Escolares chilenos publican paper en prestigiosa revista científica sobre electricidad en plantas

Hace casi dos años publiqué un artículo que contaba cómo jugaban los peces en este mismo medio. Al final dejaba una conclusión que también era un poco un deseo y un sueño:

“Yo creo que es posible que los aficionados y alumnos del colegio puedan publicar papers (y es el sueño y meta de nuestro equipo)... Por eso estamos planeando un experimento. Queremos publicar con un colegio en Santiago, colaborando con los alumnos de segundo y tercero medio. Estamos recolectando datos sobre las señales eléctricas en plantas ....Si funciona, te contaremos más detalles por este mismo medio.”

Queridos lectores, 21 meses después de escribir eso, llegó el día. ¡Lo logramos! Recientemente salió publicado un paper en la revista “Plant Signaling and Behavior” (Señales y Comportamiento en Plantas) sobre nuestros experimentos en electrofisiología en plantas, con 5 alumnos y alumnas de colegio como los autores principales. Puedes leer el paper acá.

¿Señales eléctricas en plantas? ¿Qué? Sí, es un tema poco estudiado y muchas veces malinterpretado, pero efectivamente las plantas emiten señales parecidas a los impulsos eléctricos que emite el cerebro. Sin embargo, son señales muchísimo más lentas (1000-15,000 veces). ¿Para qué sirven? En las famosas plantas de movimiento rápido como la venus atrapamoscas (planta carnívora) o la mimosa púdica, sirven para activar esos movimientos. 

Pero en plantas que no tienen esos movimientos notorios como tomates, ajíes, albahacas, etc. también existen señales eléctricas y una de sus funciones es alertar. Por ejemplo, si un animal herbívoro se está comiendo una planta, una señal eléctrica pasa por las ramas diciendo “nos están atacando”, y la planta puede sintetizar compuestos amargos para que las hojas no tengan un buen sabor. Una planta no puede correr lejos cuando está bajo ataque, tiene ese particular problema de que tiene que quedarse “en su lugar para siempre”. Pero sí tiene sistemas de protección y defensa  (espinas, venenos, producción de compuestos amargos, etc.).

Debido a que hay muy poca investigación sobre la electrofisiología en plantas que no tienen movimientos rápidos, quisimos adentrarnos en este tema. Y con esa idea comenzamos a trabajar en un ambicioso proyecto con el Colegio Alberto Blest Gana (CABG) en San Ramón, Santiago.

Pero antes de discutir los resultados, queremos dar un poco más de contexto sobre el proceso de publicación científica y la planificación del proyecto.

El valor de las publicaciones para la ciencia

En el mundo científico, lo más importante es la publicación de los resultados en revistas académicas. Vamos con una comparación para que se dimensione mejor la idea: si en el mundo del emprendimiento lo más importantes son las ventas y su impacto en la sociedad (qué problema está resolviendo el emprendimiento), para un equipo de investigación científica lo más importante es 1) la cantidad de los papers que tiene, y 2) la calidad/impacto de los papers. 

Las dos revistas más famosas del mundo son Science en EE.UU. y Nature del Reino Unido, (el descubrimiento de la estructura de ADN fue descrita en Nature y el descubrimiento de CRISPR fue publicado en Science, por ejemplo). Hay miles de revistas científicas, y por supuesto, algunas son más prestigiosas que otras. También, el prestigio y la credibilidad de la revista varía por área: en biología, Cell es considerada muy buena, en neurociencia Neuron y en medicina Lancet.

Durante la formación de una persona científica, algunas tienen la suerte de hacer su primera publicación en pregrado (aunque no es tan frecuente), pero la mayoría de los científicos en formación publican sus primeros papers durante el postgrado: hacen los experimentos y la visualización de datos, y los jefes o jefas de la investigación suelen ayudarlos a redactar su investigación para que se publique. Sólo después, con tiempo y práctica, los alumnos postgrado aprenden a redactar sin ayuda, de forma precisa y técnica, la totalidad del paper.  

Y ahora último, en mi empresa de neurociencia Backyard Brains, quisimos intentar algo un poco más ambicioso y poco común: involucrar a jóvenes de colegio (enseñanza media) en el proceso de aportar al conocimiento científico. Es cierto que ya existen algunos ejemplos famosos de escolares que han publicado papers (Blackthorton School), o de científicos que han colaborado con sus hijos (incluso en Nature). Sin embargo, si publicar un paper con alumnos de pregrado requiere mucha asistencia, imagínense lo demandante que llega a ser ayudar estudiantes de colegio con la redacción técnica y con el conocimiento de la literatura académica. Por eso es tan poco frecuente. 

La alianza entre Backyard Brains y Colegio Alberto Blest Gana

Nuestra empresa ha trabajado con el Colegio Alberto Blest Gana de San Ramón durante 10 años (la primera vez que fuimos al colegio fue el 2014), y cada año hemos intentado hacer algo más desafiante. Cuando comenzamos, eran charlas clásicas de Backyard Brains (o sea, mostrar y dejar interactuar a los alumnos con nuestros típicos experimentos de neurociencia con cucarachas y fisiología humana). Después comenzamos a hacer talleres, donde los chicos aprendieron cómo armar condensadores y pilas caseras, a leer esquemáticos para construir  circuitos electrónicos en un protoboard, y a programar en Arduino. El paso siguiente fue hacer experimentos que eligieran y diseñaran los alumnos: electrofisiología en el fútbol, laberinto de cucarachas para evaluar el aprendizaje en insectos, y videojuegos manipulados con las señales eléctricas de los músculos.

Esta última colaboración fue en 2018, y en 2019 me fui a Corea para abrir otra sucursal de Backyard Brains. Por un tiempo, por razones obvias de distancia, pausamos las actividades con el colegio. En enero de 2020, mientras yo todavía estaba participando en el programa de Korea Start-Up Grand Challenge, un programa de emprendimiento del gobierno de Corea, el primer caso de COVID-19 afuera de China llegó a Corea, y un poco después ya se había expandido a todo el mundo. Lo que vino después ya es una historia conocida.

Pero un resultado interesante de la pandemia fue que el mundo educativo se transformó y se acomodó para poder hacer clases remotas, a través de video (Google Video, Zoom, Microsoft Teams, etc.). Antes de 2018 todos las clases de Backyard Brains en el Colegio Alberto Blest Gana eran presenciales, pero en la época de COVID-19, el director del colegio, Ricardo Román, me invitó a hacer algunas charlas a los profesores y los alumnos por videoconferencia. Y en otoño de 2022, después del peak de la pandemia, por fin me volvió a tocar hacer clases presenciales en el colegio.

Aceptar el riesgo de intentar publicar un paper con alumnos de colegio

El 9 de abril de 2022, hice una charla presencial a los alumnos e hicimos la primera grabación eléctrica en el colegio en un planta que no se mueve rápidamente: una albahaca. Cuando terminé la charla, almorcé con los profesores para discutir futuros proyectos para el colegio (y, por supuesto, chismear sobre nuestras vidas personales). En el muy rico restaurante chileno Del Beto en San Miguel, Ricardo y el coordinador de tecnología, Fabián Ovalle, nos provocaron con un desafío: “Hemos hecho cosas muy ambiciosas juntos por 8 años, ¿qué hacemos este año?” Yo pensé, y dije sin ningún filtro, porque sabía que era algo muy complejo: “deberíamos intentar hacer investigación original, con la meta de publicar un paper académico, con los alumnos del colegio como los primeros autores. Sería muy novedoso intentar algo así. Creo que es posible organizar algo con los experimentos en fisiología de plantas.”

A Ricardo, Fabian, y el resto de los profes les gustó la idea. Con la palabra y el acuerdo informal cerrado, había que empezar la planificación cuanto antes porque sabía que iba a ser un proceso largo.

Debido a que yo vivía en Corea, iba a necesitar ayuda para los experimentos con las plantas, y conseguí muy buen equipo: la profesora de biología de los chicos, Angélica Romero, Fabián, el coordinador, y finalmente, mi colega alemán y querido amigo el neurocientífico Étienne Serbe-Kamp del Instituto Max Planck de inteligencia biológica y la LMU en München. Es curiosa la coincidencia, pero Étienne, en su adolescencia vivió algunos meses en Santiago por un intercambio y además es trilingüe (sabe alemán, español, e inglés) así que iba a ser un buen aporte. Con el equipo de profesores armado, íbamos a trabajar con cinco alumnos de tercero y cuarto medio: Danae Madariaga, Derek Arro, Catalina Irarrázaval, Alejandro Soto, y Felipe Guerra. 

Para los profesores del CABG, la idea de trabajar con un equipo bien global con la misión de publicar un paper académico era un proyecto intrigante que valía la pena intentar, a pesar de que era  riesgoso. 

¿Y por qué riesgoso? Porque lograr tener una publicación académica es un proceso largo  con altas probabilidades de fracaso: 1) los resultados de la investigación podrían no ser suficientemente interesantes para una publicación, o 2) el paper podría ser rechazado múltiples veces, requerir muchas revisiones, y cuando eso pasa, es muy difícil mantener la motivación y darse el tiempo para seguir intentándolo, incluso para científicos profesionales. Pero la misión de Backyard Brains es hacer que la neurociencia sea accesible a cualquier persona interesada en entender el cerebro, y para lograrlo es clave que haya colaboración en experimentos entre colegios, científicos, universidades y empresas. Por eso yo estaba muy agradecido de que los profesores del colegio se atrevieran a tomar este riesgo con nosotros que tenía  una alta probabilidad de fracaso.

El inicio de los experimentos con plantas

El 9 de agosto de 2022, después de las vacaciones de invierno, comenzamos las clases donde haríamos el experimento para publicar al paper. Eran una vez por semana a las 10 de la mañana. Fue un poco complicado coordinar todo, debido a que estábamos haciéndolas por videoconferencia desde tres continentes distintos: Chile (el colegio), Alemania (Étienne) y Corea (yo) y eso implicaba grandes diferencias de horario. Mientras que en Chile eran las 10:00 de la mañana, eran las 16:00 de la tarde en Alemania, y las 23:00 de la noche en Corea. Otra complicación era la cantidad de equipos e insumos que requería el proyecto: las plantas, electrodos, amplificadores… Por suerte Fabián, el coordinador, tenía consejería en su edificio, así que podíamos mandarle los materiales para que él los llevara al colegio.  Como ven, además de los desafíos propios de publicar un paper con alumnos de colegio, a la misión se le sumaban más elementos que nos ponía la tarea cuesta arriba. 

Las primeras dos clases, discutimos el proceso científico de convertir una idea en una publicación científica, usando de ejemplo del paper que mencioné al principio y que se había publicado hace poco  sobre juego en peces.

Si queríamos lograr publicar algo dentro de 1-2 años después del comienzo de los experimentos, había que diseñar un experimento que permitiera grabar datos de manera rápida, repetible, y que no requiriera herramientas caras, difíciles de usar o fáciles de romper. Así que les explicamos qué experimentos con electrofisiología en plantas era la mejor opción:  era un tema poco estudiado  y por lo tanto había mucho espacio para hacer una investigación novedosa (y la investigación novedosa encuentra menores barreras de publicación, debido a que no hay muchos otros papers que hayan hecho algo parecido).

Con esta meta, la tercera semana y la tercera clase, comenzamos con los primeros experimentos, hechos con las plantas que ya tenían en el colegio: el dólar argentino. Algunas semanas antes habíamos enviado dos ejemplares del equipo que necesitaban para los experimentos: los Plant SpikerBox (amplificadores que extraen las señales eléctricas que emiten las plantas) y junto con los computadores que el colegio tenía, podríamos comenzar el proceso de recolectar los datos de la planta ornamental.

Metodología y configuración del experimento

Cada semana, desde el 9 de agosto hasta 16 de diciembre, 19 clases en total, cada clase que duraba entre 60 - 75 minutos, hicimos grabaciones con muchas plantas distintas. Fueron 16 especies en total: 1) Araucaria, 2) Dólar argentino, 3) Albahaca 4) una muestra de helecho 5) un tipo de hedera, 6) Toronjil, 7) Menta 8) Orégano, 9) Papiro, 10) un tipo de planta ornamental del genus Peperomia, 11) Romero 12) Ruda, 13) Mimosa Púdica 14) Drosera (rocío del sol), 15) Tomate, y 16) Venus Atrapamoscas. 

En cada experimento, pusimos un cable de plata alrededor de las ramas (este era el electrodo), un pin en la tierra para la tierra eléctrica (broma de ingeniería), y conectamos el electrodo a un amplificador y software que grababa la señal (si quieres saber en más detalle como funciona un experimento así, puedes leer acá).  Los alumnos acercaban una llama con un mechero de cuello largo durante algunos segundos a la hoja más cerca de los electrodos para medir “la respuesta de la herida.”

Observamos señales eléctricas en respuesta a la llama en 9 de las 16 especies de plantas que estudiamos. Lamentablemente no observamos señales en la Araucaria, lo que hubiera sido notable porque posiblemente hubiésemos sido los primeros investigadores del mundo en grabar la electricidad de esta planta sagrada, pero seguiremos intentándolo. 

Es muy probable que todas las plantas del mundo usen algún tipo de señal eléctrica, pero hay que diseñar los electrodos y la interfaz para que funcionen con la forma propia de cada planta, y ahí está el desafío al extraer su electricidad. Las plantas que sí mostraron señales eléctricas en respuesta a una llama de fuego fueron: 1) Albahaca, 2) Dólar Argentino, 3) Drosera 4) Menta, 5) Mimosa Púdica, 6) Romero, 7) Ruda, 8) Tomate, y 9) Venus Atrapamoscas. Tenemos algunos ejemplos de las señales abajo.

Después de diciembre, y con la finalización de las clases, seguimos con dos de los alumnos, Danae y Derek, como practicantes en nuestra organización durante enero-marzo del 2023. Yo trabajé principalmente con Derek en el comienzo de la escritura, escribiendo la introducción del paper y haciendo un análisis de la literatura juntos (donde probamos la experiencia de jugar un poquito con ChatGPT-4 para preguntar algunas cosas sobre la literatura de fisiología en plantas, pero no nos sirvió mucho debido a lo técnico que es esta literatura científica). Y por su lado, Étienne trabajó principalmente con Danae en la recolección final de los que necesitábamos para completar la investigación. 

A fines de marzo, todos los datos que habíamos recolectado estaban completos  y seguimos con el proceso de escribir el manuscrito, completar la revisión bibliográfica, mejorar el software de Python para hacer el análisis más automático y preparar las figuras de visualización de los datos. También, durante julio de 2023, tuvimos la oportunidad de colaborar con una fundación de ciencia en Belgrado, Serbia, y dos alumnos de pregrado de la universidad, una de Serbia y otro de EE.UU., recolectaron datos adicionales para el paper. En total tuvimos 398 grabaciones de 16 especies de plantas y 5 países representados en este estudio: Alemania, Chile, Corea del Sur, Serbia, y Estados Unidos.

La recta final pero la más difícil: el proceso de redacción y publicación

Terminar el paper fue un proceso largo, pero previsible. Comenzamos la escritura con la página en blanco el 11 de enero, trabajando algunos días por semana y al final, el 27 de septiembre de 2023, envíamos el paper a la revista Plant Signaling and Behavior, una revista donde suele publicar la nueva generación de científicos reconocidos que estudian fisiología botánica (los clásicos temas son aprendizaje y comunicación en plantas, esa onda). 

Dedos cruzados de todos los involucrados: fue nuestro primer intento de publicar con estudiantes de colegio y también por primera vez en nuestra carrera, publicar algo sobre fisiología en plantas. En otras palabras, enviar nuestros resultados a esta revista especializada con prestigio en el área fue atrevido porque éramos cachorros en la cueva de los leones. Definitivamente  pusimos toda la carne en la parrilla, pero vamos vamos to´ pa´ arriba.

El 24 de octubre de 2023, un día lindo que nunca voy a olvidar, recibimos un e-mail del editor, František Baluška, un profesor de fisiología de plantas de la Universidad de Bonn, Alemania, bastante conocido en la comunidad científica. Con mi ritmo cardiaco por el techo, leí la línea que decía: “Consideramos que su obra es apropiada para publicar en nuestra revista si ustedes realizan algunas correcciones a los comentarios que adjuntamos”. No puedes creer la felicidad que todo el equipo tuvo con esta noticia. Tuvimos 6 comentaristas con muchas preguntas y dudas que necesitábamos clarificar, sin duda iba a ser mucho trabajo, claro, pero la parte más difícil de publicación de “entrar a la casa de la revista,” la habíamos logrado. 

Étienne y yo felicitamos a todo el equipo por el éxito, y, en los meses que siguieron, él y yo trabajamos cuidadosamente en las revisiones. Necesitábamos clarificar nuestra metodología, leer y analizar ~20 papers más, y agregar más contexto al manuscrito. Nuestra carta de respuesta fue de 16 páginas, y escrita con un estilo particular que requieren este tipo de cartas de respuesta incluso en el mundo de la ciencia: altamente formal, cortés, y erudito. El 14 de enero de 2024, envíamos la actualización. Dedos cruzados de nuevo. 

El 22 de enero, recibimos otro e-mail del editor: “Estamos agradecidos de informarles que su obra ha sido aceptada para publicación. Pronto les escribirá nuestro equipo de producción sobre las preparaciones y pruebas finales para la publicación”. 

Escribí a todo el equipo por Whatsapp al toque. Fuegos artificiales explotaron en nuestras mentes. Otro momento de felicidad, normalmente hay dos rondas de revisiones, pero en este caso, ¡estábamos terminados con solo una ronda! Aceptado por completo, impactante.

Durante las semanas de febrero y marzo, trabajamos con el equipo de producción de la revista para verificar y pulir las pruebas (trabajar las pruebas es preparar el  manuscrito que va a salir a publicación), y el 12 de marzo envíamos la prueba final. El 18 de marzo nuestra obra vio la luz y estaba disponible para todo el mundo. He estado publicando papers desde 2002, pero, queridos lectores, este paper es con el que tengo el mayor orgullo profesional. Habíamos cumplido la misión principal de Backyard Brains de una manera tan llamativa, que los alumnos y alumnas de colegio por sí mismos pueden contribuir a la literatura científica, no sólo aprenderla, sino que agregar conocimiento nuevo al mundo.

He hablado con algunos colegas científicos en Chile sobre todo este proceso, y una de ellas, Daniela Flores, una estudiante de postgrado en biología de la Universidad de Chile, dijo algo bien acertado: “Sería genial si esto ocurriera con más frecuencia, pero la clave es encontrar un colegio con la disposición de tomar el riesgo de una investigación científica, y también científicos que quieran trabajar con un colegio a largo plazo.” De veras, un párrafo en la discusión es un resultado de esta conversación, y es esencial para poner en contexto esta obra: un llamado a acción a la comunidad científica:

“Es una parte no-trivial de este trabajo que alumnos de colegio recolectaron la mayoría de los datos, mostrando las ventajas que tiene la electrofisiología en plantas para introducir a jóvenes al proceso científico de extraer y analizar datos, además de escribir un manuscrito, algo que muchas personas que aspiran a ser científicos sólo logran al final de su pregrado, si tienen suerte. La participación de científicos profesionales con los jóvenes investigadores debe ser constante y por un período de tiempo prolongado, un aspecto fundamental para este tipo de iniciativas. Los jóvenes estudiantes pueden grabar datos y discutir los resultados, pero el análisis de la literatura y la escritura técnica es el desafío más grande, lo que requiere supervisión activa y la colaboración de los colegas científicos profesionales”.

De nuevo, lo que replanteamos acá es que no es para nada imposible que alumnos de colegio tengan un paper publicado incluso antes de ir a la universidad, pero se necesita la participación activa de la comunidad científica para trabajar con los estudiantes. Nuestra esperanza es que este paper sirva como modelo para otros científicos y colegios que tengan el objetivo de aportar conocimiento nuevo al mundo. Juntos podemos lograr que las ideas y la curiosidad se conviertan en algo real sin importar si estás comenzando tus estudios en un colegio o si estás en la cúspide de tu carrera en un instituto científico emblemático.

*****

Agradecimientos: Hay que agradecer para siempre a los profesores y los alumnos del Colegio Alberto Blest Gana por trabajar con nosotros (Chile), y el Centro para la Promoción de Ciencia en Serbia y la Fundación Nordeus (Serbia). 

PD: ¿Qué viene ahora? Seguimos con la investigación, trabajando con una alumna pregrado en bioquímica de la Universidad de Santiago, Carla Contreras, y estamos analizando la velocidad de estas señales eléctricas en todas las plantas en las que observamos respuestas en este estudio. Así que atentos a lo que se viene, queridos lectores...