La revoluci¨®n de los rayos X

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 tecnol¨®gico m¨¢s importante del siglo XVIII: medir con precisi¨®n la posici¨®n de un barco en alta mar. Sin embargo, el nombre humilde de este gigante de la tecnolog¨ªa de la navegaci¨®n es poco conocido. ?Qui¨¦n fue John Harrison? John Harrison fue el hijo de un carpintero de Yorkshire (Inglaterra) y construy¨® un cron¨®metro que permiti¨® medir la hora durante dos viajes transatl¨¢nticos con una precisi¨®n de cinco segundos. Comparando las horas de dos cron¨®metros separados, uno con la hora del puerto de referencia (Londres) y otro con la hora del objeto m¨®vil, se pudo determinar la longitud del punto m¨®vil con una precisi¨®n de un minuto. Este procedimiento simple para determinar la longitud con precisi¨®n fue decisivo en el dominio de los oc¨¦anos por la marina brit¨¢nica.

La historia aclara la complejidad del proyecto de sincrotr¨®n en Barcelona

Rosenbaum utiliz¨® sus habilidades de artesano para estudiar problemas biol¨®gicos

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 ¨¦ste o aquel fen¨®meno, pero pocas veces a los cient¨ªficos que dedicaron sus esfuerzos a construir ciertos instrumentos que hicieran posible los nuevos avances. Un ejemplo son los descubrimientos de los ¨²ltimos 50 a?os en el campo de la biolog¨ªa molecular estructural.

Esta rama de la biof¨ªsica utiliza principalmente la t¨¦cnica de difracci¨®n de rayos X en cristales o fibras para obtener estructuras at¨®micas 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 difracci¨®n obtenidos por Rosalind Franklin en 1953, marc¨® un hito al relacionar la estructura at¨®mica de una mol¨¦cula esencial para los seres vivos con su funci¨®n biol¨®gica. Doce a?os m¨¢s tarde, las estructuras tridimensionales at¨®micas de las primeras prote¨ªnas (m¨ªoglobina en el m¨²sculo y hemoglobina de la sangre) por Kendrew, Perutz y colaboradores (1965) abrieron las puertas a unas estructuras moleculares que revelaban, en su intricado encaje at¨®mico, las claves de su funcionamiento biol¨®gico. En sus contorsiones gimn¨¢sticas a una escala de cienmillon¨¦simas de cent¨ªmetro, la maquinaria at¨®mica mostraba los detalles del funcionamiento normal y patol¨®gico de las mol¨¦culas integrantes de los seres vivos.

En los ¨²ltimos 20 a?os, aquella producci¨®n modesta de estructuras moleculares (decenas cada a?o), se ha convertido en una avalancha de estructuras moleculares (varios miles anualmente) cuyos detalles at¨®micos permiten entender procesos metab¨®licos complejos; explicar enfermedades gen¨¦ticas a nivel molecular, sintetizar nuevas entidades farmacol¨®gicas, el estudio de biomateriales, y muchos otros procesos m¨¢s a nivel at¨®mico. En la actualidad, el banco de datos de estructuras macromoleculares (Protein Data Bank, PDB) contiene m¨¢s de 25.000 estructuras at¨®micas, depositadas por cristal¨®grafos de todo el mundo. La tecnolog¨ªa que ha hecho posible este aumento espectacular en el descubrimiento de estructuras nuevas es la radiaci¨®n de rayos X originada, producida y extra¨ªda de los sincrotrones.

?Qu¨¦ tecnolog¨ªa ha sido necesaria para permitir estos avances? ?Qu¨¦ es un sincrotr¨®n? ?Qui¨¦nes son los h¨¦roes an¨®nimos que han dedicado sus vidas profesionales a hacer todo ¨¦sto posible? Son muchos, una infinidad. Un poco de historia ayudar¨¢ a comprender la aportaci¨®n de estos h¨¦roes que construyen estaciones de trabajo en sincrotrones (beamlines). Esto pondr¨¢ en perspectiva la complejidad del sincrotr¨®n Aurora, que est¨¢ en proyecto en Barcelona.

Los sincrotrones son aceleradores de part¨ªculas (normalmente electrones) que se usaban en la f¨ªsica de altas energ¨ªas. Se hab¨ªa observado antes la radiaci¨®n electromagn¨¦tica emitida por los sincrotrones, tangencial a la trayectoria de los electrones en el anillo, pero se consider¨® como un fen¨®meno perjudicial que acortaba el tiempo que los electrones estaban en ¨®rbita. A pesar de todo, ciertos investigadores encontraron que esa radiaci¨®n externa se pod¨ªa caracterizar y era muy ¨²til en toda la gama del espectro, desde el infrarrojo hasta los rayos X. Esta radiaci¨®n se usaba de un modo par¨¢sito, no dedicado exclusivamente a ello. El sincrotr¨®n m¨¢s importante hasta los a?os setenta fue DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) en Alemania. ?ste fue el primero que tuvo unas caracter¨ªsticas tales que emit¨ªa bastante radiaci¨®n en la regi¨®n de los rayos X (alrededor de 1 angstrom de longitud de onda, o energ¨ªa de 12,398 kiloelectronvoltios).

La otra corriente de pensamiento proviene de las ciencias biof¨ªsicas y del inter¨¦s de ciertos investigadores (Ken Holmes, Alemania y Hugh Huxley, Inglaterra) en los a?os sesenta en entender el funcionamiento de esa m¨¢quina maravillosa que es el tejido muscular. ?Qu¨¦ cambios estructurales tienen lugar en las mol¨¦culas componentes del m¨²sculo durante el ciclo de tensi¨®n y relajaci¨®n? ?C¨®mo podemos seguir estos movimientos estructurales usando m¨¦todos de difracci¨®n de rayos X? Las preguntas no eran triviales ya que los generadores de rayos X de la ¨¦poca no ten¨ªan intensidad suficiente para dar ninguna informaci¨®n. En la confluencia de esas dos vertientes aparece nuestro h¨¦roe an¨®nimo, Gerd Rosenbaum, nacido en Breslau, Alemania en 1942. Rosenbaum quer¨ªa utilizar sus habilidades ¨²nicas de artesano de instrumentos cient¨ªficos para estudiar y entender problemas biol¨®gicos interesantes; el estudio del funcionamiento del tejido muscular le parec¨ªa fascinante. De esta forma, Holmes y Rosenbaum iniciaron una colaboraci¨®n en 1969 que result¨® en los primeros usos de la radiaci¨®n emitida por sincrotrones para el estudio de procesos biol¨®gicos, especialmente el estudio del m¨²sculo. Rosenbaum y su colega Jean Witz dise?aron los sistemas e instrumentos ¨®pticos de rayos X necesarios para dirigir, enfocar y monocromatizar (filtrar a una sola longitud de onda o color) los rayos X originados en el sincrotr¨®n DESY, e iluminaron con ellos una muestra de unas pocas d¨¦cimas de mil¨ªmetro de m¨²sculo de insecto, en un b¨²nker de cemento a varias decenas de metros del origen de los rayos X. Adem¨¢s, el patr¨®n de difracci¨®n obtenido durante la exposici¨®n de la muestra ten¨ªa que ser grabado en una pel¨ªcula sensible a los rayos X. Finalmente, dado el nivel de radiaci¨®n dentro del b¨²nker, todos los instrumentos ten¨ªan que operar por control remoto. La primera fotograf¨ªa as¨ª obtenida (unos pocos puntos oscuros, distribuidos en el centro a lo largo de dos l¨ªneas perpendiculares) se public¨® en Nature en 1971.

El resto es historia. Desde entonces Rosenbaum ha dise?ado l¨ªneas en los sincrotrones y anillos de rayos X (storage rings) de todo el mundo. Sus aportaciones incluyen la l¨ªnea 19-ID (SBC-CAT) en el Advanced Photon Source (APS, Chicago, USA) donde se obtuvieron (finales del 2000) los datos para calcular a nivel at¨®mico la estructura del ribosoma, el elemento molecular clave para la s¨ªntesis de prote¨ªnas. Uno se pregunta, ?no son estas l¨ªneas comparables a las maravillas escult¨®ricas y arquitect¨®nicas de nuestro tiempo, e incluso de tiempos pasados? ?No son equivalentes a los cron¨®metros que revolucionaron la navegaci¨®n oce¨¢nica? En un contexto diferente, ?no se puede comparar el dise?o, ejecuci¨®n y construcci¨®n de estas maravillas tecnol¨®gicas a la concepci¨®n, desarrollo y armonizaci¨®n de una sinfon¨ªa? De cualquier modo, la revoluci¨®n en biolog¨ªa molecular estructural no hubiera tenido lugar sin la imaginaci¨®n y el esfuerzo de Rosenbaum y muchos otros como ¨¦l. Es preciso que les reconozcamos como lo que son: nuestros h¨¦roes an¨®nimos.

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