La extraordinaria aventura científica de un joven de 15 años.

Un joven de 15 años tiene todo tipo de preocupaciones, desde cómo se ve cuando se va a una fiesta hasta las repercusiones del cambio climático en el planeta. Con las nuevas tecnologías de comunicación, hay escasos temas de los que un joven de 15 años no pueda hablar y conocer. Hace poco, leí una nota sobre cómo un joven de esta edad logró inventar un biosensor para  detectar cáncer de páncreas en su etapa temprana. Me asombró su brillante idea y su capacidad para utilizar conocimientos de distintas ramas de las ciencias y solucionar un problema específico. Me conmovió mucho  su sentido de justicia social y  su tenacidad ante las dificultades que enfrentó durante el proceso de realización de su proyecto.

Jack Andraka, nació en el estado de Maryland, Estados Unidos. Es un aficionado de las ciencias,  gusta de realizar experimentos y leer  revistas científicas. Desde pequeño. Jack tuvo acceso a artículos publicados enScience, Nature y Journal of Clinical Neurology,  entre otras revistas científicas de gran prestigio. Un amigo de su familia murió por cáncer de páncreas, mal que cada año mata 40,000 personas en los Estados Unidos. Los métodos existentes para la detección temprana de cáncer de páncreas son poco eficientes y caros. Por esta razón, de acuerdo a la Sociedad Americana de Cáncer, sólo el 20% de los pacientes con cáncer de páncreas sobreviven un año  y apenas 4%  sobreviven cinco años.

Consciente de que cada día mueren más de 100 personas por este mal, Jack quiso hacer algo para su detección temprana. Un día, se le ocurrió una idea durante una clase de ciencias en su escuela. Aterrizó la idea en un proyecto de investigación y escribió a muchos científicos para pedirles ayuda y acceso a sus equipos y laboratorios; uno de los equipos solicitados fue el microscopio de tunelaje de barrido (STM, por sus siglas en inglés, scanning tunneling microscope), una tecnología avanzada por la cual sus inventores, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, recibieron el premio Nobel de física en 1986. El STM permite observar materiales sintéticos conductores, así como moléculas biológicas. Jack recibió 197 rechazos y algunos científicos le dijeron que su proyecto no funcionaría. Finalmente, un profesor de patología y oncología, el Dr. Anirban Maitra, de la Universidad de Johns Hopkins (EUA), aceptó ayudarle. Con el apoyo del Prof. Maitra, Jack empezó a cultivar unas células llamadas MIA PaCa, de una línea comercial de células de carcinomas pancreáticos que tienen exceso de mesotelina, proteína indicativa del cáncer de páncreas. Jack aisló la mesotelina, la concentró y la cuantificó con un método estandarizado (conocido como ELISA) para emplearla en pruebas posteriores. Después, mezcló  anticuerpos específicos de la mesotelina humana con un material novedoso formado por nanotubos de carbono de pared simple. Éstos, son tubos de uno a dos nanómetros (nm) de diámetros y de 200 a 5000 nm de longitud (1nm es la millonésima parte de un milímetro) cuyas paredes están formadas por un arreglo hexagonal de átomos de carbono. Los nanotubos de carbonos son muy buenos conductores eléctricos y, en forma de polvo, tienen un color negruzco.

Lo más interesante, es que Jack cubrió tiritas de filtros ordinarios de papel con la mezcla de nanotubos y anticuerpos (Figura 1). Estas tiras se parecen a los papelitos empleados para medir pH en los laboratorios de química, aunque difieren por su color y por la sustancia orgánica que llevan adentro.

La imaginación de Jack resultó ser asombrosa, ya que mezcló un producto biológico (los anticuerpos de mesotalina) con un material conductor novedoso a base de carbono que es mucho más ligero y más compatible con las moléculas biológicas que cualquier conductor metálico. Cuando una tira negra de Jack entra en contacto con un líquido que contiene mesotelina, como la sangre humana, el anticuerpo  que está dentro del papel se liga a la misma   para formar una molécula más grande; de esta manera, la mesotelina queda atrapada en la pintura negra de la tira de Jack. La incorporación de mesotelina en la pintura hace que ésta se expanda para dar espacio a las nuevas proteínas, de manera que la concentración volumétrica de sus nanotubos de carbono disminuye.

A una mezcla de dos materiales distintos se le llama material compuesto. La pintura negra de Jack es un bio-compuesto. La conductividad de un material compuesto depende de la proporción volumétrica entre sus dos componentes. En el caso de las tiritas de Jack, si la concentración de los nanotubos de carbono es suficientemente alta, la pintura negra tendrá la misma conductividad de los nanotubos de carbono y  la tira permitiría el paso de una corriente eléctrica. La incorporación de mesotelina en la pintura negra hace expandir el biocompuesto original,  obligando a los nanotubos de carbono a dispersarse entre sí, reduciendo para cada uno la probabilidad de hacer contacto eléctrico con otros nanotubos. Por ello, la corriente eléctrica se reduce cuando se incorpora la mesotelina en las tiras. Mientras más  mesotelina contenga la sangre, más se incorpora en las tiritas de Jack y mayor es su efecto sobre su conductividad. De esta forma, se puede detectar la concentración de mesotelina en la sangre humana. Las tiritas de Jack son biosensores porque cambian una señal eléctrica cuando están en contacto con cierta sustancias biológicas.

El fenómeno de la conductividad eléctrica de un material compuesto se describe mediante la teoría de percolación (Figura 2). Cuando la concentración de la fase conductora es muy baja, la conductividad eléctrica del compuesto es mala (recuadro A en la figura 2). En caso opuesto, el material compuesto tiene una alta conductividad (recuadro C en la Figura 2). Sin embargo, la relación entre la conductividad y el porcentaje volumétrico de la fase conductora de un material compuesto no es lineal, sino que se asemeja a una letra S. Hay un punto, llamado el punto de percolación (el circulito en la Figura 2), antes del cual el material compuesto es muy mal conductor, y a partir del cual la conductividad aumenta rápidamente: un pequeño cambio en la concentración de la fase conductora  puede causar un enorme cambio en la conductividad del material compuesto (recuadro B de la figura 2).

Me imagino que Jack ha de haber conocido este secreto. La curva de percolación, en la Figura 2, se asemeja a una resbaladilla y la concentración óptima de los nanotubos de carbono en la pintura negra está en la zona cercana a la de percolación, esto es, en la zona donde la resbaladilla cae más abruptamente (recuadro B en la Figura 2).  . Entonces, la entrada de una pequeña cantidad de mesotelina, a la tirita de Jack, reduciría enormemente su conductividad, y de esta manera podría detectar concentraciones bajísimas de la proteína, y así, reconocer la presencia del cáncer de páncreas en su etapa inicial. El uso del microscopio STM pudo ayudar a Jack a encontrar la composición óptima del recubrimiento negro de sus tiritas.

El límite de sensibilidad de detección del sensor de Jack es de 0.156  nanogramos por mililitro (ng/mL; un nanogramo es la milmillonésima parte de un gramo), por lo cual fácilmente puede detectar una concentración de 10 ng/mL, considerada como la sobre-expresión de mesotelina que indica la existencia de un cáncer de páncreas. Además, el sensor de Jack cuesta tres centavos de dólar americano, mucho menos que  la prueba usual que cuesta 800 dólares americanos, y realizar la prueba toma apenas cinco minutos. El método es 400 veces más sensible que el estándar ELISA, y de 25% a 50% más precisa que otra prueba conocida como CA19-9. En diciembre del año pasado, el invento de Jack fue reconocido con el prestigiado premio Gordon E. Moore otorgado por la compañía INTEL. Los jurados de INTEL afirman que el método de Jack Andraka tiene una precisión de 90% para diagnosticar este cancer.

No he confirmado con ningún especialista en cáncer de páncreas sobre la viabilidad del invento de Jack Andraka. Lo que me emociona mucho es el poder de la imaginación de los jóvenes y su habilidad para manejar conocimientos científicos y con ellos beneficiar a la humanidad. Ojalá que haya muchos Jacks en diferentes ámbitos de la sociedad para que la vida sea más bella, tanto para los jóvenes como para los no tan jóvenes.

Artículo publicado originalmente “La extraordinaria aventura científica de un joven de 15 años” en el periódico Unión de Morelos por miembros de la Academia de Ciencias de Morelos A.C.