Destellos brillantes y ultracortos iluminar¨¢n la nueva biolog¨ªa estructural
Los l¨¢seres de rayos X abren paso a la cristalograf¨ªa sin cristales
La observaci¨®n directa del mundo que nos rodea revela claramente que los materiales componentes de los seres vivos son distintos de los materiales que integran el mundo inerte. De modo simplista se puede decir que los materiales inertes son duros como piedras mientras que los materiales biol¨®gicos son delicados como flores. Naturalmente, ambos materiales est¨¢n hechos de ¨¢tomos, participando de aquella visi¨®n filos¨®fica de los atomistas griegos (Dem¨®crito de Abdera, 460-370 A.C.) sustanciada por la ciencia moderna. Las fuerzas naturales han seleccionado distintos ¨¢tomos componentes y distintas estructuras moleculares para cada uno de los dominios distintos de la naturaleza.
Los avances cient¨ªficos del siglo pasado han establecido, sin lugar a dudas, que los organismos vivos se rigen por las mismas leyes f¨ªsico-qu¨ªmicas que la materia inerte, empezando con la qu¨ªmica de los compuestos org¨¢nicos m¨¢s simples, la bioqu¨ªmica y fisiolog¨ªa despu¨¦s, y terminando con la estructura del ADN, el c¨®digo gen¨¦tico y la secuencia del genoma humano en las ¨²ltimas d¨¦cadas del siglo XX. La biolog¨ªa estructural actual ha revelado el sutil entramado at¨®mico, encaje de bolillos y bordado at¨®mico, que constituyen las formas y estructuras de las mol¨¦culas que hacen posible la vida. El banco de datos de prote¨ªnas (Protein Data Bank) contiene ahora m¨¢s de 60.000 estructuras moleculares, obtenidas laboriosamente por laboratorios en todo el mundo en los ¨²ltimos 50 a?os desde que se revelaron las estructuras de las primeras prote¨ªnas: hemoglobina y m¨ªoglobina.
Los grandes sincrotrones de tercera generaci¨®n parec¨ªan ser las ultimas linternas m¨¢gicas para iluminar la materia y arrancar sus secretos estructurales
Estos resultados tan espectaculares son el logro de los artesanos manuales de la ciencia, los h¨¦roes an¨®nimos que por un momento han subido al escenario
La gran mayor¨ªa (m¨¢s del 95%) de este cat¨¢logo de estructuras moleculares se ha obtenido gracias al m¨¦todo de la difracci¨®n de rayos X en cristales formados por las mol¨¦culas integrantes; una metodolog¨ªa que ha dado sus resultados m¨¢s espectaculares con el uso de los sincrotrones. Estas instalaciones cient¨ªficas se han propagado por todo el mundo aumentando la capacidad de la biolog¨ªa estructural de una forma inimaginable hace solo unas d¨¦cadas. Los grandes sincrotrones de la tercera generaci¨®n (ESRF en Francia; Spring8 en Jap¨®n; APS en Estados Unidos) parec¨ªan ser las ultimas linternas m¨¢gicas para iluminar la materia y arrancar sus secretos estructurales.
Una vez m¨¢s, nunca se debe subestimar la capacidad de la curiosidad, pasi¨®n e imaginaci¨®n humanas para sobrepasar los l¨ªmites. Las nuevas fuentes de rayos X, conocidas como l¨¢seres de electrones libres (XFEL) tienen unas caracter¨ªsticas t¨¦cnicas que permiten iluminar e interrogar de una forma singular y nueva a la materia que nos rodea y en particular a las mol¨¦culas que forman parte de los seres vivos. Incluso en relaci¨®n con los sincrotrones de la tercera generaci¨®n mencionados antes, la intensidad de los XFEL es espectacular. El Linac Coherent Light Source (LCLS), cerca del campus de la Universidad de Stanford en California, es el primer laser de rayos X y en la actualidad la fuente m¨¢s brillante del mundo. El termino brillante (brilliant) se refiere en este caso al n¨²mero de fotones por unidad de tiempo, de ¨¢rea, de ¨¢ngulo, de paso de longitud de onda de la radiaci¨®n (fotons/s/mm2/mrad2/0.1%BandWidth) .
Los pulsos delLCLS exceden en brillo a los de los sincrotrones convencionales de la tercera generaci¨®n en un factor de 10.000 millones (10 elevado a la novena potencia).Por comparaci¨®n, toda la energ¨ªa contenida en un pulso aislado del LCLS enfocado en una mil¨¦sima de mil¨ªmetro cuadrado de superficie ser¨ªa equivalente a la energ¨ªa total de la radiaci¨®n solar concentrada en un mil¨ªmetro cuadrado.
Desaparecen en billon¨¦simas de segundo
Naturalmente, esto implica una limitaci¨®n: la energ¨ªa es tal que los materiales expuestos se vaporizan en billon¨¦simas de segundo. Sin embargo, la coherencia, es decir, la homogeneidad en tiempo (o fase) y el paralelismo de los rayos X producidos por estas nuevas fuentes es espectacular, permitiendo ver efectos de difracci¨®n de una sola mol¨¦cula. No hay necesidad de empaquetar billones de mol¨¦culas en un cristal para aumentar la se?al de la difracci¨®n y disminuir el ruido debido a las imperfecciones de la red cristalina y las variaciones de mol¨¦culas integrantes. Son estas las propiedades que singularizan a los XFEL como algo ¨²nico en la segunda d¨¦cada de nuestro siglo.
?C¨®mo explotar estas propiedades para interrogar a la naturaleza con experimentos inteligentes? ?Ser¨ªa posible exponer muestras de mol¨¦culas biol¨®gicas y obtener informaci¨®n sin vaporizarlas antes: difracci¨®n sin destrucci¨®n? Responder a estas preguntas requiere unos dispositivos experimentales extremadamente complejos, intrincados, que adem¨¢s han de coordinarse con los pulsos extremadamente cortos (femtosegundos) de rayos X emitidos por los XFEL. Entre otras muchas sutilezas experimentales que los espectaculares trabajos de Janos Hajdu y Henry Chapman (y la multitud de colaboradores internacionales) han tenido que resolver figura en primera fila el dispositivo experimental necesario para exponer las muestras biol¨®gicas por una fracci¨®n peque?¨ªsima de tiempo a los intensos rayos X. Los dos equipos multinacionales han resuelto el problema de dos formas an¨¢logas para dos tipos de muestras biol¨®gicas distintas. De este modo han abierto el camino para dos formas nuevas de estudiar los materiales biol¨®gicos.
En los experimentos de difracci¨®n llevado a cabo sin cristales, las part¨ªculas v¨ªricas individuales de mimivirus (el virus m¨¢s grande que se conoce) fueron inyectadas en una suspensi¨®n gaseosa (aerosol) en una direcci¨®n perpendicular a la trayectoria de los rayos X emitidos por el XFEL. Cuando los fotones encontraron a una part¨ªcula en su camino, la difracci¨®n fue recogida por el detector ultra-r¨¢pido colocado detr¨¢s. El an¨¢lisis computacional de estas im¨¢genes permite la reconstrucci¨®n de la estructura de la part¨ªcula viral.
Los experimentos del grupo de Chapman y sus colaboradores ten¨ªan como objeto reconstruir la estructura tridimensional del complejo prote¨ªnico llamado Fotosistema I (PS-I, involucrado en la fotos¨ªntesis en las plantas) a partir de datos obtenidos de cristales de dimensiones del orden de billon¨¦simas de metro (nanocristales). Al ser los cristales tan peque?os solo podr¨ªan contener en su interior un n¨²mero muy peque?o de mol¨¦culas ordenadas en la red cristalina. En este caso, el dispositivo experimental fue crear un flujo de cristales en una disoluci¨®n tamp¨®n movi¨¦ndose uniformemente a 10 metros por segundo en un capilar, tambi¨¦n en direcci¨®n perpendicular a los rayos X. Los patrones de difracci¨®n producidos cuando la radiaci¨®n encontraba un nanocristal en su camino (aproximadamente 15.000) fueron procesados y permitieron reconstruir la estructura de la prote¨ªna PS-I a 8.5 ? de resoluci¨®n.
Estos logros tan espectaculares no son el resultado de las grandes mentes te¨®ricas de la ciencia actual. No. Son el logro de los artesanos manuales de la ciencia. Los h¨¦roes an¨®nimos que por un momento han subido al escenario. Ellos son los que han dise?ado, creado y han demostrado como usar un icono monumental comparable a las grandes catedrales medievales, pero en el dominio de la instrumentaci¨®n cient¨ªfica.
La curiosidad e imaginaci¨®n de la comunidad internacional de f¨ªsicos, instrumentalistas, especialistas de sincrotrones y bi¨®logos estructurales ha abierto una ventana para explorar las sutilezas estructurales y at¨®micas del mundo que nos rodea. Es un buen augurio para las d¨¦cadas venideras de nuestro siglo de que la biolog¨ªa estructural continua viva y vibrante. Esperemos que estos descubrimientos redunden de una forma directa o indirecta en beneficio de la humanidad.
Cele Abad-Zapatero es profesor adjunto en la Universidad de Illinois en Chicago y autor de Crystals and Life (IUL, 2002). En la actualidad est¨¢ de profesor visitante en la Universidad y en el Parque Cient¨ªfico de Barcelona. Su web
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