?Morir¨¢ de ¨¦xito la biolog¨ªa estructural?

La biolog¨ªa estructural es la ciencia joven y revolucionaria de la segunda mitad del siglo XX (Watson y Crick, 1953) que nos revel¨® la estructura ¨²nica de la doble h¨¦lice del ADN, explicando el mecanismo de la duplicaci¨®n del material gen¨¦tico con una escultura molecular maravillosa. Una d¨¦cada m¨¢s tarde, y tras una labor ardua y penosa, Kendrew y Perutz revelaron por primera vez, a escala at¨®mica, las contorsiones viscerales de las estructuras de las primeras prote¨ªnas (hemoglobina y mioglobina). Enterrada en su complejidad at¨®mica (varios miles de ¨¢tomos), las estructuras escond¨ªan el secreto de su funci¨®n como transportadoras de ox¨ªgeno.

Los bi¨®logos del siglo XXI navegar¨¢n en dos direcciones opuestas aparentemente

El 'bistur¨ª' ha resultado ser los intensos rayos X emitidos por los sincrotrones

Estos descubrimientos fueron el origen de la multitud de estructuras tridimensionales de macromol¨¦culas biol¨®gicas que se han determinado hasta el momento. El Protein Data Bank (PDB, accesible en la direcci¨®n de Internet www.rcsb.org) contiene en la actualidad m¨¢s de 40.000 estructuras, y se siguen descubriendo diariamente en los laboratorios del mundo al ritmo de 5.000 anuales.

Las estructuras iluminan y explican a nivel at¨®mico multitud de fen¨®menos bioqu¨ªmicos, gen¨¦ticos, biol¨®gicos y m¨¦dicos, y probablemente servir¨¢n para descubrir nuevas aplicaciones terap¨¦uticas. Esta galer¨ªa enorme de estructuras representa una extensi¨®n -a nivel at¨®mico- de la tradici¨®n anat¨®mica que empez¨® con Andrea Vesalio en el Renacimiento y continu¨® a nivel celular con George Palade en la primera mitad del siglo XX.

El bistur¨ª de la biolog¨ªa estructural at¨®mica de nuestro siglo ha resultado ser los intensos Rayos X emitidos por los sincrotrones. Los sincrotrones actuales son aceleradores de electrones dise?ados especialmente para producir radiaciones con una longitud de onda (propiedad an¨¢loga al color en la radiaci¨®n visible) variable que permite analizar estructuralmente una gran variedad de materiales, tanto biol¨®gicos como inertes.

?ste es precisamente el objetivo del sincrotr¨®n ALBA, que se est¨¢ construyendo en la actualidad en Catalu?a. El proyecto es construir el anillo donde circular¨¢n los electrones en una ¨®rbita circular y completar una serie de estaciones alrededor que aprovechar¨¢n de forma ¨²nica las caracter¨ªsticas de la radiaci¨®n emitida (longitud de onda, intensidad, enfoque y otras) para efectuar distintos experimentos. Los experimentos tendr¨¢n como objetivo: examinar la organizaci¨®n de la materia (cristalina o amorfa); obtener la estructura de materiales cristalinos (prote¨ªnas, complejos macromoleculares); identificar los elementos o especies qu¨ªmicas que est¨¢n presentes, o producir im¨¢genes detalladas de las muestras, adem¨¢s de muchas otras posibilidades.

?Hacia d¨®nde ir¨¢ la biolog¨ªa estructural en nuestro siglo? ?Ser¨¢ posible que a esta etapa de madurez tan extraordinaria le siga un periodo de oscuridad y anonimato, enterrada bajo todas aquellas ciencias a las que ha transformado? Los mismos bi¨®logos estructurales se est¨¢n planteando esta pregunta cr¨ªtica, ya que los m¨¦todos desarrollados en los ¨²ltimos 40 a?os para resolver esa multitud de estructuras al a?o est¨¢n ya bien establecidos y codificados en algoritmos y programas de computadora que las personas no expertas pueden utilizar, sin consultar con los cristal¨®grafos. ?Desaparecer¨¢ la biolog¨ªa estructural de nuestro cat¨¢logo de ciencias din¨¢micas para esconderse en una vejez an¨®nima, o resurgir¨¢ de nuevo con el impulso de nuevas t¨¦cnicas?

En cierta forma, la respuesta a esta pregunta est¨¢ relacionada con la respuesta a una pregunta simple que se repite en las clases de ciencias naturales a lo largo de todo el proceso educativo: ?cu¨¢les son los estados de la materia? La respuesta se suele considerar elemental: s¨®lido, l¨ªquido y gaseoso; todo el mundo sabe eso, ?no? Esa respuesta tan simple no considera expl¨ªcitamente a los seres vivos. Ignora la multitud de organismos que pueblan nuestros mares, pululan en el aire o se multiplican en el suelo. Desde los virus y bacterias diminutos hasta las hermosas ballenas del oc¨¦ano, e incluy¨¦ndonos a nosotros mismos. Nuestros cuerpos tienen consistencia por la presencia de elementos s¨®lidos (por ejemplo, los huesos), funcionan gracias a la circulaci¨®n de l¨ªquidos vitales (la sangre) e intercambian con el exterior gases (aire, anh¨ªdrido carb¨®nico) que son cr¨ªticos para los procesos biol¨®gicos.

El intercambio de materia, energ¨ªa e informaci¨®n con el medio que les rodea es precisamente lo que caracteriza a los seres vivos y los separa de la materia inerte. Termodin¨¢micamente, los seres vivos son sistemas abiertos. Esta caracter¨ªstica es la clave para entender el concepto de vivo frente a no vivo, y representa algo m¨¢s tangible que los conceptos de esp¨ªritu, alma o el¨¢n vital, entre otros, que se han usado a lo largo del tiempo para explicar esa dicotom¨ªa fundamental. La combinaci¨®n de ser sistemas termodin¨¢micamente abiertos y estar compuestos de entidades moleculares extremadamente complejas (prote¨ªnas, ¨¢cidos nucleicos, l¨ªpidos, iones, etc¨¦tera) caracteriza plenamente a los seres vivos y apunta a su riqueza estructural y funcional.

Los bi¨®logos estructurales actuales se han dado cuenta de que para entender el funcionamiento de los organismos m¨¢s all¨¢ de sus partes integrantes tienen que extender sus estudios estructurales en dos direcciones aparentemente opuestas. En las revistas especializadas se ha sugerido que los bi¨®logos estructurales actuales han de abandonar los confines de las t¨¦cnicas que conocen bien (cristalograf¨ªa de macromol¨¦culas, microscop¨ªa) y navegar hacia el este y el oeste de este meridiano, tratando de descubrir otros continentes estructurales.

Por el este, digamos, han de tratar de establecer t¨¦cnicas experimentales que les permitan obtener la estructura de entidades moleculares complejas usando muestras sin cristalizar, usando los sincrotrones de la cuarta generaci¨®n o X-ray Free Electron Lasers (XFEL) con unas intensidades y coherencia muy superiores a las actuales. Los experimentos iniciales para establecer esta t¨¦cnica experimental se est¨¢n llevando a cabo ahora en el m¨¢s avanzado de los XFEL (llamado FLASH), recientemente estrenado en Alemania.

Por el oeste, las nuevas t¨¦cnicas de reconstrucci¨®n de im¨¢genes usando radiaci¨®n de sincrotrones (Diffraction Enhanced Imaging, DEI) permiten ver de forma detallad¨ªsima los ¨®rganos y tejidos de poco contraste (por ejemplo, los pulmones y cart¨ªlagos) en estados normales y patol¨®gicos.

A medida que los bi¨®logos estructurales naveguen durante el siglo XXI en estas dos direcciones aparentemente opuestas, se encontrar¨¢n m¨¢s tarde al otro lado de la esfera y se dar¨¢n cuenta de que su conocimiento del funcionamiento y operaci¨®n de los seres vivos ser¨¢ muy superior al que tenemos en la actualidad. Podr¨¢n estudiar en el espacio y en el tiempo la microestructura (el orden interno, las regularidades, las interacciones entre las piezas moleculares) y adem¨¢s el movimiento de las mol¨¦culas componentes (iones, prote¨ªnas, l¨ªpidos, etc¨¦tera) que les permitir¨¢n entender mejor el funcionamiento de los seres vivos. Podr¨¢n estudiar las piezas y la circulaci¨®n (los flujos) de los elementos y compuestos qu¨ªmicos dentro de los organismos. Esto les llevar¨¢ a una biolog¨ªa de sistemas mucho m¨¢s rigurosa.

Cele Abad Zapatero es profesor adjunto en el Center for Pharmaceutical Biotechnology de la Universidad de Illinois en Chicago (UIC) y autor de Crystals and life: a personal journey (IUL, 2002).