Cómo el diseño de enzimas artificiales podría cambiar el mundo

"Si el ADN es el plano de la vida, las enzimas son los obreros a cargo de las instrucciones", afirma el biólogo químico Adam Garske. En esta divertida charla y demostración en vivo, nos muestra cómo actualmente los científicos pueden editar y diseñar enzimas con funciones específicas para tratar enfermedades como la diabetes, crear jabones de lavado que nos permitan ahorrar energía, e incluso capturar los gases de efecto invernadero. Además, realiza su propio experimento en el escenario.

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)