Matemáticos descifran el enigma del ruido celular y allanan el camino para un mejor tratamiento del cáncer
Un equipo matemático ha resuelto cómo domar la variabilidad interna de las células que componen un tumor y que es responsable de que algunos tratamientos fallen. Controlar ese «ruido» podría evitar que una minoría de células tumorales sobreviva y reactive el cáncer.
Por Enrique Coperías
Imagen conceptual de unos científicos analizando cómo los modelos matemáticos permiten reducir el ruido celular, clave para mejorar la eficacia de los tratamientos contra el cáncer. Crédito: IA-DALL-E-©RexMolón Producciones
Casi desde que el biólogo Stéphane Leduc utilizara por primera vez el término biología sintética, los adeptos a esta disciplina científica han tratado de domar el caos microscópico que habita dentro de cada célula.
Ahora, una nueva propuesta matemática promete algo que parecía imposible: controlar no solo la media del comportamiento celular, esto es el valor promedio de cómo se comportan las células en conjunto, aunque individualmente actúen distinto, sino también su impredecible variabilidad celular.
El hallazgo, firmado por un grupo de investigadores coreanos, podría tener implicaciones directas en la lucha contra el cáncer, donde la supervivencia de una minoría de células tumorales rebeldes marca la diferencia entre la curación y la recaída.
Qué es el ruido celular y por qué importa
La vida, cuando se mira muy de cerca, es ruido. Incluso dos células genéticamente idénticas y expuestas al mismo entorno funcionan de forma desigual. Una produce más proteínas, otra se divide antes que las demás, alguna sobrevive a un fármaco y escapa de su acción... A esta variabilidad interna se la conoce como ruido celular, un fenómeno que para la biología molecular es una fuente de frustración, y para la evolución, una bendición: gracias a ese ruido existen las excepciones que permiten adaptarse al entorno.
Pero para la medicina de precisión —y para terapias contra el cáncer— el ruido es una amenaza. «Basta con que una célula tumoral escape al tratamiento para que el cáncer regrese», subrayan los autores del nuevo estudio publicado en Nature Communications. Entonces, ¿cómo garantizar que todas las células de una población respondan igual? No solo de media, sino una por una.
🗣️ «La importancia de este trabajo radica en llevar el ruido celular, que antes se consideraba simplemente fruto del azar o de la coincidencia en los fenómenos biológicos, al terreno de los factores controlables mediante diseño matemático», explica el profesor Jae Kyoung Kim, líder del equipo.
Que ninguna célula escape al tratamiento oncológico
Un equipo de matemáticos y biólogos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), en Corea del Sur, cree haber dado con una respuesta.
Su propuesta, un sistema teórico que han bautizado como noise controller o controlador de ruido, permite estabilizar el comportamiento celular incluso frente a perturbaciones, manteniendo de este modo no solo el valor medio de una proteína, sino también la variabilidad que esta presenta entre células individuales .
Suena muy técnico para los profanos, pero la promesa es enorme: reducir la probabilidad de que una célula escape al tratamiento. En cáncer, ese pequeño margen puede significar una vida más.
Cuando controlar la media no basta
El trabajo parte de una constatación incómoda. Hasta ahora, la herramienta más avanzada para estabilizar procesos celulares era el llamado retroalimentación integral antitética (AIF), una técnica de retroalimentación biológica que actúa como un termostato biológico y permite mantener niveles estables de moléculas esenciales frente a cambios externos.
Aplicado a una población de células, el sistema funciona a la perfección: si algo altera la producción de una proteína, el AIF la devuelve a su punto de set original. Pero el truco tiene un precio.
«Lo que estabilizas en promedio lo desestabilizas en cada célula individual», explica el artículo. El AIF controla la media, pero aumenta el ruido interno, como quien mantiene la temperatura de una habitación a base de encender y apagar la calefacción a lo loco: el promedio es cómodo, pero el vaivén constante resulta incómodo para quien está dentro .
Ese aumento del ruido es más que un inconveniente técnico. En oncología o en el control de infecciones resistentes, que el 99% de células responda bien no es suficiente. El enemigo es el 1%.
¿Y si el azar microscópico que gobierna nuestras células se pudiera controlar con ecuaciones? Matemáticos han encontrado la clave del ruido celular, una de las barreras invisibles que frenan la eficacia del tratamiento del cáncer. Sobre estas líneas, una paciente es preparada para una sesión de radioterapia. Cortesía: National Cancer Institute
El giro conceptual: medir el cuadrado
La solución desarrollada por el equipo coreano añade una pieza faltante. Si el AIF, rebautizado como mean controller, actúa sobre la media, el nuevo módulo, el noise controller, se ocupa de la segunda potencia del número de moléculas producidas, es decir, del cuadrado, una medida directamente relacionada con la varianza genética.
Dicho sin jerga matemática: el sistema escucha el ruido, detecta cuándo una desviación es demasiado grande y actúa para corregirla. Según las simulaciones, cuando ambos controladores trabajan juntos la célula vuelve al nivel original incluso tras perturbaciones fuertes, y lo hace sin aumentar la variabilidad interna .
«Esta investigación demuestra el poder del modelado matemático, que parte de fórmulas teóricas del ruido intracelular usando teoría de redes de reacción y conduce al diseño de mecanismos biológicos reales», destaca Jinsu Kim, coautor del estudio.
Es la primera vez que alguien propone un mecanismo matemático capaz de lograr a la vez adaptación perfecta en la media y en el ruido, lo que el artículo denomina adaptación perfecta resistente al ruido.
De la teoría a la medicina: qué pasa con el cáncer
Más allá de devolver el sistema a su estado original, los autores muestran que su controlador puede incluso reducir el ruido celular hasta un mínimo teórico. Y para probar si el controlador no es solo una curiosidad matemática, los investigadores lo aplicaron a un caso real: el sistema de reparación del ADN en la bacteria Escherichia coli.
«Este avance desempeñará un papel fundamental en campos que requieren un control celular preciso, como la superación de la resistencia al tratamiento del cáncer y el desarrollo de microorganismos inteligentes de alta eficiencia», subraya Jae Kyoung Kim.
Aquí el ruido celular importa más que en casi ningún sitio: si una célula no activa a tiempo el mecanismo reparador —y por tanto no expresa la proteína Ada, puede morir— mientras que otras sobreviven.
El ensayo con la proteína Ada de la bacteria E. coli
La proteína Ada es una enzima de reparación del ADN presente en la bacteria Escherichia coli. Ada detecta y repara daños químicos en el ADN causados por agentes tóxicos. Cuando aparece ese daño, una sola molécula de Ada puede activar un mecanismo de emergencia que hace que la célula produzca mucha más Ada para proteger su material genético. Si una célula no tiene Ada suficiente en el momento crítico, no activa la reparación y puede morir. O sea, Ada es una proteína clave que decide si una célula puede reparar su ADN o fracasa en el intento
Pues bien, las mediciones experimentales muestran que alrededor de un 20%-30% de las células no tienen suficiente Ada antes del daño, y por tanto fracasarán a la hora de intentar repararse.
Cuando el equipo simuló cómo funcionaría el sistema con los controladores matemáticos incorporados, el resultado fue drástico:
las células sin Ada bajaron del 27% al 1%, una reducción de veintisiete veces .
Bimodalidad: los dos mundos dentro de una célula
Otro obstáculo invisible en los sistemas biológicos es la bimodalidad, un fenómeno en el que una misma proteína aparece en dos estados diferenciados.
El trabajo abre una línea de investigación prometedora, pero sus autores son cautos. El controlador está formulado en términos matemáticos y simulaciones estocásticas, aunque su construcción en biología sintética parece factible, utilizando por ejemplo proteínas capaces de sentir dímeros moleculares y etiquetas de degradación específicas .
«Estamos un paso más cerca del control a nivel de célula única», concluyen los autores. ▪️
Información facilitada por el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea
Fuente: Lim, D., Moon, S., Song, Y. M. et al. Toward single-cell control: noise-robust perfect adaptation in biomolecular systems. Nature Communications. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67736-y
