esto ayudará a limpiarlas.
También les permitirá lavar la ropa con agua fría,
reducir la huella de carbono y ahorrar algo de dinero.
Hemos avanzado bastante,
si consideramos el recorrido de 7000 años de las enzimas
en la creación de quesos hasta el diseño de enzimas actual.
Nos encontramos en una encrucijada creativa,
y con las enzimas podemos editar lo que la naturaleza dispuso,
o escribir nuestras propias historias con los aminoácidos.
La próxima vez que estén al aire libre, durante una noche húmeda,
y vean una luciérnaga, espero que se acuerden de las enzimas.
Ahora mismo están actuando para nuestro beneficio.
Y al diseñarlas,
podrían realizar tareas más increíbles en el futuro.
Gracias.
(Aplausos)