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El profesor de Ingeniería de Sistemas de Uninorte hizo parte del proyecto que busca entender el comportamiento del microbioma de los seres humanos durante estancias largas en el espacio. Su especialidad es traducir la cantidad de datos recopilada en formas que le permita a los científicos encontrar correlaciones.

En 2016, dos investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad de Washington en Seattle se dieron a la tarea de usar un algoritmo que reconoce datos visuales para buscar, analizar y clasificar gráficos en 650 000 artículos científicos de la base de datos en línea de PubMed Central, que alberga escritos principalmente de ciencias biológicas y biomedicina. El interesante esfuerzo reveló por primera vez que las gráficas juegan un papel importante en el proceso científico, mucho más del crédito que se les da. Y encontró una correlación significativa entre el impacto científico y el uso de información visual, donde los documentos de mayor impacto tienden a incluir más diagramas. Es decir, aplicado a un artículo de revista indexada, el concepto de que “una imagen/gráfica vale más que mil palabras”, adquiere una dimensión especialmente crucial.

Pero esto no es nada nuevo para el profesor de Ingeniería de Sistemas de Uninorte, Eduardo Zurek, quien se ha tomado muy en serio el enorme reto de aplicar algoritmos para explicar en gráficas la ciencia que aparece en los artículos de las revistas especializadas. “Esa es mi labor como ingeniero de sistemas. No puedo opinar sobre la biología de un paper. Pero cuando hay que hacer análisis de datos y buscar diferencias entre grupos de muestras, ahí es donde está mi contribución”.

Una contribución que literalmente lo puso en órbita: el año pasado su nombre figuró en un estudio publicado en Scientific Reports, del grupo de revistas online de Nature, acerca de los cambios que suceden en el microbioma de los astronautas en vuelos espaciales de larga duración. El artículo, titulado Study of the impact of long-duration space missions at the International Space Station on the astronaut microbiome, hizo parte de una colección especial sobre biología gravitacional y medicina en el espacio.

El proyecto, dirigido por el biólogo Hernán A. Lorenzi, del J. Craig Venter Institute, busca determinar cómo cambia la composición de la comunidad de bacterias, hongos y virus que nos habitan cuando nos vamos a vivir al espacio por más de seis meses, y cómo esos cambios afectan a su vez la salud de los astronautas.

Eduardo Zurek profesor del Departamento de Ingeniería de SistemasEduardo Zurek profesor del Departamento de Ingeniería de Sistemas

Y es que cada ser humano es, básicamente, una colonia con patas: nuestra piel, intestinos, pulmones, mucosas y fluidos son un mero andamio para dar cabida a los trillones de seres diminutos que componen lo que los expertos llaman el microbioma. Especialmente complejo es el universo de microbios que habitan el tracto gastrointestinal, que, a pesar de su nombre, comienza en la boca. Desde hace una década se ha sabido que todo lo que pase o deje de pasar en el microbioma afecta la digestión, el metabolismo y la respuesta del sistema inmunológico de su anfitrión; últimamente también se descubrió que alterarlo produce cambios en los huesos, músculos y hasta el cerebro; hay estudios que enlazan el mal de Alzheimer, el Párkinson, el autismo y hasta la esquizofrenia con el microbioma.

Al doctor Lorenzi le interesa, específicamente, la ciencia básica de nuestros microbios huéspedes y su relación con el sistema inmune. Estudiarlos en el espacio es interesante porque, además de la microgravedad, hay un montón de variables que pueden influenciar el microbioma de un ser humano en órbita, como, por ejemplo, el aumento de radiación, cambios en los ritmos circadianos, menor tiempo de sueño, filtración constante del aire, el estrés de vivir en una nave cerrada y una dieta diferente.

Por Ángela Posada-Swafford
Asesora editorial de Intellecta
angelapswafford@gmail.com

El proyecto, dirigido por el biólogo molecular Hernán A. Lorenzi, del J. Craig Venter Institute, busca determinar cómo cambia la composición de la comunidad de bacterias, hongos y virus que nos habitan cuando nos vamos a vivir al espacio por más de seis meses, y cómo esos cambios afectan a su vez la salud de los astronautas.

Esa es mi labor como ingeniero de sistemas. No puedo opinar sobre la biología de un paper. Pero cuando hay que hacer análisis de datos y buscar diferencias entre grupos de muestras, ahí es donde está mi contribución”

9 conejillos de indias en órbita

“Lo que nosotros hicimos fue reclutar a nueve astronautas que iban a permanecer en la Estación Espacial Internacional, por lo menos de seis meses a un año, y les pedimos colectar muestras de diferentes comunidades microbianas en sus cuerpos, como el intestino, la piel, la nariz y la boca, en distintos momentos antes, durante y después de su misión”, explica Lorenzi. “La idea era comparar la composición de las comunidades microbianas colectadas en el espacio con las muestras tomadas antes de que los astronautas viajaran al espacio, y a su regreso a la Tierra”.

Lo que encontraron, continúa el científico, “es que, cuando ellos van al espacio, la composición del microbioma del intestino y de la piel cambian significativamente, comparada con la composición antes de dejar la Tierra. Y esos cambios ocurren bastante rápido: se registran dentro de los primeros 15 días de haber llegado a la Estación Espacial Internacional. Es interesante además que, una vez que se producen, permanecen bastante estables”.

En el intestino, según Lorenzi, observaron que la microbiota de todos los astronautas se volvió más similar y compleja, debido a que la abundancia de algunas especies de microbios se volvió más uniforme. “Por ejemplo, una flora intestinal que tenga cinco especies bacterianas en el intestino, y la abundancia de cada una es de 20 % del total, es mucho más compleja que una que tuviese las mismas cinco especies bacterianas, pero donde hay 96 % de una y 1 % de las otras cuatro. Este hallazgo es importante porque una mayor complejidad en el microbioma intestinal, por lo general, está asociada a un mejor estado de salud”.

Es lo mismo que sucede con la biodiversidad en cualquier ecosistema: una selva o una barrera coralina con más diversidad de animales y plantas es mucho más rica y eficiente que una desbalanceada. “En el caso del intestino, cuando baja la complejidad de la microbiota se abren nichos disponibles, lugares en las paredes intestinales que les permiten a las bacterias patogénicas oportunistas colonizar y establecer una infección más fácilmente. También muchas enfermedades metabólicas crónicas están asociadas con una caída en la complejidad de las poblaciones de este microbioma”.

Además, agrega Lorenzi, “varios de los cambios que observamos tuvieron lugar en ciertas especies de bacterias que correlacionaban con cambios en la respuesta inmune registrados en los astronautas. Esto puede estar indicando, o bien que los cambios que vimos en el microbioma del intestino disparan o provocan algunos de los cambios en la respuesta inmune; o que hay un factor en común que afecta a las dos cosas: al sistema inmune y al microbioma”.

En cuanto a la piel en esos astronautas, el estudio halló asociaciones entre ciertos cambios en el microbioma de la epidermis y el aumento en la frecuencia de urticarias y salpullidos típicos de las reacciones alérgicas que experimentan los astronautas en el espacio. “Al mismo tiempo encontramos que hubo una reducción en la abundancia de una familia grande llamada Proteobacterias, que se piensa están asociadas con una función protectora contra la aparición de alergias y reacciones de hipersensibilidad en la piel. Por lo tanto, estos cambios en los microorganismos de la piel podrían ser una posible causa del incremento de urticarias asociados a los viajes espaciales”.

El reto de las gráficas
Si para el equipo de Lorenzi condensar esta información en palabras y números fue todo un proceso, para Eduardo Zurek convertirla en algoritmos que generaran gráficas, no lo fue menos. “En todos estos artículos, uno de los mayores retos (aparte de la comunicación de los temas de ciencia con los médicos y biólogos) es buscar las gráficas adecuadas, porque generalmente se crean muchísimas de ellas, ya que uno empieza a correr los algoritmos para todos los pasos posibles”, dice el profesor del Departamento de Ingeniería de Sistemas, que obtuvo un doctorado en esta disciplina en la Universidad del Sur de la Florida.

La conexión de Zurek con el investigador del J. Craig Venter Institute comenzó a raíz de un proyecto del doctor Homero San Juan, de Uninorte, sobre el análisis de la microbiota intestinal que generó el primero de tres artículos en Scientific Reports publicados entre 2018 y 2019, en los cuales Zurek ha estado involucrado ver aquí artículo. “Con el doctor San Juan hicimos el proceso de aprender todas las técnicas para análisis de ese tipo de datos. A raíz de eso se fueron presentando otras oportunidades. La siguiente fue con el doctor Emiro Buendía de la Universidad de Cartagena (en ese entonces estudiaba su doctorado), y su tesis también se publicó en Scientific Reports ver aquí artículo.

“Ese estudio del doctor San Juan tenía recursos para una pasantía en el extranjero y yo me fui dos meses en 2016 al Craig Venter Institute en Rockville, donde estuve interactuando con el doctor Lorenzi. Aprendí cómo ellos hacían las cosas y, al final, cuando ellos estaban analizando unos datos del estudio de la NASA, él me decía ‘necesitamos ver en este conjunto de datos qué puedes encontrar, qué pruebas se pueden aplicar’, etc., y yo iba dando mis contribuciones. El paper salió un par de años después de yo regresar de Estados Unidos”.

Revisando las gráficas del estudio a cuatro manos durante una llamada, Zurek me explica algunos detalles de las visualizaciones. “La finalidad de este gráfico, por ejemplo, era saber si las bacterias se agrupaban por el lugar donde se tomó la muestra, o si había diferencias entre un astronauta o grupo de astronautas con respecto a los otros. En cosas como estas era donde yo contribuía: elaborar las figuras y encontrar las diferencias. Esta es una técnica de análisis de datos en general, pero aquí en este estudio tiene una aplicación bastante particular por la naturaleza de los datos, donde se tiene un número pequeño de muestra (los astronautas) y un número grande de variables dentro de cada astronauta, es decir, de bacterias”.

Lo que se hace, continúa, “es lo que llamamos una reducción de dimensionalidad: una técnica que permite reducir desde muchas dimensiones a un número que uno considere para ver mejor los datos. En microbiota se tienen muchas dimensiones porque cada persona tiene montones de bacterias en su organismo. Cada bacteria, entonces, es una dimensión”.

Al final de cuentas, dice Zurek, lo que se busca es ver cómo representar ese conjunto de datos de una forma más simplificada.

“La colaboración con Eduardo Zurek fue muy buena, porque él escribió varias herramientas que fueron sumamente útiles para analizar los datos”, dice Lorenzi. “Fue una ayuda muy grande, y siempre estoy pensando en más proyectos que podamos hacer en común. Además, siempre trato de formar gente en el campo de la bioinformática, porque ahora se está implementando muchísimo”.

En este momento, Lorenzi sigue adelante con el estudio de la microbiota en el intestino, incluyendo el componente de la dieta: el trabajo con un grupo de personas sometidas a un simulador de vuelos espaciales de larga duración en la NASA llamado Human Exploration Research Analog, HERA, está demostrando que “una dieta enriquecida en vegetales y frutas ayuda a los sujetos del estudio a lidiar mejor con el estrés, los cambios que este puede producir en el microbioma, y potencialmente también en el sistema inmune. Y el mismo estudio lo estamos haciendo ahora, pero con astronautas en el espacio, aunque aún no tenemos datos concluyentes”.

Seguramente que cuando esos datos se conviertan en algoritmos y luego en gráficos, darán a los investigadores muchas cosas nuevas en qué pensar. Y en un futuro cercano, gracias a trabajos como el del MIT y la Universidad de Washington, la ciencia de la información visual les permitirá a los investigadores escribir un tema y obtener una gran gama de diagramas y fotografías relacionadas a este. En otras palabras, será como permitirles hojear la literatura científica con un nivel de abstracción distinto que les ayude a pensar en la ciencia de otra manera.

El análisis de datos y los algoritmos del profesor de ingeniería de sistemas Eduardo Zurek contribuyeron a las gráficas que forman parte de un nuevo artículo en Scientific Reports, de Nature, acerca del microbioma de los astronautas durante vuelos de larga duración.


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