Retos biol¨®gicos para un sincrotr¨®n

La coincidencia de los primeros ¨¦xitos en el gran colisionador de part¨ªculas LHC del CERN, cerca de Ginebra, con la inauguraci¨®n del sincrotr¨®n Alba, en Cerdanyola del Vall¨¨s, y el cincuentenario del descubrimiento de las primeras estructuras at¨®micas de prote¨ªnas, invita a reflexionar sobre la apasionante confluencia entre los sincrotrones y la biolog¨ªa. Los objetivos, el coste y las caracter¨ªsticas del LHC y de Alba son muy diferentes, pero ambas instalaciones comparten una idea: son anillos en los que se aceleran part¨ªculas con carga el¨¦ctrica -tales como electrones o protones- a velocidades pr¨®ximas a la de la luz, un l¨ªmite insuperable seg¨²n la teor¨ªa de la relatividad especial de Einstein. El objetivo inicial de los f¨ªsicos al dise?ar estas m¨¢quinas era colisionar las part¨ªculas para averiguar, al romperlas, de qu¨¦ y c¨®mo estaban hechas. Es dif¨ªcil exagerar la importancia que ha tenido este sencillo planteamiento: ha proporcionado informaci¨®n esencial sobre la organizaci¨®n de la materia y las leyes fundamentales del universo.

La radiaci¨®n es muy ¨²til en el desarrollo de nuevos f¨¢rmacos

Los resultados no previstos son, a menudo, los m¨¢s valiosos

La confianza en el potencial de los aceleradores de part¨ªculas, confirmada despu¨¦s de d¨¦cadas de experimentaci¨®n con instalaciones cada vez m¨¢s potentes y sofisticadas, ha animado a llevar a cabo una obra colosal como el LHC, cuyos objetivos son de investigaci¨®n b¨¢sica.

El coste de construcci¨®n y de funcionamiento de los aceleradores de part¨ªculas es importante. Mantener part¨ªculas cargadas girando en los anillos tiene un coste energ¨¦tico enorme, sobre todo porque las part¨ªculas se frenan r¨¢pidamente si no se les suministra energ¨ªa que compense la que pierden emitiendo radiaci¨®n electromagn¨¦tica (luz) cada vez que se aceleran. Las aceleraciones son, a su vez, inevitables en las curvas que impone la propia forma de los anillos. La radiaci¨®n as¨ª producida, denominada radiaci¨®n o luz de sincrotr¨®n, fue, y todav¨ªa es, uno de los grandes problemas de los aceleradores no lineales.

En la d¨¦cada de los sesenta, sin embargo, algunos cient¨ªficos empezaron a experimentar con esa radiaci¨®n de sincrotr¨®n, inevitable y costosa. Esos primeros experimentos, realizados en condiciones dif¨ªciles, de forma parasitaria, pusieron inmediatamente de manifiesto las caracter¨ªsticas singulares y el enorme inter¨¦s que esa luz ten¨ªa en s¨ª misma hasta el punto de plantear la construcci¨®n de aceleradores dedicados exclusivamente a producirla. El objetivo de estos sincrotrones es, por tanto, la producci¨®n de radiaci¨®n y, por consiguiente, lo que interesa es que las part¨ªculas se mantengan movi¨¦ndose dentro del anillo durante el mayor tiempo posible y con la m¨¢xima estabilidad, evitando, por supuesto, cualquier tipo de choque. Alba es un sincrotr¨®n de este tipo, una fuente de luz, y no debe pensarse como una versi¨®n reducida del LHC, que representa la situaci¨®n extrema, gigantesca, de los aceleradores cl¨¢sicos de choque. Por cierto, la aparici¨®n de los sincrotrones dedicados a producir radiaci¨®n a partir de lo que precisamente era un problema, nos recuerda lo dif¨ªcil que es planificar el futuro en ciencia, donde los resultados no previstos son, a menudo, los m¨¢s valiosos.

Los primeros experimentos para utilizar la radiaci¨®n de sincrotr¨®n en estudios biol¨®gicos datan de los a?os setenta. Los pioneros tuvieron que convencer a los f¨ªsicos de que les dejaran instalar en uno de los bunkers del anillo del sincrotr¨®n de Hamburgo, entonces el m¨¢s potente de Europa, un sistema ¨®ptico capaz de recoger la radiaci¨®n -fundamentalmente, los rayos X- y bombardear con ella una peque?a muestra biol¨®gica, un m¨²sculo de ala de insecto. John Kendrew, por entonces director del reci¨¦n creado Laboratorio Europeo de Biolog¨ªa Molecular (EMBL), conoc¨ªa muy bien las posibilidades de los rayos X: 10 a?os antes hab¨ªa resuelto la primera estructura tridimensional de una prote¨ªna, la mioglobina -lo que le vali¨® el Premio Nobel en 1962-, irradiando cristales de esta prote¨ªna con los rayos X producidos en un generador convencional, no en un sincrotr¨®n, en Cambridge. La radiaci¨®n de sincrotr¨®n, ¨®rdenes de magnitud m¨¢s intensa, direccionada y poco divergente, podr¨ªa ser muy ¨²til. Y as¨ª apoy¨® con entusiasmo la propuesta de creaci¨®n de una peque?a estaci¨®n del EMBL en el sincrotr¨®n alem¨¢n. El acuerdo se firm¨® en 1975: bi¨®logos y f¨ªsicos iban a trabajar en el sincrotr¨®n codo con codo. Al cabo de los a?os, nadie puede negar que aquella decisi¨®n fuera acertada: una de las m¨¢s exitosas aplicaciones de la radiaci¨®n de sincrotr¨®n ha sido la resoluci¨®n de estructuras at¨®micas tridimensionales de prote¨ªnas, a partir de sus cristales. Miles de ellas han sido resueltas empleando los rayos X producidos en alg¨²n sincrotr¨®n. Complicadas m¨¢quinas moleculares formadas por prote¨ªnas, como la RNA polimerasa, que transcribe la informaci¨®n gen¨¦tica del ADN en ARN, o el ribosoma, que traduce, a su vez, el ARN en prote¨ªnas, han sido descifradas gracias a la radiaci¨®n de sincrotr¨®n. Ambos descubrimientos han sido objeto de recientes premios Nobel.

Tambi¨¦n para el desarrollo de nuevos f¨¢rmacos la radiaci¨®n de sincrotr¨®n se ha demostrado muy ¨²til al permitir visualizar c¨®mo estos se unen a sus prote¨ªnas diana y las inactivan, causando su efecto terap¨¦utico. Alrededor de los sincrotrones, en Hamburgo, en Grenoble, en Oxford, etc¨¦tera, se han construido o se est¨¢n construyendo no ya peque?as estaciones como la del EMBL de los a?os setenta, sino importantes centros de investigaci¨®n que abordan retos pendientes de la biolog¨ªa estructural: el estudio de las prote¨ªnas de membrana, los virus, los grandes complejos moleculares y otros muchos aspectos de la investigaci¨®n biom¨¦dica puntera.

La producci¨®n de rayos X en Alba est¨¢ pensada para las aplicaciones m¨¢s diversas, entre ellas las biol¨®gicas. Todo indica que estar¨¢ en el club de las mejores fuentes de luz europeas y es hoy justo reconocer el esfuerzo de todos quienes han contribuido a ello. Tres de las llamadas l¨ªneas de luz -salidas tangenciales al anillo, donde se colocan las estaciones experimentales- son de aplicaci¨®n biol¨®gica: una, de difracci¨®n de cristales, permitir¨¢ resolver estructuras de prote¨ªnas y otras macromol¨¦culas a muy alta resoluci¨®n, como en los ejemplos mencionados; otra, de difracci¨®n de bajo ¨¢ngulo, permitir¨¢ analizar muestras no cristalizadas, a menos resoluci¨®n, pero igualmente ¨²til; y una tercera, de microscop¨ªa de rayos X, servir¨¢ para ver, por ejemplo, c¨¦lulas u org¨¢nulos enteros. La biolog¨ªa est¨¢ de enhorabuena en Espa?a, va a contar con un instrumento extraordinario y al alcance de la mano.

Ignacio Fita y Miquel Coll son investigadores del Instituto de Investigaci¨®n Biom¨¦dica y del Instituto de Biolog¨ªa Molecular de Barcelona-CSIC.