Reportaje:

La revolución de los rayos X

Los diseñadores de líneas de sincrotrón han hecho posibles 50 años de descubrimientos en biología

En su fascinante libro Longitude Dava Sobel narra las dificultades que John Harrison (1693-1776) tuvo que sufrir para que el Consejo de la Longitud (Board of Longitude) le otorgara su merecido premio (20.000 libras) por haber resuelto el problema tecnológico más importante del siglo XVIII: medir con precisión la posición de un barco en alta mar. Sin embargo, el nombre humilde de este gigante de la tecnología de la navegación es poco conocido. ¿Quién fue John Harrison? John Harrison fue el hijo de un carpintero de Yorkshire (Inglaterra) y construyó un cronómetro que permitió medir la hora durante dos viajes transatlánticos con una precisión de cinco segundos. Comparando las horas de dos cronómetros separados, uno con la hora del puerto de referencia (Londres) y otro con la hora del objeto móvil, se pudo determinar la longitud del punto móvil con una precisión de un minuto. Este procedimiento simple para determinar la longitud con precisión fue decisivo en el dominio de los océanos por la marina británica.

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En los libros de historia siempre se glorifica a los reyes, presidentes, generales, oligarcas y a muchos otros, pero nunca a los modestos artesanos como Harrison, que hicieron posibles avances sociales espectaculares. Desgraciadamente, en la historia de la ciencia se tiende a hacer exactamente lo mismo. Se ensalza a los investigadores que descubrieron éste o aquel fenómeno, pero pocas veces a los científicos que dedicaron sus esfuerzos a construir ciertos instrumentos que hicieran posible los nuevos avances. Un ejemplo son los descubrimientos de los últimos 50 años en el campo de la biología molecular estructural.

Esta rama de la biofísica utiliza principalmente la técnica de difracción de rayos X en cristales o fibras para obtener estructuras atómicas detalladas de los componentes moleculares existentes en todos los seres vivos. El descubrimiento de la estructura helicoidal del ADN por Watson y Crick, usando datos de difracción obtenidos por Rosalind Franklin en 1953, marcó un hito al relacionar la estructura atómica de una molécula esencial para los seres vivos con su función biológica. Doce años más tarde, las estructuras tridimensionales atómicas de las primeras proteínas (míoglobina en el músculo y hemoglobina de la sangre) por Kendrew, Perutz y colaboradores (1965) abrieron las puertas a unas estructuras moleculares que revelaban, en su intricado encaje atómico, las claves de su funcionamiento biológico. En sus contorsiones gimnásticas a una escala de cienmillonésimas de centímetro, la maquinaria atómica mostraba los detalles del funcionamiento normal y patológico de las moléculas integrantes de los seres vivos.

En los últimos 20 años, aquella producción modesta de estructuras moleculares (decenas cada año), se ha convertido en una avalancha de estructuras moleculares (varios miles anualmente) cuyos detalles atómicos permiten entender procesos metabólicos complejos; explicar enfermedades genéticas a nivel molecular, sintetizar nuevas entidades farmacológicas, el estudio de biomateriales, y muchos otros procesos más a nivel atómico. En la actualidad, el banco de datos de estructuras macromoleculares (Protein Data Bank, PDB) contiene más de 25.000 estructuras atómicas, depositadas por cristalógrafos de todo el mundo. La tecnología que ha hecho posible este aumento espectacular en el descubrimiento de estructuras nuevas es la radiación de rayos X originada, producida y extraída de los sincrotrones.

¿Qué tecnología ha sido necesaria para permitir estos avances? ¿Qué es un sincrotrón? ¿Quiénes son los héroes anónimos que han dedicado sus vidas profesionales a hacer todo ésto posible? Son muchos, una infinidad. Un poco de historia ayudará a comprender la aportación de estos héroes que construyen estaciones de trabajo en sincrotrones (beamlines). Esto pondrá en perspectiva la complejidad del sincrotrón Aurora, que está en proyecto en Barcelona.

Los sincrotrones son aceleradores de partículas (normalmente electrones) que se usaban en la física de altas energías. Se había observado antes la radiación electromagnética emitida por los sincrotrones, tangencial a la trayectoria de los electrones en el anillo, pero se consideró como un fenómeno perjudicial que acortaba el tiempo que los electrones estaban en órbita. A pesar de todo, ciertos investigadores encontraron que esa radiación externa se podía caracterizar y era muy útil en toda la gama del espectro, desde el infrarrojo hasta los rayos X. Esta radiación se usaba de un modo parásito, no dedicado exclusivamente a ello. El sincrotrón más importante hasta los años setenta fue DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) en Alemania. Éste fue el primero que tuvo unas características tales que emitía bastante radiación en la región de los rayos X (alrededor de 1 angstrom de longitud de onda, o energía de 12,398 kiloelectronvoltios).

La otra corriente de pensamiento proviene de las ciencias biofísicas y del interés de ciertos investigadores (Ken Holmes, Alemania y Hugh Huxley, Inglaterra) en los años sesenta en entender el funcionamiento de esa máquina maravillosa que es el tejido muscular. ¿Qué cambios estructurales tienen lugar en las moléculas componentes del músculo durante el ciclo de tensión y relajación? ¿Cómo podemos seguir estos movimientos estructurales usando métodos de difracción de rayos X? Las preguntas no eran triviales ya que los generadores de rayos X de la época no tenían intensidad suficiente para dar ninguna información. En la confluencia de esas dos vertientes aparece nuestro héroe anónimo, Gerd Rosenbaum, nacido en Breslau, Alemania en 1942. Rosenbaum quería utilizar sus habilidades únicas de artesano de instrumentos científicos para estudiar y entender problemas biológicos interesantes; el estudio del funcionamiento del tejido muscular le parecía fascinante. De esta forma, Holmes y Rosenbaum iniciaron una colaboración en 1969 que resultó en los primeros usos de la radiación emitida por sincrotrones para el estudio de procesos biológicos, especialmente el estudio del músculo. Rosenbaum y su colega Jean Witz diseñaron los sistemas e instrumentos ópticos de rayos X necesarios para dirigir, enfocar y monocromatizar (filtrar a una sola longitud de onda o color) los rayos X originados en el sincrotrón DESY, e iluminaron con ellos una muestra de unas pocas décimas de milímetro de músculo de insecto, en un búnker de cemento a varias decenas de metros del origen de los rayos X. Además, el patrón de difracción obtenido durante la exposición de la muestra tenía que ser grabado en una película sensible a los rayos X. Finalmente, dado el nivel de radiación dentro del búnker, todos los instrumentos tenían que operar por control remoto. La primera fotografía así obtenida (unos pocos puntos oscuros, distribuidos en el centro a lo largo de dos líneas perpendiculares) se publicó en Nature en 1971.

El resto es historia. Desde entonces Rosenbaum ha diseñado líneas en los sincrotrones y anillos de rayos X (storage rings) de todo el mundo. Sus aportaciones incluyen la línea 19-ID (SBC-CAT) en el Advanced Photon Source (APS, Chicago, USA) donde se obtuvieron (finales del 2000) los datos para calcular a nivel atómico la estructura del ribosoma, el elemento molecular clave para la síntesis de proteínas. Uno se pregunta, ¿no son estas líneas comparables a las maravillas escultóricas y arquitectónicas de nuestro tiempo, e incluso de tiempos pasados? ¿No son equivalentes a los cronómetros que revolucionaron la navegación oceánica? En un contexto diferente, ¿no se puede comparar el diseño, ejecución y construcción de estas maravillas tecnológicas a la concepción, desarrollo y armonización de una sinfonía? De cualquier modo, la revolución en biología molecular estructural no hubiera tenido lugar sin la imaginación y el esfuerzo de Rosenbaum y muchos otros como él. Es preciso que les reconozcamos como lo que son: nuestros héroes anónimos.

Cele Abad Zapatero es Associate Research Fellow en los laboratorios Abbott en Chicago y autor de Crystals and Life: A Personal Journey (IUL 2002).

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