Entrevista a Francisco Javier Medina

De ello es muy consciente el científico del Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas (CIB-CSIC) Francisco Javier Medina (Toledo, 1952), que diseñó el primer experimento europeo de biología de plantas en la incipiente Estación Espacial Internacional (EEI) hace 17 años . Lo hice junto a Roberto Marco, un pionero en este campo fallecido en 2008.

Fue el astronauta español Pedro Duque, actual Ministro de Ciencia e Innovación, el responsable de llevarlo a cabo en octubre de 2003 gracias a la Misión Cervantes. Aunque estaba previsto para unos meses antes, el proyecto se retrasó por el accidente del transbordador espacial Columbia el 1 de febrero de ese año en su reingreso en la atmósfera. Eso dio algo más de margen a Medina y Marco para completar sus experimentos.

“Fue un gran privilegio participar en la misión Cervantes 2003. Una de las contribuciones que España realizó el programa de la Estación Espacial Internacional fue este proyecto de biología de plantas —cuenta Pedro Duque a SINC—. El equipo del CIB aprovechó muy bien esta oportunidad para adquirir una experiencia valiosa en la preparación de experimentos biológicos en ingravidez lo que les ha valido para ser ahora consultas y colaborar con investigadores de EE UU ”.

Durante sus entrenamientos en la Ciudad de las Estrellas a las afueras de Moscú, el astronauta recibió en agosto de ese año la visita de los científicos que le dieron las instrucciones y el material para realizar los diferentes experimentos un total de 24 en diez días dentro del programa de la Agencia Espacial Europea (ESA).

Las muestras que trajo Pedro Duque de vuelta a la Tierra —en una caja que sostenía sobre su cabeza debido al espacio limitado de la nave rusa Soyuz— marcaron el inicio de la investigación de los cultivos de plantas para la exploración espacial .

Con estos primeros resultados, en una colaboración de la NASA y la ESA, Medina pr eparó con el científico estadounidense John Kiss el experimento que dio lugar en 2009 al proyecto Crecimiento de plántulas con el que ambos equipos acaban de recibir el premio Logro del Grupo de la NASA.

Este reconocimiento se une a la Medalla ELGRA , concedido al investigador español en el congreso de la Sociedad Europea de Investigación en Microgravedad, celebrado en Granada el pasado mes de septiembre.

Hablamos con Medina en su laboratorio, en Madrid.

Hacer crecer plantas fuera de la Tierra suena un poco a ciencia ficción …

Sí, de hecho, es algo que se plantea en la película Marte, que es buena desde el punto de vista científico. Para cultivar en un planeta como el marciano hay que proporcionar una réplica de la atmósfera terrestre y después, complementario los compuestos del suelo con otros, porque el suelo de Marte no es capaz de nutrir a la planta por sí solo. El protagonista de la película lo soluciona con excrementos o estiércol, como un agricultor.

Así que conseguiremos algún día plantar patatas, como Matt Damon, ¿no?

Por supuesto, o cualquier otro vegetal. Lo que necesita el ser humano para vivir en un planeta exterior es energía (la del Sol), agua (en los casquetes de la luna parece que hay hielo y de él se obtiene oxígeno, por lo que se puede obtener una réplica de la atmósfera respirable), un habitáculo donde vivir y alimento. Y eso las plantas lo dan, y de alta calidad, porque tienen vitaminas y otros elementos propios, además de oxígeno, humedad y la capacidad de eliminar el CO2. Las plantas son esenciales en el soporte vital para la exploración espacial del ser humano.

Una cosa que no tuvo en cuenta esta película fue la gravedad, y esto es parte de su investigación. ¿Qué importancia tiene este elemento en el desarrollo de las plantas?

Es uno de los desafíos más importantes de la exploración espacial. A la hora de ponerse en cultivar plantas en el espacio, hay que proporcionarlas de una serie de factores ambientales que pueden obtener in situ o proporcionar desde la Tierra. Pero hay un elemento que es insustituible: la gravedad que dirige su crecimiento. Crecen con la raíz hacia abajo y con el tallo y las hojas hacia arriba. Los conceptos “abajo” y “arriba” son gravitatorios. Sin ellos, les quitamos a las plantas un elemento esencial para su desarrollo. La gravedad es el único componente medioambiental que ha permanecido constante tanto en su existencia como en su magnitud desde la Tierra es la Tierra y la vida es la vida. En todo nuestro planeta hay gravedad 1 g, sin diferencias significativas entre los puntos y otros.

¿Cómo reaccionar las plantas ante la ausencia de gravedad o en una gravedad inferior a la tierra? [19659002] Las plantas pueden enfrentar muchos tipos de estrés, que pueden ser bióticos —causados ​​por otros seres vivos— o abióticos —en condiciones adversas motivadas por factores físicos o químicos medioambientales—. En la Tierra, la gravedad nunca es un estrés abiótico para ellas porque ha sido siempre constante, pero en el espacio sí. El problema principal es que los esquemas de orientación desaparecen.

¿Qué aspecto tienen esas plantas que crecen sin gravedad?

En las plántulas que crecen en la Estación Espacial Internacional, la profundidad y el tallo crecen en direcciones aleatorias, hacia donde quieren. La planta se desorienta completamente. Pones a un lado de la otra y cada una tiene el tallo y la raíz hacia los lados distintos.

Claro, sus puntos de referencia …

Eso es, no tienen ninguno. El punto de referencia que es el vector gravedad, que desencadena el gravitropismo (el movimiento orientado según la gravedad), desaparece.

¿Qué daños sufren en esta situación?

Eso fue lo que estudiamos en nuestro primer estudio espacial en la Misión Cervantes en los albores de la construcción de la Estación Espacial Internacional. Encontramos importantes alteraciones celulares. Como las plantas no se pueden escapar cuando las cosas vienen mal dadas, tienen que prever mecanismos de resistencia ante lo desconocido. Y uno de ellos es la existencia del llamado tejido meristemático, que les permite tener una reserva de células preparadas para especializarse en cualquier función. Durante toda su vida, una reserva de células indiferenciadas o totipotentes (que valen para cualquier cosa) en la punta de la raíz y en el tallo, que están automáticamente divididos y en un momento determinado pueden especializarse en lo que falta. Es un tejido muy importante …

Y lo que les permite sobrevivir, supongo …

Sí, en condiciones normales este tejido de células para el desarrollo y crecimiento porque no dejan de proliferar. Están continuamente realizando el ciclo celular, y para eso tiene que tener una estricta coordinación entre el tiempo en la célula se divide y el tiempo en que está creciendo. Esa coordinación la deshace la ingravidez y esto pone en riesgo aspectos importantes para su supervivencia.

¿Qué otros aspectos de la planta se alteran en ausencia de gravedad?

Hay un impacto en los balances de reparto hormonal, que sirven para la coordinación de la fisiología de la planta en todos sus órganos, y hay genes que están desregulados, entre otros efectos. Sabiendo todo esto, hemos ido viendo cómo podríamos compensar o contrarrestar estas alteraciones.

¿Y cómo se puede lograr?

Una base de suministro de otro tipo de referencias para el crecimiento como la luz. Junto al gravitropismo existe el fototropismo, que es el crecimiento dirigido por la luz. La cuestión es si la iluminación es capaz de compensar, y en qué medida, los efectos perniciosos de la falta de gravedad. Este ha sido el objetivo del proyecto Crecimiento de plántulas que hemos desarrollado estos últimos años junto con un equipo norteamericano y otros grupos europeos.

¿Qué resultados han obtenido con la luz como única referencia de la planta? [19659002] Esto ha sido gran parte del trabajo de Raúl Herranz en nuestro laboratorio, como experto en métodos de análisis de la expresión génica. El patrón de expresión génica con luz en el espacio se parece más al patrón con gravedad en la Tierra. Hemos visto qué genes se expresan en la Tierra en condiciones de control, se expresan sin gravedad y sin luz, y sin gravedad y con luz. En ausencia de gravedad sin luz hay unas gravísimas alteraciones del patrón de expresión génica que en gran parte se revierten con presencia de luz.

Pero en el espacio no siempre hay luz, entonces tendrán que generar esas condiciones …

En el experimento se detectó la luz roja porque sabíamos que, además de orientar el crecimiento, es capaz de activar una serie de procesos celulares que se alteran en ausencia de gravedad, como la producción y la activación de proteínas, la proliferación celular, etc. La luz roja tiene un receptor propio en las células, un fitocromo, que es excitado específicamente y exclusivamente por esa longitud de onda y activa esos procesos. Así, los genes desregulados sin gravedad vuelven a regular con iluminación roja.

¿Qué tipo de organismo vegetal viaja al espacio?

Hasta ahora hemos utilizado una especie vegetal modelo: Arabidopsis thaliana. Es similar al ratón de laboratorio en la investigación biomédica, aunque la planta no tiene problemas bioéticos. Es una hierba sin interés agronómico, pero sí posee una serie de características que la hacen perfecta para hacer estudios genómicos y obtener mutantes. Además es muy pequeña, se puede cultivar en grandes extensiones y su ciclo vital es muy corto. Los resultados sobre esta planta pueden ser fácilmente entendidos y reproducidos por otros biólogos vegetales no espaciales. De hecho, tratamos de nuestros estudios, en la medida de lo posible, no se publica en revistas de espacio, sino de biología.

¿Se investigará sobre otras especies?

Sí, ya estamos en la fase de saltar del modelo a la planta de cosecha. Ya se ha probado un cultivar lechugas y coles. Justo en este momento estamos definiendo con las agencias espaciales el nuevo modelo vegetal sobre el trabajo y las necesidades no únicas. El problema es que hay una gran diversidad de plantas.

Una vez que logremos construir bases lunares o marcianas, ¿las plantas pueden proporcionar los mismos elementos que aquí en la Tierra?

Estamos convencidos de que sí. No se puede responder al 100%, pero en principio nada hace pensar que las plantas crecidas en el espacio vayan a ser distintas de las de la Tierra. Estamos tratando de conseguir que las plantas que han crecido mal en condiciones espaciales crezcan bien, como en nuestro planeta. El objetivo es que aporten al explorador espacial lo mismo que al habitante de la Tierra.

¿Cómo se desarrolla y monitoriza un experimento espacial, sabiendo que todos los científicos estáis en tierra?

La experimentación espacial nos cambia muchos esquemas. El tipo de requisitos (dinero y medios) e inconvenientes no son habituales. Si uno hace un experimento aquí en el laboratorio y le sale mal, pues lo repito al día siguiente. Como el mal espacial del experimento, lo mejor no se puede repetir nunca porque los recursos disponibles en la estación espacial son limitados y eso condiciona las convocatorias y la preparación. En el mejor de los casos se puede repetir cuatro o cinco años después.

Por otra parte, cuando uno trabaja en el laboratorio todo el mundo implicado en el experimento es experto. Para eso estamos los científicos. Pero en el espacio no. Allí hay un astronauta que tiene que hacer un experimento de física, otro de biología humana, otro de plantas y otro de observación de la Tierra. La EEI ha sido un avance impresionante en la capacidad de experimentación. Puede parecer, aunque aún no lo es del todo, algo similar a un buen centro de investigación multidisciplinar. Todo esto cuesta un dineral, que es una acusación que nos hace la comunidad científica.

¿Y cómo respondiste a esas acusaciones?

Bueno, uno puede especular con un montón de objetivos humanos que pueden tener la humanidad con la exploración espacial, pero lo cierto es que es un anhelo del ser humano. Yo no digo que lo que estoy haciendo mar lo más importante para la humanidad, ni mucho menos. Pero lo que hago puede interesar a mucha gente.

El tipo de experimentación en la EEI contribuye además a los grupos de investigación de diferentes países se unan. ¿Son muchas personas al final?

Sí, nos juntamos y nos comunicamos, pero no somos tantos. La masa crítica internacional de científicos dedicados a estos temas, sobre todo en Europa, es una de nuestras quejas. Somos pocos, deberíamos ser más. A lo mejor es que no hay incentivos necesarios por parte de la ESA.

Ahora que se están reanudando las misiones espaciales, ¿no cree que exista una posibilidad de que eso cambie?

Por supuesto. En estos días, el CSIC está definiendo objetivos para el horizonte 2050 y la exploración espacial es uno de ellos. Varios grupos de biología de plantas han demostrado interés en este tema, aun sin tener experiencia directa en biología espacial. Les ha interesado la posibilidad de poner las plantas en condiciones extremas e investigar las consecuencias de ello, así que bienvenidos al club. Ahora podremos ser más. Es muy importante diversificar los temas de investigación.

La exploración espacial no solo nos cuenta lo que pasa en el espacio, también nos da información sobre nuestro planeta. ¿Cómo se traduce eso en las plantas de la Tierra?

Sabemos más sobre los mecanismos de defensa de las plantas frente a los estreses. Es un mundo sin fin. Sorprende la enorme plasticidad del genoma de las plantas y de su fisiología para sobrevivir en ambientes desconocidos e insospechados. Esa es la gran lección que nos da la investigación en biología espacial de plantas. Hasta ahora, muchos grupos, sobre todo con el cambio climático, analizaban el estrés abiótico y su capacidad de supervivencia. Poner las plantas en ausencia de gravedad abre un mundo nuevo. Hay plantas que viven en el desierto, en la Antártida, pero también las hay que hacen en ausencia de gravedad. Y habrá plantas que vivan en la Luna.

Con algo de ayuda. ..

Claro, no se podrá tirar semillas en la superficie lunar y esperar a que crezcan. Habrá que crear las condiciones adecuadas en un invernadero.

¿Qué cree que esto será posible? [19659002] Bien pronto. En 2024, la astronauta estadounidense que pise de nuevo la Luna llevará con ella —si no es en la primera misión, será en alguna de las primeras— un pequeño invernadero. En ese momento estará la nueva estación espacial que orbitará de manera permanente la Luna, la llamada Gateway, donde se ha implicado activamente la ESA. Desde allí irán y volverán misiones concretas a la superficie lunar con astronautas. Muy pronto uno de ellos llevará una instalación con plantas.

¿Quién está teniendo esos invernaderos?

En este sentido, hay que reconocer los esfuerzos de la NASA. Yo desde Europa me quejo, ya que con la ESA podríamos tener estado ahora mismo en una situación de liderazgo mundial y estamos en una regular, nada más. La ESA se ha dormido un poco en estos últimos años, mientras que la NASA ha desarrollado un paquete de invernaderos ad hoc en la EEI impresionantes. El primero, Veg-01, dio lugar a la lechuga que podría haber visto los astronautas hace unos años, y el otro, el Hábitat avanzado de plantas, que es una maravilla de invernadero espacial.

¿En qué punto de la investigación se encuentran ahora?

Los análisis de expresión genética que ha realizado Raúl Herranz con otros miembros de nuestro laboratorio y nuestros colegas norteamericanos han demostrado que hay diferentes mecanismos genéticos que no están afectados con la misma intensidad. Nos acaban de publicar dos artículos en los que hemos probado con gravedades intermedias, no solo la microgravedad, sino también la de Marte o la Luna. No todos los organismos se recuperan de la misma manera con la luz. Ahora estamos intentando desenmarañar toda esta red de genes y viendo qué funciones de la planta están identificadas y cómo interactúan entre ellas.

¿Cómo habrán trabajado trabajar con distintas gravedades?

En la cámara de cultivo de la EEI hemos utilizado un dispositivo con una centrífuga que nos proporciona la gravedad que nosotros queríamos. En principio, esta centrífuga sirvió para realizar un experimento de control en el espacio, pero en gravedad terrestre, para ver el efecto de los aspectos distintos de la gravedad, como la radiación, y compararlo con el experimento de control de referencia en tierra. Esa centrífuga también la hicimos rotar a la gravedad de la Luna o la de Marte, con lo que pudimos obtener unos resultados muy interesantes con la gravedad parcial. Hemos sido los primeros en probar un dispositivo desarrollado en el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial (ESTEC) de la ESA en Holanda para producir la simulación de la gravedad lunar y marciana.

¿Cómo influyen estas gravesdades en las plantas?

La gravedad de la Luna (0,17 g) produce efectos muy similares a la microgravedad, es decir, que las plantas tienen mucha dificultad para orientar su crecimiento y el patrón de expresión génica, se parecen mucho . Por el contrario, con la gravedad de Marte las plantas son dinámicas de percibir los 0,38 g. Por lo tanto hay gravitropismo en Marte.

[19659002] Eso es un gran avance …

Sí, bueno, hay muchas otras cosas que solucionan para poder cultivar plantas en Marte, pero la gravedad no parece que vaya a ser un problema de gran magnitud para conseguirlo. Aunque la gravedad no es igual que la tierra, tenemos fotos de las plántulas crecidas a 0,3 gy no se distinguen de las plantas crecidas en 1 g, la tierra. Tienen su raíz creciendo hacia abajo y sus tallos creciendo hacia arriba.

¿Cuál es el siguiente paso?

Tenemos que comprender cómo vencen ese estrés gravitatorio y cómo funcionan esos mecanismos de percepción de la gravedad parcial Conocemos el final de la historia —las plantas se adaptan y sobreviven— pero nos falta por escribir la historia completa desde el principio, aunque ya hayamos hecho el spoiler. Es imprescindible porque tenemos que ser capaces de reproducirlo.

Ahora que ha comprobado la capacidad de supervivencia de plantas en ambientes extremos como el espacio, ¿cree que podría encontrarlas en nuestra búsqueda de vida extraterrestre? [19659002] No sabemos nada concreto. Yo sé cómo poner seres vivos en el espacio, pero no soy un experto en la búsqueda de vida autóctona del espacio. Conocemos la vida que hay en nuestro planeta, pero no otras. Podríamos especular todo lo queramos. Ahora estamos empezando una colaboración con un grupo del Centro de Astrobiología del CSIC que trabaja con líquenes en ambientes extremos como la Antártida e incluso el espacio exterior. Resulta que el licor no se muere, es capaz de acomodarse. Los estudios con estos modelos tratan de identificar las características que pueden tener una posible vida desarrollada en ambientes extraterrestres. Y, curiosamente, los efectos de la ausencia de gravedad sobre estos organismos no se han investigado. Eso es justamente lo que vamos a hacer nosotros ahora.

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