Estamos en el umbral de un nuevo amanecer en la industria farmacéutica, una revolución impulsada por décadas de investigación financiada con fondos públicos y las tecnologías más avanzadas de la actualidad. La inteligencia artificial (IA) ofrece la esperanza de desarrollar medicamentos contra algunas de las enfermedades más devastadoras que afectan a la humanidad, desde el cáncer y la diabetes hasta la enfermedad de Alzheimer. En el centro de estas enfermedades a menudo se encuentran las proteínas, actores moleculares clave cuyo comportamiento defectuoso puede tener consecuencias catastróficas para la salud humana.

Si imaginamos nuestro cuerpo como una orquesta perfectamente coordinada, las proteínas son sus directoras. En forma de hormonas, gestionan procesos fundamentales como el crecimiento, el metabolismo y la reproducción. Como enzimas, dictan el ritmo de las reacciones químicas necesarias para la digestión o la replicación del ADN. En el papel de anticuerpos, lideran nuestro sistema inmunológico en la lucha contra los patógenos. En sus muchas otras formas, deciden la vida y la muerte de cada célula. Pero cuando estas magistrales máquinas moleculares fallan, ya sea en su estructura o en su función, la armonía se rompe y surge la enfermedad.

Las posibilidades de convertir las proteínas en medicamentos

La idea de usar proteínas como medicamentos no es nueva. Las aplicamos cuando el cuerpo no produce una determinada proteína en cantidad suficiente o cuando esa proteína no funciona correctamente. El ejemplo más obvio es la insulina, una hormona proteica que regula el metabolismo del azúcar. En las personas con diabetes tipo 1, el cuerpo no produce suficiente insulina, por lo que deben administrarla externamente para controlar sus niveles de glucosa en sangre. La insulina es uno de los primeros triunfos de la bioingeniería, pero la gama actual de medicamentos basados en proteínas es mucho más amplia y sofisticada.

Además de la insulina, en la medicina moderna se utilizan otros medicamentos basados en proteínas. Los populares medicamentos para adelgazar, como Ozempic y Wegovy, se basan en agonistas del receptor de GLP-1, que también son de naturaleza proteica. En oncología, los tratamientos con anticuerpos, como Herceptin para ciertos tipos de cáncer de mama, se dirigen a proteínas específicas en la superficie de las células tumorales, marcándolas para su destrucción por parte del sistema inmunológico. El potencial es enorme, pero los métodos tradicionales para descubrir y modificar las proteínas existentes tienen sus limitaciones. Aquí es donde entra en escena la inteligencia artificial.

¿Cómo crea la inteligencia artificial las proteínas del futuro?

El verdadero avance se produce cuando comenzamos a diseñar proteínas completamente desde cero, liberados de las ataduras de lo que ya existe en la naturaleza. "Si diseñas proteínas completamente desde el principio, ya no estás limitado a las proteínas que ya existen. Podemos construir proteínas con propiedades completamente nuevas, y eso podría ser increíblemente poderoso para resolver los desafíos que enfrentamos en la medicina", explica la Dra. Tanja Kortemme, profesora de bioingeniería en la Universidad de California en San Francisco (UCSF) y vicedecana de investigación de la Facultad de Farmacia de la UCSF. Su laboratorio creó recientemente las primeras proteínas sintéticas del mundo que pueden cambiar de forma, imitando la naturaleza dinámica de las proteínas naturales.

El proceso puede compararse con el funcionamiento de modelos de IA populares como ChatGPT, pero en lugar de texto, estos modelos "piensan" en tres dimensiones. La IA se entrena con enormes bases de datos que contienen las estructuras tridimensionales precisas de cientos de miles de proteínas conocidas. Una vez que la IA aprende el "lenguaje" de las estructuras de las proteínas (dónde se posiciona cada átomo y cómo se pliega la proteína en el espacio), los científicos pueden asignarle una tarea. Por ejemplo, pueden solicitarle que genere una proteína completamente nueva que se una perfectamente a una proteína responsable de la propagación del cáncer y bloquee su función. Las posibilidades, como dice la Dra. Kortemme, son casi ilimitadas.

La base de la revolución: El poder de los datos y décadas de investigación

El éxito de estos avanzados modelos de IA no sería posible sin un recurso clave: el Banco de Datos de Proteínas (Protein Data Bank - PDB), global y de acceso público. Este increíble tesoro de conocimiento se ha ido acumulando durante décadas, gracias al esfuerzo de la comunidad científica mundial. Científicos de todo el mundo han depositado sus hallazgos sobre las estructuras de las proteínas en esta base de datos abierta para hacer avanzar la ciencia juntos. Es precisamente este monumental almacén de datos, que contiene más de 200.000 estructuras moleculares descritas en detalle, lo que ha permitido el desarrollo de herramientas de IA que hoy prometen una revolución.

Este proyecto de colaboración fue posible gracias a la financiación continua de fuentes públicas y federales, principalmente de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) en los EE. UU. El laboratorio de la Dra. Kortemme utiliza estos datos a gran escala para producir nuevas proteínas con funciones completamente nuevas, utilizando tanto los modelos de IA generativa existentes como desarrollando los suyos propios.

Del código digital al medicamento real: El viaje de una proteína

Una vez que un modelo de IA genera una estructura de proteína digital prometedora, sigue el paso crucial de traducir ese diseño en una molécula física real. Esto se logra gracias a la tecnología de síntesis de ADN y la tecnología de ADN recombinante. Los científicos pueden sintetizar un segmento de ADN que contiene la "receta" de la proteína deseada y luego insertar ese código genético en un organismo vivo, generalmente una bacteria o levadura. Estas células se convierten en fábricas en miniatura que producen la nueva proteína diseñada artificialmente en grandes cantidades.

Curiosamente, la UCSF fue una de las pioneras en el desarrollo de la tecnología de ADN recombinante, una innovación que sentó las bases de la biotecnología moderna y que hoy es clave para hacer realidad los diseños creados por la inteligencia artificial.

La UCSF como epicentro de innovación y multidisciplinariedad

La Universidad de California en San Francisco (UCSF) lleva más de veinte años a la vanguardia de las tecnologías de ingeniería de proteínas, modificando proteínas existentes para convertirlas en mejores medicamentos. Hoy en día, los grupos de investigación de la UCSF, liderados por estudiantes de posgrado e investigadores posdoctorales excepcionalmente innovadores, han desarrollado métodos computacionales avanzados, incluida la IA, para diseñar proteínas desde cero. Estudiantes con formación en informática, ingeniería o matemáticas acuden a la UCSF, atraídos no solo por los desafíos científicos sino también por el entorno único que ofrece la ciudad. Aunque encontrar alojamiento en San Francisco puede ser un desafío, las oportunidades académicas que se ofrecen lo superan con creces.

El secreto de tal éxito radica en la ciencia interdisciplinaria y la colaboración. La UCSF ofrece un entorno único donde convergen diferentes campos: informática, ingeniería, biología fundamental, ciencias biomédicas y desarrollo farmacéutico. Esta sinergia crea un terreno fértil para la innovación. Los estudiantes con sólidas habilidades cuantitativas están fascinados por los problemas biológicos y biomédicos que impulsan la investigación en la UCSF, y son ellos precisamente los impulsores clave del progreso. La reputación académica y las oportunidades de investigación hacen de la UCSF un imán para talentos de todo el mundo, que a menudo también buscan alojamiento en San Francisco para ser parte de este dinámico ecosistema.

¿Cuándo podemos esperar los primeros medicamentos diseñados por inteligencia artificial?

Aunque numerosas empresas ya utilizan métodos de IA como ayuda en el descubrimiento y la optimización de posibles medicamentos, en el mercado todavía no tenemos un medicamento que haya sido diseñado en su totalidad, de principio a fin, exclusivamente por inteligencia artificial. Sin embargo, estamos presenciando una verdadera explosión de esfuerzos en la industria biotecnológica dirigidos al desarrollo de proteínas generadas por IA con potencial terapéutico.

Los expertos son optimistas. "Espero que veamos un gran número de estas proteínas diseñadas entrando en desarrollo preclínico en los próximos cinco años, y luego, con suerte, en ensayos clínicos para ayudar realmente a la gente", predice la Dra. Kortemme. El camino desde el modelo informático hasta el paciente es largo y exigente, pero la velocidad con la que la IA acelera las fases iniciales del descubrimiento de fármacos da motivos para un gran optimismo. La revolución ya ha comenzado, y sus frutos podrían cambiar para siempre la forma en que tratamos las enfermedades más graves.

Fuente: University of California