Nació mujer y judía en uno de los peores lugares y momentos de la historia: la Europa antisemita de principios del siglo XX. Superó todas las dificultades que le salieron al camino hasta convertirse en la octava mujer en recibir un premio Nobel. 

Vino al mundo en Turín en 1909, en una acomodada y culta familia sefardí: su padre era ingeniero y su madre, una acreditada pintora; también su hermana gemela, Paola, se dedicó a la pintura. Ella se había propuesto licenciarse y para pagarse los estudios trabajó en una panadería. Se licenció en medicina y cirugía con las mejores calificaciones, especializándose en neurología y psiquiatría. Trabajaba con el histólogo italiano Giuseppe Levi cuando en 1938 Mussolini promulgó el Manifiesto por la Defensa de la Raza, que impedía a los judíos ejercer una carrera académica o profesional; en 1939 se trasladó a Bruselas donde siguió sus investigaciones; la invasión alemana le obligó a volver a Turín, donde, arriesgando su propia seguridad, de forma clandestina atendía a pacientes sin recursos hasta que en 1943 fue expulsada de la Universidad de Turín. Entonces se instaló a Florencia y montó un laboratorio en su propia casa. Al término de la segunda guerra mundial volvió a la Universidad turinesa.

En 1947 el bioquímico Viktor Hamburger le invitó a investigar los factores de crecimiento del tejido nervioso en el embrión de pollo; acudió a la Universidad de San Luis, Missouri, con el propósito de permanecer seis meses, que se convirtieron en 32 años. Allí empezó a trabajar con Stanley Cohen, una colaboración que resultó beneficiosa para ambos. Levi descubrió lo que llamó factor de crecimiento nervioso (NGF: nerve growth factor), una molécula necesaria para el desarrollo del sistema nervioso sensorial de los vertebrados. Cohen demostró la naturaleza proteínica de la molécula. Estos descubrimientos, considerados fundamentales para comprender los mecanismos que regulan el crecimiento de las células y los tejidos y las causas de algunos procesos patógenos y mutaciones degenerativas hereditarias, les valieron a ambos el Nobel de Fisiología y Medicina en 1986. Antes que ella, solo siete mujeres científicas habían sido galardonadas con el Nobel. Desde 1958 hasta que se jubiló en 1977 fue profesora titular de la Universidad de San Luis. Simultáneamente, entre 1962 y 1978 dirigió el Instituto de Biología celular del Consejo Italiano de Investigación, en Roma. 

En 1968 fue elegida miembro de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos; en 1987 se le concedió la Medalla Nacional de la Ciencia, la máxima distinción científica norteamericana. En 1999 fue nombrada embajadora de buena voluntad de FAO; senadora vitalicia de la República italiana desde 2001; fue investiga doctora honoris causa por varias universidades, incluida la Complutense de Madrid (2008).

Conservó una envidiable vitalidad ya centenaria. “A los cien, mi mente es superior que cuando tenía veinte años, gracias a la experiencia”, declaraba entonces. Sostenía que “cuando unas neuronas mueren, otras adyacentes pueden retomar su actividad, pero para que esto se produzca es indispensable tener ilusión”. Falleció a los 103 años, está enterrada en el cementerio de Turín, su lugar de nacimiento.

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