Explosiones en miniatura para un desaf¨ªo biol¨®gico

Disparos cort¨ªsimos de un l¨¢ser de un bill¨®n de vatios para destruir nanocristales en explosiones diminutas: es algo que puede parecer sacado de una novela futurista, pero en realidad es una aplicaci¨®n de unas nuevas y poderosas m¨¢quinas que est¨¢ causando revuelo en la biolog¨ªa por las expectativas que abre. Conocer la estructura at¨®mica en tres dimensiones de las prote¨ªnas, los bloques b¨¢sicos de las funciones vitales, es uno de los desaf¨ªos m¨¢s importantes que todav¨ªa tiene planteados la biolog¨ªa, e incluso hay concursos mundiales para estimular su resoluci¨®n. Es b¨¢sico, por ejemplo, conocer c¨®mo es una prote¨ªna de membrana de una c¨¦lula para saber c¨®mo se engancha el virus del sida para infectarla y poder desarrollar medicamentos que lo impidan.

Las muestras dan informaci¨®n cuando ya no existen

"La clave del resultado obtenido es la cristalinidad", seg¨²n los cient¨ªficos

Pese a los avances, much¨ªsimos en los ¨²ltimos 50 a?os, y recientes herramientas como los sincrotrones, a¨²n queda bastante camino por andar y por eso un nuevo tipo de l¨¢ser, XFEL, que ya funciona en Estados Unidos y que se est¨¢ construyendo en Europa, da razones para el optimismo. Su secreto es que emite r¨¢fagas de pulsos m¨¢s cortos y de mayor energ¨ªa, lo que te¨®ricamente da mucha mejor resoluci¨®n.

La primera confirmaci¨®n para este optimismo proviene de un experimento realizado en el l¨¢ser de rayos X del laboratorio estadounidense SLAC por un equipo internacional liderado por cient¨ªficos del laboratorio europeo DESY. Con pulsos de solo 30 femtosegundos (un femtosegundo es un tiempo inimaginablemente corto equivalente a 10 elevado a 14) han conseguido obtener informaci¨®n estructural de nanocristales del complejo Fotosistema I a pesar de que los destruye instant¨¢neamente con su enorme energ¨ªa por cent¨ªmetro cuadrado. Es el pulso m¨¢s corto que se ha conseguido hasta ahora y los resultados son sorprendentes.

La t¨¦cnica b¨¢sica es la misma que utilizaba para intentar desentra?ar la estructura del ADN hace 50 a?os Rosalind Franklin, que encamin¨® a Watson y Crick hacia su ?Eureka! de la doble h¨¦lice. Se radian cristales con rayos X y se obtienen patrones de difracci¨®n que permiten deducir la estructura tridimensional de la muestra. "La difracci¨®n de rayos X es quiz¨¢s la t¨¦cnica que m¨¢s ha influido en la biolog¨ªa molecular", explica Jos¨¦ Mar¨ªa Valpuesta, experto en estructuras moleculares y director del Centro Nacional de Biotecnolog¨ªa. "Sin embargo, est¨¢ claro que su uso tiene un cuello de botella, la generaci¨®n de cristales". El problema es que de muchas mol¨¦culas no se obtienen cristales de tama?o suficiente para ser irradiados, incluso con las fuentes de rayos X de alta energ¨ªa como son los sincrotones. Pero tambi¨¦n est¨¢ el problema de la destrucci¨®n de la muestra antes de poder extraer la informaci¨®n.

"Un gran problema t¨¦cnico planteado, a medida que aument¨® la energ¨ªa aplicada en los sincrotrones de tercera generaci¨®n, es el deterioro de la muestra expuesta a la radiaci¨®n", recuerda Cele AbadZapatero, experto en estructuras de prote¨ªnas. "Algunos investigadores vieron con escepticismo el papel de los l¨¢seres de rayos X en la resoluci¨®n de estructuras biol¨®gicas, dada la gran cantidad de energ¨ªa por unidad de ¨¢rea que estas fuentes pueden concentrar en nanomuestras, que resultar¨ªan vaporizadas".

Por eso, la sorpresa ha sido grande. Con pulsos m¨¢s largos de lo que se cre¨ªa imprescindible, que bombardean un chorro, de cuatro micras de di¨¢metro, de nanocristales en un medio l¨ªquido, se ha obtenido buena informaci¨®n de muestras que, parad¨®jicamente, resultan destruidas antes de que termine el pulso. Aunque todo sea f¨ªsica y qu¨ªmica, el proceso ya no es el mismo que en los sincrotrones, dicen los cient¨ªficos, liderados por Anton Barty y Henry Chapman, al presentar su trabajo en Nature Photonics.

"La clave de los resultados inesperados que hemos tenido es la cristalinidad", explica Chapman. Debido a la estructura cristalina (regular) los rayos X no se dispersan de forma uniforme en todas las direcciones y el patr¨®n obtenido se forma antes de la explosi¨®n de la muestra, como si el pulso fuera m¨¢s corto.

"En un sincrotr¨®n todo sucede m¨¢s despacio y hay tiempo suficiente para que se produzca da?o en los enlaces qu¨ªmicos", a?ade Barty. "En un l¨¢ser de rayos X la muestra se convierte en plasma en pocos femtosegundos. Durante las primeras fases de la explosi¨®n los ¨¢tomos se quedan en su sitio, debido a su propia inercia y se puede registrar la estructura".

"El desarrollo de esta nueva fuente de radiaci¨®n supone un avance enorme en muchos campos, pero desde luego en la cristalograf¨ªa de rayos X", dice Valpuesta, quien concluye: "Esta t¨¦cnica puede te¨®ricamente utilizarse sobre mol¨¦culas no cristalizadas, con t¨¦cnicas tomogr¨¢ficas, lo que, de conseguirse, abrir¨ªa un campo casi infinito para la determinaci¨®n estructural de cualquier tipo de mol¨¦cula sin necesidad de ser cristalizada".

"El trabajo parece un avance t¨¦cnico cualitativo importante", se?ala AbadZapatero. "Abrir¨¢ las puertas a la obtenci¨®n de estructuras biol¨®gicas dif¨ªciles de cristalizar, entre ellas las prote¨ªnas de membrana, y permitir¨¢ mantener el crecimiento del Banco de Datos de Prote¨ªnas (www.pdb.org), que ya almacena 77.000 estructuras, para encarar problemas biol¨®gicos cada vez m¨¢s dif¨ªciles de resolver y de mayor relevancia cient¨ªfica y m¨¦dica".