Cuatro proyectos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) han sido seleccionados en la última convocatoria de las ayudas Starting Grant del Consejo Europeo de Investigación (ERC). Con estas concesiones, el CSIC se convierte, por segundo año consecutivo, en el organismo español que más talento investigador joven con líneas de investigación innovadoras y de alto impacto incorpora a través de esta convocatoria. Las ayudas, dotadas con hasta 1,5 millones de euros por proyecto —unos seis millones en total para el CSIC—, permitirán a cuatro investigadores desarrollar durante los próximos años preguntas que se sitúan en algunas de las fronteras actuales de la ciencia.
Los proyectos abarcan campos muy diferentes, pero todos parten de problemas todavía abiertos y aprovechan tecnologías que hasta hace pocos años no permitían abordarlos a esta escala. Hablamos con los investigadores y la investigadora detrás de estos trabajos.
Antoni Beltran: un atlas genómico para entender las enfermedades raras
Al secuenciar el genoma de un paciente, una de las dificultades habituales es determinar qué significado tiene cada una de las variantes genéticas encontradas. Algunas son inofensivas, pero otras pueden estar detrás de una enfermedad. Entre ambas categorías existe un amplio territorio de incertidumbre que puede dificultar el diagnóstico.
El proyecto de Antoni Beltran, investigador del CSIC en el Instituto de Biomedicina de Valencia (IBV), aborda una parte de ese problema a gran escala. El investigador estudia cómo las mutaciones alteran la estabilidad de las proteínas humanas y, con ello, pueden contribuir al desarrollo de enfermedades genéticas.
Muchas mutaciones afectan a un único aminoácido de una proteína. Ese cambio aparentemente pequeño puede hacer que la proteína se pliegue de manera incorrecta y pierda estabilidad. La célula dispone de mecanismos de control que detectan esas anomalías y eliminan las proteínas defectuosas. En determinados casos, esa pérdida de proteína contribuye directamente a la aparición de la enfermedad.
“En lugar de estudiar las enfermedades una a una, construimos mapas a gran escala que muestran, para muchas proteínas, qué mutaciones las desestabilizan”, explica Beltran a este periódico. El investigador y su equipo utilizarán una tecnología que permite medir en el laboratorio el efecto de cientos de miles de mutaciones simultáneamente, en lugar de analizarlas individualmente.
Con los resultados construirán atlas experimentales capaces de mostrar, para cientos de proteínas humanas, qué cambios afectan a su estabilidad y cuáles no. La dimensión del proyecto es posible gracias a la convergencia de varias tecnologías desarrolladas en los últimos años: la capacidad de sintetizar grandes librerías de ADN, nuevos ensayos para medir la estabilidad de proteínas directamente en células humanas, la inteligencia artificial aplicada a la predicción de estructuras y propiedades de proteínas y una secuenciación cada vez más potente y asequible.
“Ninguna de estas piezas por separado bastaría; es su combinación lo que hace posible el salto de escala que proponemos”, señala. Uno de los objetivos del proyecto es que los resultados tengan una utilidad que vaya más allá del propio laboratorio. “Todos los datos que generemos serán abiertos y gratuitos”, subraya el investigador.
La idea es que puedan servir tanto a los médicos que deben interpretar variantes genéticas detectadas en pacientes como a quienes desarrollan herramientas computacionales para predecir sus efectos. En el primer año, el investigador espera haber consolidado el equipo que permitirá desarrollar el proyecto y haber establecido la tecnología de medición en células humanas.
También quiere identificar, entre miles de proteínas relacionadas con enfermedades genéticas, las primeras candidatas para las campañas de mutagénesis a gran escala. Para Beltran, la Starting Grant proporciona algo especialmente valioso en una etapa de consolidación de una carrera científica. “Nos aporta estabilidad para pensar a largo plazo, libertad para explorar y los recursos necesarios para que un grupo joven pueda plantearse transformar un campo en lugar de limitarse a seguirlo”, afirma.
El investigador considera que España dispone de talento y centros capaces de desarrollar ciencia competitiva, pero apunta también a dificultades estructurales relacionadas con la inversión pública, la burocracia y la estabilidad de las carreras científicas. “Con las condiciones adecuadas, en España se puede hacer ciencia de primer nivel”, sostiene. Opina que el reto es conseguir que esa capacidad deje de depender de excepciones y se traduzca en un ecosistema capaz de retener el talento y generar también una industria de mayor valor añadido.
Celia Castillo: entender cómo nace una nueva generación de vidrios
El vidrio que estudia Celia Castillo no es el cotidiano. Su proyecto parte de materiales híbridos que combinan componentes orgánicos e inorgánicos y que pueden presentar propiedades muy diferentes de las de los vidrios convencionales. La investigadora del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) centrará su trabajo en una familia de materiales conocida como redes metal-orgánicas o MOFs. Se trata de estructuras cristalinas y porosas formadas por átomos metálicos y moléculas orgánicas.
Algunos de estos materiales pueden fundirse y transformarse en un tipo de material vítreo conocido como vidrio híbrido. “Mi objetivo es entender qué hace que ciertos materiales híbridos, como los MOFs, puedan fundir y transformarse en una nueva clase de vidrio”, explica la investigadora. El interés de estos materiales reside, entre otras características, en que pueden incorporar propiedades que no encontramos en un vidrio convencional, como bloquear determinadas radiaciones, capturar moléculas, responder a estímulos o integrar funciones químicas específicas.
“Hasta hace pocos años, ni siquiera sabíamos que muchos de estos materiales podían fundirse y formar vidrio. Ahora ya conocemos suficientes ejemplos como para empezar a buscar reglas generales”, apunta. La investigadora aprovechará nuevas técnicas capaces de observar cómo cambia la estructura de estos materiales mientras se calientan, combinadas con herramientas de análisis de datos que permiten relacionar composición, estructura y comportamiento.
“Me gustaría poder decir que ya hemos pasado de observar el fenómeno a empezar a predecirlo”. Ese conocimiento podría abrir la puerta al diseño de materiales híbridos con propiedades determinadas en función de la aplicación que se busque. El proyecto pretende avanzar desde el descubrimiento de un fenómeno relativamente reciente hacia una estrategia racional de diseño de nuevos materiales.
Castillo destaca que una ERC Starting Grant permite precisamente abordar preguntas cuyo resultado no está garantizado desde el principio. “La ciencia más transformadora muchas veces empieza con una pregunta arriesgada y necesita años para construir la respuesta”, afirma. La financiación permitirá crear un equipo, establecer colaboraciones internacionales y acceder a grandes instalaciones científicas para desarrollar una línea de investigación propia durante varios años.
En cuanto al contexto español, la investigadora destaca la existencia de grupos y centros competitivos y señala como una ventaja del CSIC la posibilidad de dedicar una parte importante del tiempo a la investigación. Al mismo tiempo, apunta a la dificultad de disponer de financiación estructural suficiente para formar equipos, especialmente en las etapas de doctorado y posdoctorado “España tiene muchísimo talento y potencial; el reto es crear condiciones que permitan aprovecharlo y consolidarlo a largo plazo”, concluye.
Marco Gatti: miles de universos simulados para una cosmología de precisión
La cosmología se encuentra ante una paradoja: nunca había dispuesto de tantos datos y, al mismo tiempo, algunas de sus preguntas fundamentales siguen sin respuesta. El proyecto de Marco Gatti, investigador del CSIC en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE), pone el foco en desarrollar un nuevo enfoque de cosmología de precisión mediante el uso de miles de universos simulados que permitan combinar diferentes observaciones y extraer de ellas mucha más información.
Los datos proceden de observaciones que permiten estudiar la distribución de la materia desde perspectivas complementarias. La lente gravitacional débil revela la materia a través de pequeñas distorsiones en las imágenes de galaxias lejanas. La lente gravitacional del fondo cósmico de microondas permite rastrear la distribución de materia a mayores corrimientos al rojo, mientras que el efecto térmico Sunyaev-Zel’dovich aporta información sobre el gas caliente presente, especialmente, alrededor de grupos y cúmulos de galaxias.
“Al reunir estas mediciones, nuestro proyecto conectará información a través de una amplia gama de corrimientos al rojo y escalas físicas, al tiempo que vinculará la distribución de la materia con los procesos astrofísicos que moldean el gas en las estructuras cósmicas”, explica Gatti.
La cosmología todavía no sabe qué son la materia oscura y la energía oscura, si esta última ha cambiado a lo largo de la historia del Universo o por qué algunas mediciones correspondientes al Universo temprano y al Universo reciente parecen no encajar completamente entre sí. También queda por determinar cómo procesos como la formación de galaxias y la actividad de los agujeros negros modifican la distribución de materia que observamos.
Para abordar estas cuestiones, el proyecto recurrirá a miles de simulaciones del Universo y a técnicas de simulation-based inference —inferencia basada en simulaciones—. En lugar de depender exclusivamente de las aproximaciones empleadas habitualmente para comparar modelos y observaciones, el método permitirá confrontar directamente grandes conjuntos de universos virtuales con los datos reales. “Queremos extraer mucha más información de los nuevos datos y, al mismo tiempo, modelar de manera más realista su complejidad”, explica el investigador.
El proyecto es posible gracias a dos avances que se han producido en paralelo: una capacidad de cálculo suficiente para generar miles de simulaciones con diferentes propiedades y el desarrollo de nuevas herramientas de machine learning capaces de extraer información de esos enormes conjuntos de datos.
El primer año pretende dedicarlo principalmente a construir la infraestructura que sostendrá el proyecto durante los siguientes cuatro. Uno de los primeros objetivos será analizar dentro de un mismo marco los tres observables cosmológicos —la lente gravitacional débil, la lente del fondo cósmico de microondas y el efecto térmico Sunyaev-Zel’dovich—.
Para Gatti, la Starting Grant permite asumir un horizonte de investigación que difícilmente encajaría en proyectos más pequeños. La ayuda servirá para crear el equipo, desarrollar nuevas herramientas computacionales e invertir en la infraestructura necesaria. “Permite asumir ciertos riesgos científicos, explorar ideas nuevas y pensar a largo plazo, en lugar de concentrarse únicamente en proyectos que puedan producir resultados inmediatos”, señala.
El investigador destaca la fortaleza de los grupos españoles y su participación en grandes colaboraciones internacionales, particularmente relevante en cosmología. Entre los retos pendientes sitúa la estabilidad de las trayectorias profesionales de los investigadores jóvenes. “Formamos excelentes estudiantes de doctorado y posdoctorales, pero muchos pasan largos periodos encadenando contratos temporales antes de tener la oportunidad de establecer una carrera independiente”.
Daniel González-Cuadra: nuevas formas de utilizar la computación cuántica para estudiar la materia
El cuarto proyecto se adentra en uno de los grandes retos de la física cuántica: cómo estudiar sistemas formados por un gran número de fermiones, las partículas que incluyen electrones, protones y neutrones y que constituyen buena parte de la materia que conocemos.
Daniel González-Cuadra, investigador del CSIC en el Instituto de Física Teórica (IFT), quiere desarrollar nuevas estrategias de computación cuántica para abordar sistemas cuya complejidad hace que su simulación mediante métodos convencionales resulte extremadamente difícil.
Muchos de los fenómenos más interesantes de la naturaleza surgen precisamente de la interacción entre numerosos fermiones. El problema es que reproducir matemáticamente ese comportamiento requiere una capacidad de cálculo que crece rápidamente con la complejidad del sistema. “Las técnicas de cálculo convencionales tienen enormes dificultades para simular estos sistemas”, explica González-Cuadra.
Los ordenadores cuánticos tampoco resuelven automáticamente el problema. “Los fermiones poseen unas propiedades particulares que hacen que representarlos en estos dispositivos resulte especialmente costoso”. De ahí parte la idea central de su proyecto: no se trata únicamente de construir ordenadores cuánticos con más capacidad, sino de encontrar nuevas maneras de utilizarlos.
“Por eso, no basta con construir ordenadores cuánticos más grandes: necesitamos nuevas formas de programarlos”, señala el investigador. El proyecto propone abordar conjuntamente tres elementos: el propio hardware cuántico, la manera de representar los fermiones en estos dispositivos y los algoritmos empleados para realizar los cálculos.
El objetivo es reducir el coste de estas simulaciones y ampliar las posibilidades de los simuladores cuánticos para estudiar problemas que actualmente quedan fuera del alcance de la computación clásica. La ERC Starting Grant permitirá a González-Cuadra desarrollar esta línea de investigación con un horizonte de varios años, en un campo en el que el avance de la tecnología y de los métodos de programación está abriendo nuevas posibilidades para la física fundamental.
