1 - Un vistazo al futuro del video

Internet está ahogado en videos  digitales. Hui Zhang cree que las redes peer-to-peer (P2P) saldrán al rescate.

Por Wade Roush
  El octogenario senador por Alaska Ted  Stevens fue ridiculizado el año pasado por describir a internet como “una serie  de tubos”. Pero aunque su metáfora haya sido torpe, lo que Stevens pretendía  hacer ver era razonable: los tubos se pueden taponar y eso sucederá tarde o  temprano, debido a la explosiva popularidad del video digital.

Las aplicaciones de video dan cuenta de  más del 60% del tráfico en la red, de acuerdo con la compañía británica  CacheLogic, que vende sistemas de entrega a propietarios de contenido y  proveedores de servicios (ISP). Hui Zhang, científico informático de la  Universidad Carnegie Mellon, dice que “en un par de años, estaremos en el 98%”.

Zhang cree que la ayuda llegará de un  sector inesperado: la tecnología de distribución de archivos P2P (entre iguales  o de punto a punto). Para él y otros defensores de la idea, todo es cuestión de  arquitectura. Normalmente, los videos y otros contenidos llegan a los  consumidores por vías semejantes a árboles, donde los servidores centrales de  los propietarios de contenido son los troncos, los múltiples  “servidores para la distribución de  contenidos”, las ramas, y los PC de los consumidores, las hojas. La  arquitectura en árbol funciona bien, pero presenta tres debilidades clave: si  se corta una rama, sus hojas se van con ella; los datos fluyen en una sola  dirección, razón por la cual no se satisface la capacidad de las hojas (los PC)  de cargar información; y, lo más importante, la suma de nuevos PC a la red no  hace más que incrementar la congestión.

Por el contrario, en las redes P2P no hay  servidores centrales: cada PC de usuario intercambia datos con muchos otros,  sobre una malla en constante desplazamiento. Esto quiere decir que los  servidores y sus sobrecargadas conexiones tienen que soportar menos peso; en  cambio, la información es suministrada por iguales, lo que ahorra banda ancha  en el núcleo de internet. Si un usuario abandona la malla, otros pueden llenar  el vacío. Y mientras más usuarios haya, mayor será la potencia de la red P2P.

En la Universidad de Cornell, el  científico informático Paul Francis se encuentra probando un sistema llamado  Chunkyspread, que combina lo mejor de los árboles y las mallas. Los PC miembros  se organizan como un árbol clásico, pero también se conectan entre sí, lo que  reduce la carga sobre las ramas. No menos importante es que Chunkyspread  reorganiza los archivos en “tajadas” mejor que en bloques. Una tajada consiste  en el eneavo bit de cada bloque (por ejemplo, el quinto bit de cada bloque de  20). El PC de José podría comprometerse con el de Alicia a enviar el bit cinco  desde cada bloque que posee; María, a enviar el seis, y así sucesivamente. Una  vez hechos los compromisos, no hay necesidad de intercambiar más metadatos  (datos que describen otros datos), ahorrando así banda ancha. Francis afirma  que, en las simulaciones, Chunkyspread ha superado con ventaja los sencillos  métodos multicast (mensaje enviado simultáneamente a un conjunto específico de  nodos) basados en árboles.

En las oficinas de su firma, Rinera  Networks, Zhang desarrolla actualmente un software que identificará datos P2P y  dejará que el ISP decida cuánto quiere portar, a qué volumen y precio, y luego  entregarlo tan confiablemente como lo hacen los sistemas de distribución  basados en servidores, al tiempo que rastrea todo con propósitos contables.
  Con un poco de suerte, los tubos del  senador Stevens seguirán destapados un rato más.

2 - Nanocarga solar

Arthur Nozik cree que la energía solar de  puntos cuánticos podría mejorar el rendimiento y abaratar las celdas  fotovoltaicas.

Por David Talbot
  Ninguna fuente de energía renovable posee  mayor potencial teórico que la solar. Pero la esperanza de energía barata y  abundante sigue siendo sólo eso, principalmente por el alto costo de las celdas  solares. Las celdas fotovoltaicas utilizan semiconductores para convertir la  energía lumínica en corriente eléctrica. Las células de silicio de los paneles  realizan la conversión con eficiencia, pero su fabricación es relativamente  costosa. Ya se están comercializando otros semiconductores que pueden  depositarse como películas finas; pero aunque son menos caros, su eficiencia no  es comparable a la del silicio. No obstante, parece haber una nueva solución a  la vista: algunos químicos creen que los puntos cuánticos, esos diminutos  cristales de los semiconductores, de apenas unos pocos nanómetros de ancho,  harían competitiva en costo a la energía solar frente a la electricidad  generada por combustibles fósiles.
  Gracias a su tamaño, los puntos cuánticos  poseen una singular capacidad para interactuar con la luz. En el silicio, un  fotón de luz libera un electrón de su órbita atómica. A finales de la década de  los 90, Arthur Nozik —investigador del Laboratorio Nacional de Energía  Renovable, en Golden, Colorado— postuló que los puntos cuánticos de ciertos  materiales semiconductores liberaban dos o más electrones al ser impactados por  fotones de alta energía, como los que se encuentran en el extremo azul y  ultravioleta del espectro.
  En 2004, Victor Klimov —del Laboratorio  Nacional Los Álamos, en Nuevo México— aportó la primera prueba experimental de  que Nozik estaba en lo cierto: el año pasado, demostró que los puntos cuánticos  del selenuro de plomo producían hasta siete electrones por fotón al ser  expuesto a luz ultravioleta de alta energía. Pronto, el equipo de Nozik  demostraría el efecto sobre los puntos de otros semiconductores, como el  sulfuro de plomo y el plomo-telurio.
  Dichos experimentos aún no han dado paso  a la producción de un material comercial, pero indican que, algún día, los  puntos cuánticos podrán aumentar la eficiencia de la conversión de luz solar en  electricidad.  Y puesto que estos puntos  pueden hacerse mediante reacciones químicas sencillas, también abaratarían las  celdas solares. Los investigadores del laboratorio de Nozik, cuyos resultados  aún no han sido publicados, demostraron hace poco el efecto de los electrones  adicionales en puntos cuánticos hechos de silicio; su ventaja es que sería  mucho menos costoso incorporarlos a las celdas solares que las grandes y  cristalinas láminas de silicio utilizadas hoy en día.
  Hasta el momento, el efecto del electrón  adicional sólo ha sido observado en puntos cuánticos individuales. El problema  es que en una celda en funcionamiento, los electrones deben salir del  semiconductor e ingresar en un circuito eléctrico externo. Inevitablemente,  algunos de los electrones liberados se “pierden”, y luego son recapturados por  “hoyos” positivos en el semiconductor. En los puntos cuánticos, esta  recaptación ocurre con mucha mayor rapidez que en las piezas grandes; muchos de  los electrones liberados son inmediatamente engullidos.
  Las mejores celdas solares de puntos  cuánticos del equipo de Nozik han logrado demostrar una eficiencia de apenas el  2%, mucho menos que la necesaria para un artefacto práctico. Sin embargo, el  grupo espera mejorar en este aspecto modificando las superficies de los puntos  o el transporte electrónico entre ellos.

3 - Control neuronal

  El “interruptor de la luz” diseñado  genéticamente por Karl Deisseroth, que permite a los científicos “encender” y  “apagar” partes del cerebro a voluntad, podría ayudar a mejorar los  tratamientos contra la depresión y otros trastornos.

Por Emily Singer
  En su consultorio del Centro Médico de  Stanford, el siquiatra Karl Deisseroth recibe ocasionalmente a pacientes en  estados depresivos tan graves que no pueden caminar, hablar ni comer.  Tratamientos intensivos como los choques eléctricos o terapia electroconvulsiva  (TEC) pueden salvar vidas literalmente, pero a un costo excesivo, debido a la  pérdida de memoria, los dolores de cabeza y otros efectos secundarios. Deisseroth,  que además de médico es ingeniero, piensa que hay un abordaje mejor: un  novedoso y elegante método para controlar las neuronas con destellos de luz. En  el futuro, la tecnología podría conducir a tratamientos con un objetivo  exactamente predeterminado de los trastornos siquiátricos y neurológicos; dicha  precisión significaría una mayor efectividad y menos efectos adversos.
  Aunque los científicos reconocen algunos  de los desequilibrios químicos que subyacen a la depresión, aún no tienen claro  cuáles células, o redes de ellas, son las responsables. Para identificar los  circuitos implicados en estas enfermedades, los científicos tendrían que  encender y apagar las neuronas a voluntad. Los métodos corrientes, como los  electrodos que activan neuronas con descargas eléctricas, no son lo bastante  precisos para esta labor, lo que motivó a Deisseroth (actualmente profesor  asistente del MIT) y al estudiante de posgrado Feng Zhang a desarrollar un  control neuronal capaz de activar grupos específicos de células.
  Para ello, adaptaron una proteína  extraída de un alga verde, que actúa como un “interruptor positivo” que las  neuronas podrían producir mediante ingeniería genética. Cuando la neurona se  expone a la luz, la proteína desencadena una actividad eléctrica dentro de la  célula, que se propaga a la siguiente neurona del circuito. Los investigadores  también pueden usar la luz para activar neuronas específicas, buscando  respuestas determinadas, como un espasmo muscular, mayor energía o una onda de  actividad en otra parte del cerebro.

Deisseroth ha comenzado a usar su  interruptor genético para estudiar el fundamento biológico de la depresión. Los  científicos de su laboratorio han insertado el interruptor en diferentes áreas  cerebrales de ratas que presentan síntomas semejantes a los observados en  humanos deprimidos. Valiéndose de una fibra óptica para arrojar luz sobre las  células seleccionadas, buscan patrones de actividad que alivien los síntomas.  Deisseroth sostiene que los hallazgos deberían contribuir al desarrollo de  mejores antidepresivos: si se conocen exactamente las células responsables,  será posible buscar moléculas o nuevos métodos farmacéuticos más precisos. “El  Prozac se difunde por todos los circuitos cerebrales, no sólo entre los  importantes. Por eso tiene tantos efectos secundarios”.

Deisseroth espera que su tecnología no  sea solamente una herramienta de investigación, sino un tratamiento en sí  mismo, que se use en conjunto con terapias que estimulen eléctricamente grandes  áreas del cerebro para tratar la depresión o la enfermedad de Parkinson, por  ejemplo. Al activar únicamente las neuronas específicas, el interruptor podría  limitar los efectos colaterales indeseados.

4 - Nanocuración

  Fibras diminutas que salvan vidas  deteniendo el sangrado y ayudando a la recuperación de lesiones cerebrales.
  Por Kevin Bullis
  En la sala de descanso próxima a su      laboratorio en el flamante nuevo edificio  del MIT, el científico investigador Rutledge Ellis-Behnke ofrece una  improvisada narración para un video en el que él mismo realiza una cirugía. En  él, Ellis-Behnke practica un corte profundo en el hígado de una rata, rebanando  intencionalmente la arteria principal. Con cada pulsación del hígado por la  presión desde el corazón, la sangre sale a chorros de la herida. Entonces, el  científico cubre la lesión con un líquido transparente y el sangrado se  interrumpe casi instantáneamente. Sin tratamiento, la herida habría sido fatal,  pero esta rata sobrevivió.
  El líquido utilizado es un material  novedoso, hecho de fragmentos proteicos o péptidos a nanoescala. Su capacidad  de detener el sangrado podría llegar a ser invaluable en las cirugías, en el  sitio de un accidente o en el campo de batalla. Bajo condiciones como las que  imperan en el interior del cuerpo, los péptidos se autoensamblan, formando una  malla fibrosa que, a simple vista, parece un gel transparente. Más notable  todavía es que el material es capaz de crear un ambiente que acelera la  curación de tejido cerebral y medular dañado.

En un principio, Ellis-Behnke quiso usar  el material para sanar este tipo de lesiones. Fue en el curso de dichos  experimentos que descubrió la capacidad del gel para interrumpir el sangrado.  El material presenta varias ventajas, comparado con los métodos actuales. Su  acción es más rápida que la cauterización y no daña el tejido. Podría proteger  las heridas del aire y proporcionar aminoácidos, que son los ladrillos para la  construcción de nuevas células, acelerando aún más la curación. Además, en  pocas semanas, el cuerpo destruye los péptidos, de tal manera que no hay que  retirarlos de la herida, a diferencia de otros agentes que detienen el  sangrado. El material sintético también tiene una larga vida en almacenamiento,  lo cual lo haría particularmente útil en los kits de primeros auxilios.

Las primeras aplicaciones del material  serán, probablemente, en la sala de cirugías. Y puesto que es transparente, los  cirujanos podrán aplicar una capa y operar a través de ella. Se espera así que  las intervenciones quirúrgicas se agilicen, y se reduzcan las complicaciones.  El material también posibilitaría la ejecución de más procedimientos en forma  mínimamente invasiva, permitiendo al cirujano detener rápidamente el sangrado  provocado por el avance de un endoscopio.
  Aunque las investigaciones se hallan en  etapa preliminar, Ellis-Behnke cree que, si todo sale bien, el material podría  estar aprobado para su uso en humanos en un lapso de tres a cinco años. Él y  sus colegas continúan explorando las capacidades regenerativas del material en  las fibras nerviosas. Asimismo, buscan nuevas formas de incrementar la tasa de  crecimiento neuronal, a fin de que los doctores puedan intervenir lesiones  mayores, como las resultantes de una apoplejía. Pero para realizar un  tratamiento de estas características en humanos, todavía tendrán que pasar  entre cinco y diez años.

5 - Realidad aumentada

  Markus Kähäri quiere superponer la  información digital en el mundo real.

Por Erika Jonietz
  Tratar de orientarse en una ciudad     desconocida puede ser exasperante: hay que  hacer malabares con mapas y guías turísticas, tratar de imaginar dónde estamos  cuando no hay señales que nos instruyan, hablar con los lugareños que se  esfuerzan porque entendamos sus referencias locales. Si usted está conduciendo,  es posible que un auto con sistema GPS le facilite las cosas, pero en todo caso  no le ayudará a decidir cuál restaurante se ajustaría más a su paladar y su  presupuesto. Los ingenieros del Centro de Investigación Nokia, en Helsinki,  Finlandia, aspiran a que su proyecto, bautizado “Aplicaciones de la realidad  móvil aumentada”, nos ayude a llegar adonde queremos ir y saber qué hacer una  vez lo consigamos.

En octubre del año pasado, el equipo  dirigido por Markus Kähäri reveló un prototipo del sistema durante el Simposio  sobre Realidades Aumentada y Mixta. El equipo le añadió un sensor GPS, brújula  y acelerómetros a un teléfono inteligente Nokia. Con los datos obtenidos de  estos sensores, el móvil puede calcular la localización de casi cualquier  objeto al que esté dirigida su cámara. Cada vez que el teléfono cambia de  ubicación, recupera de una base de datos externa los nombres y coordenadas  geográficas de los hitos próximos. Luego, el usuario puede entonces descargar  información adicional de internet: por ejemplo, nombres de los negocios del  Edificio Empire State, costo de las visitas a sus observatorios, horarios y  menús de sus cinco restaurantes.
  El proyecto de Nokia está fundamentado en  más de una década de investigación académica en torno a la realidad móvil  aumentada. Steven Feiner, director del Laboratorio de Gráficas Computarizadas e  Interfaz de Usuario de la Universidad de Columbia y uno de los investigadores  pioneros en el campo, encuentra el proyecto de Nokia muy alentador. “El eslabón  ausente cuando yo empecé era un computador pequeño. Los celulares de hoy son  esos minicomputadores que faltaban”.

No obstante la disponibilidad y el  relativo bajo costo de los sensores utilizados por el grupo investigador de  Nokia, algunos ingenieros creen que el teléfono se volvería demasiado complejo  para ser comercial. “En mi opinión, se trata de un equipo muy exótico”, comenta  Valentín Lefevre, director de tecnología y cofundador de la compañía francesa  de realidad aumentada Total Immersion. “Por eso creemos que la solución sería  el análisis de imágenes”. Dependiendo únicamente del software, el sistema de  Total Immersion comienza con una sola imagen estática de cualquier objeto al  que se dirija la cámara, más un tosco modelo digital del mismo; luego, con  algoritmos de reconocimiento de imágenes, se determina cuáles datos se deben  superponer a la imagen. La compañía ya está comercializando una versión móvil  de su sistema a operadores de celulares en Asia y Europa, y espera que las  primeras aplicaciones se den en los campos de los juegos y la publicidad.

Los investigadores de Nokia también han  iniciado labores alrededor de los algoritmos para el reconocimiento de imágenes  en tiempo real, y esperan con esto eliminar la necesidad de sensores  localizadores además de mejorar la precisión y confiabilidad de su sistema.
  En  lo que todas las partes concuerdan es en que la realidad aumentada está  prácticamente lista para salir al mercado. “Para aplicaciones de telefonía  móvil, la tecnología ya está aquí”, dice Feiner. Uno de los retos que habrá que  enfrentar será convencer a los grandes carriers o portadores como Sprint o  Verizon que los clientes pagarían gustosamente por estos servicios. El operador  que primero se decida por esta tecnología ganará una gran ventaja sobre los  demás.

6 - Revolución invisible

  Las telecomunicaciones, el almacenamiento  de datos y hasta la energía solar podrían transformarse gracias a los  metamateriales artificialmente estructurados

Por Philip Ball
  El anuncio hecho el pasado noviembre  acerca de un “escudo de invisibilidad”, creado por David R. Smith, de la  Universidad Duke, y sus colegas, recordó inevitablemente a los medios al hombre  invisible de H. G. Wells y a los romulanos de “Viaje a las estrellas”.  Utilizando anillos de tableros de circuitos impresos, los investigadores  ingeniaron una forma de desviar microondas alrededor de una especie de “agujero  en el espacio”; aún cuando se colocara un cilindro metálico en el centro, las  microondas se comportaban como si no hubiera nada allí.
  Esta ha sido la demostración más  fehaciente de lo que se puede conseguir con los metamateriales, compuestos de  patrones ordenados, cuyas propiedades difieren de las de sus constituyentes.  Tales estructuras pueden manipular la radiación electromagnética, la luz  inclusive, en formas no observadas fácilmente en la naturaleza. Por ejemplo,  los cristales fotónicos, ordenados en patrones precisos de bloques  microscópicos idénticos, separados por vacíos, pueden reflejar o hasta inhibir  la propagación de determinadas ondas de luz; los montajes de pequeños circuitos  alámbricos, como los utilizados por Smith en su escudo de invisibilidad, son  capaces de doblar la luz de maneras extrañas.

Pero, ¿de verdad podríamos usar esos  materiales para hacer que los objetos desaparecieran? Philip Ball conversó con  Smith, quien explica por qué los metamateriales están cambiando literalmente  nuestra visión del mundo.
  A la pregunta de por qué los  metamateriales pueden volver las cosas invisibles, el investigador respondió:  “El proceso es algo complicado pero fácil de visualizar. Imagínese una tela  formada de hilos entretejidos, en la que la luz es obligada a viajar a lo largo  de los hilos. Si usted toma un alfiler y lo introduce a través de la tela, los  hilos se distorsionan, haciendo un agujero en la tela. La luz, forzada a seguir  a los hilos, se va alrededor del hoyo. John Pendry, del Colegio Imperial de  Londres, calculó lo que se requeriría de un metamaterial para que lograra  exactamente esto. Las ondas se transmiten alrededor del agujero y se combinan  al otro lado. Así, uno puede colocar un objeto dentro del orificio y las ondas  no lo “verán”; es como si atravesaran una región de espacio vacío”.
  En realidad, se trata de un enfoque  completamente nuevo de la óptica. Hay una gran libertad para el diseño y, como  suele ocurrir con cualquier tecnología nueva, tal vez aún no se han pensado sus  mejores usos.

7 - Imágenes digitales reimaginadas

Richard Baraniuk y Kevin Kelly creen que  la compresión de datos servirá para que dispositivos como las cámaras y los  escáneres médicos capturen imágenes con mayor eficiencia.

Por Kate Greene
  Richard Baraniuk y Kevin Kelly comparten  una nueva visión de la imaginería digital: ambos creen que mediante la  renovación de hardware y software sería posible hacer cámaras más pequeñas y  rápidas, capaces de tomar fotografías con una increíble alta resolución.
  Las cámaras digitales actuales imitan a  las de película, lo que las hace muy ineficientes. Cuando una cámara de cuatro  megapíxeles toma una foto, cada uno de sus cuatro millones de sensores  caracteriza la luz golpeándola con un solo número; en conjunto, los números  describen una imagen. Luego, el computador incorporado la comprime, arrojando  fuera la mayoría de esos números. En el proceso, la batería del artefacto se  agota innecesariamente.
  Baraniuk y Kelly, ambos profesores de  ingeniería informática y eléctrica, desarrollaron una cámara que no necesita  comprimir las imágenes sino que, en cambio, usa un solo sensor que recoge  apenas la información justa y permite que un novedoso algoritmo reconstruya una  imagen de alta resolución.
  Esta cámara se basa en una nueva técnica  llamada compressive sensing o de compresión de datos. Sólo requiere un pequeño  porcentaje de los datos que las cámaras actuales deben recoger para construir  una imagen similar. El algoritmo de Baraniuk y Kelly convierte la información  visual en un puñado de números que luego inserta al azar en una parrilla  gigante. Los números son los justos para permitir que el algoritmo llene los  espacios en blanco, tal como lo hacemos cuando resolvemos un rompecabezas sudoku.  Cuando el computador lo resuelve, ha recreado ya la imagen completa a partir de  información incompleta.
  Kelly sospecha que las primeras  aplicaciones prácticas se verán en un par de años, en sistemas de resonancia  magnética que capturarán las imágenes diez veces más rápido que los escáneres  actuales. En cinco a diez años, la tecnología podría avanzar hasta los  productos de consumo, permitiendo que minúsculas cámaras incorporadas en los  teléfonos móviles produzcan imágenes de alta calidad, tamaño afiche. A medida  que nuestro mundo se digitaliza cada día más, la compresión de datos mejorará  casi cualquier sistema, proveyendo una forma elegante y eficiente de conseguir  imágenes.

8 - Monitores médicos personalizados

John Guttag dice que el uso de computadores  para automatizar algunos diagnósticos personalizaría más la medicina.

Por Jennifer Chu
  Para John Guttag, quien en el año 2000  era director del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencia Informática del  MIT, “el área de la salud parecía tener una tremenda necesidad de nuestra  experticia”.
El desafío más próximo consiste, según  Guttag, en analizar las enormes cantidades de datos generados por los exámenes  clínicos. Los médicos de hoy son bombardeados constantemente con información  fisiológica, como las lecturas de temperatura y presión sanguínea, escáneres de  resonancia magnética, electrocardiogramas y Rayos X, por ejemplo. El software  percibiría rápidamente patrones que de otro modo permanecerían ocultos,  ayudando a hacer de la medicina una práctica  más precisa y personalizada.

En el Hospital Infantil de Boston, Guttag  y el estudiante de posgrado Ali Shoeb diseñaron unos detectores personalizados  de ataques epilépticos. En 2004, el equipo examinó los registros de ondas  cerebrales de más de 30 niños pacientes del mal, antes, durante y después de  los ataques, y utilizó los datos para entrenar un “algoritmo de clasificación”  para distinguir entre formas de onda de ataque y no ataque. Con la ayuda del  algoritmo, los investigadores identificaron patrones específicos para cada  paciente.

Actualmente, el equipo está en busca de  una manera de hacer que dicha información sea útil para los mismos epilépticos.  Hoy, muchos pacientes controlan sus accesos con un implante que estimula el  nervio vago. Guttag se encuentra diseñando un sensor no invasivo manejado por  software, programado para medir las ondas cerebrales del usuario y determinar  cuáles son los patrones individuales específicos que se presentan al comenzar  un episodio. Una vez detectados los patrones, un dispositivo puede activar  automáticamente un implante, interrumpiendo así el ataque desde su inicio.
  Guttag está probando su sensor, que  básicamente consiste en un gorro de baño con electrodos, en un puñado de  pacientes del Centro Médico Beth Israel Deaconess. Este sensor también podría  ser útil para personas sin implantes, pues les podría advertir que deben  sentarse, parquear el automóvil o buscar un lugar seguro antes del comienzo de  un ataque. “Una advertencia a tiempo es capaz de cambiar la vida. A lo que más  le teme la gente es a los efectos colaterales”.
  Ahora, Guttag concentra su atención en  los patrones cardíacos. Al igual que la del cerebro, la actividad del corazón  está gobernada por señales eléctricas, por lo que la transición a la  cardiología es algo natural.

Guttag se siente bien encaminado hacia la  integración de la informática y los diagnósticos médicos. “Aunque la gente  reacciona en formas diversas cuando se le dice que los computadores tomarán las  decisiones, estamos en un punto de la historia en que estos aparatos conducen  nuestros aviones. Entonces, debemos ser optimistas”.

9 - Un nuevo enfoque de la luz

  Kenneth Crozier y Federico Capasso  crearon antenas ópticas que enfocan la luz, invento que podría dar lugar a DVD  capaces de almacenar cientos de películas.

Por Katherine Bourzac
  Los investigadores que se esfuerzan por  hacer DVD de mayor capacidad, chips de computador más potentes y microscopios  ópticos de más alta resolución, se han enfrentado durante años al obstáculo del  “límite de difracción”. Las leyes de la física dictan que las lentes usadas  para dirigir los rayos de luz no los pueden enfocar en un punto cuyo diámetro  sea menor que la mitad de la longitud de onda de la luz. Los físicos han  conseguido obviar el límite de difracción en el laboratorio, pero los sistemas  diseñados han sido demasiado frágiles y complicados. Ahora, un grupo de  ingenieros eléctricos de la Universidad de Harvard, con Kenneth Crozier y  Federico Capasso a la cabeza, han descubierto un proceso sencillo que podría  ofrecer los beneficios de los rayos de luz estrechamente enfocados a  aplicaciones comerciales. Al añadir “nanoantenas ópticas” a un láser  comercialmente disponible, Crozier y Capasso lograron enfocar luz infrarroja en  un punto de apenas 40 nanómetros de ancho, es decir, un veinteavo de la  longitud de onda de la luz. Estas nanoantenas permitirán en el futuro la  producción de discos similares a los DVD, con capacidad de almacenar 3,6  terabytes de datos (el equivalente a más de 750 DVD de hoy, que almacenan 4,7  gigabytes cada uno).

Crozier y Capasso construyen su  dispositivo depositando primero una capa aislante en el extremo emisor de luz  del láser. Luego, agregan una capa de oro, la que esculpen y retiran en su  mayoría, dejando apenas un par de rectángulos de 130 por 50 nanómetros, con un  espacio de 30 nanómetros entre los dos.
  Los rectángulos forman una antena. Cuando  la luz del láser los golpea, la antena experimenta lo que Capasso denomina un  “efecto de pararrayos”: en el espacio vacío se genera un intenso campo  eléctrico, que concentra la luz del láser en un punto del mismo ancho del  vacío.
  “La antena no impone restricciones de  diseño al láser”, expresa Capasso, pues puede ser accesoria a láseres  semiconductores comunes, de los que se utilizan comúnmente en lectores de CD.  El equipo ha demostrado la viabilidad de las antenas con diversos tipos de  láser, donde cada uno produce una longitud de onda diferente. Los  investigadores han discutido la tecnología con compañías fabricantes de  dispositivos almacenadores, como Seagate y Hitachi Global Storage Technologies.

Otra aplicación sería en el campo de la  fotolitografía, de acuerdo con Gordon Kino, profesor emérito de ingeniería  eléctrica en la Universidad de Stanford. Este es el método típico para hacer  los chips de silicio, pero los láseres que esculpen rasgos cada vez más  pequeños en el silicio también sufren la restricción del límite de difracción.  La litografía de haz electrónico requiere una máquina grande que cuesta  millones de dólares y es demasiado lenta para la producción en masa. “En  cambio, esto es mucho más sencillo”, afirma Kino, refiriéndose a la técnica de  Crozier y Capasso, que, se basa en un láser que cuesta sólo unos US$50.

Las antenas ópticas de Capasso y Crozier  podrían llegar a tener un gran alcance e implicaciones impredecibles, desde el  almacenamiento óptico superdenso hasta microscopios ópticos de altísima  resolución. Si los ingenieros logran superar el límite de difracción de una  manera sencilla y barata, las aplicaciones que dependen de la luz serán mucho  más brillantes.

10 - Análisis de células individuales

  Norman Dovichi cree que la detección de  diferencias minúsculas entre células mejoraría las pruebas y tratamientos  médicos.

Por Jon Cohen
  Todos sabemos que concentrarnos en las características  de un grupo puede ocultar las diferencias entre sus integrantes. Pero cuando se  trata de células biológicas, por lo general, los científicos extraen  información sobre su conducta, estado y salud de la actividad colectiva de  miles o millones de ellas. El entendimiento más preciso de las diferencias  entre células individuales podría conducir a mejores tratamientos para el  cáncer y la diabetes, por citar un par de ejemplos.
Las décadas anteriores han atestiguado la  llegada de métodos que permiten vistas asombrosamente detalladas de células  separadas, cada una de las cuales es capaz de producir miles de proteínas,  lípidos, hormonas y metabolitos. Pero la mayoría de estos métodos se topan con  un fuerte obstáculo: su dependencia en los “reactivos de afinidad”, tales como  los anticuerpos que se adhieren a proteínas específicas. En consecuencia, los  investigadores sólo pueden usarlos para estudiar lo que se sabe que existe. “Lo  inesperado es invisible” comenta Norman Dovichi, químico analítico de la Universidad  de Washington, Seattle, y la mayoría de las células están rellenas de  componentes misteriosos. Por tal razón, Dovichi ha sido pionero en el  desarrollo de técnicas ultrasensibles para aislar células y revelar moléculas  en su interior que nadie sabía que estuvieran ahí.

El laboratorio de Dovichi (uno entre un  creciente número de grupos que se enfocan en las células individuales) ha  tenido un notable éxito identificando diferencias en las cantidades de docenas  de proteínas distintas, producidas por células cancerosas individuales. “Diez  años atrás, habría creído imposible hacer esto”, sostiene Robert Kennedy,  químico analítico de la Universidad de Michigan, Ann Arbor, que analiza la  secreción de insulina de células individuales para descubrir las causas del  tipo más común de diabetes.

Y Dovichi expone una hipótesis  provocadora: según él, a medida que el cáncer progresa, células del mismo tipo  se van distanciando cada vez más en su contenido proteico. Si esto llegara a  confirmarse, entonces, las diferencias grandes entre células indicarían la  presencia de una enfermedad con mayores probabilidades de extenderse.  Actualmente, con base en esta idea, Dovichi trabaja con clínicos en el  desarrollo de un mejor pronóstico para los cánceres esofágico y de mama. En  última instancia, dichas pruebas podrían ayudar a los médicos a decidir  rápidamente el tratamiento más apropiado, fundamental a la hora de derrotar  muchos cánceres.

Dovichi contribuyó al desarrollo de los  secuenciadores de ADN basados en láser, que se convirtieron en el fundamento  del Proyecto Genoma Humano, y sus nuevos analizadores se apoyan en la misma  tecnología para examinar células individuales en busca de componentes mucho más  difíciles de detectar que el ADN: proteínas, lípidos y carbohidratos.

En el caso de las proteínas, las máquinas  combinan los reactivos con una célula única en el interior de un tubo capilar  ultrafino.
  Una reacción química hace que la lisina,  aminoácido que aparece con frecuencia en las proteínas, se vuelva fluorescente.  Las proteínas, aguijoneadas por una carga eléctrica, migran fuera del tubo a  velocidades diferentes, dependiendo de su tamaño. Por último, un detector láser  registra la intensidad de la fluorescencia, lo que conduce a una gráfica que  muestra las diversas cantidades de las proteínas de diferentes tamaños que se  encuentran en el interior de la célula.

El químico se muestra entusiasmado con  las posibilidades de la biología unicelular, pero no desconoce las  limitaciones. En este momento, los análisis exigen mucho tiempo y esfuerzo.  “Aún estamos en las etapas iniciales, pero esperamos que en unos 10, 20 o 30  años la gente mire atrás y entienda la importancia de estos pasos  preliminares”.