Retos biológicos para un sincrotrón
LHC y Alba, dos nuevos aceleradores con objetivos científicos muy diferentes
La coincidencia de los primeros éxitos en el gran colisionador de partículas LHC del CERN, cerca de Ginebra, con la inauguración del sincrotrón Alba, en Cerdanyola del Vallès, y el cincuentenario del descubrimiento de las primeras estructuras atómicas de proteínas, invita a reflexionar sobre la apasionante confluencia entre los sincrotrones y la biología. Los objetivos, el coste y las características del LHC y de Alba son muy diferentes, pero ambas instalaciones comparten una idea: son anillos en los que se aceleran partículas con carga eléctrica -tales como electrones o protones- a velocidades próximas a la de la luz, un límite insuperable según la teoría de la relatividad especial de Einstein. El objetivo inicial de los físicos al diseñar estas máquinas era colisionar las partículas para averiguar, al romperlas, de qué y cómo estaban hechas. Es difícil exagerar la importancia que ha tenido este sencillo planteamiento: ha proporcionado información esencial sobre la organización de la materia y las leyes fundamentales del universo.
La radiación es muy útil en el desarrollo de nuevos fármacos
Los resultados no previstos son, a menudo, los más valiosos
La confianza en el potencial de los aceleradores de partículas, confirmada después de décadas de experimentación con instalaciones cada vez más potentes y sofisticadas, ha animado a llevar a cabo una obra colosal como el LHC, cuyos objetivos son de investigación básica.
El coste de construcción y de funcionamiento de los aceleradores de partículas es importante. Mantener partículas cargadas girando en los anillos tiene un coste energético enorme, sobre todo porque las partículas se frenan rápidamente si no se les suministra energía que compense la que pierden emitiendo radiación electromagnética (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 radiación así producida, denominada radiación o luz de sincrotrón, fue, y todavía es, uno de los grandes problemas de los aceleradores no lineales.
En la década de los sesenta, sin embargo, algunos científicos empezaron a experimentar con esa radiación de sincrotrón, inevitable y costosa. Esos primeros experimentos, realizados en condiciones difíciles, de forma parasitaria, pusieron inmediatamente de manifiesto las características singulares y el enorme interés que esa luz tenía en sí misma hasta el punto de plantear la construcción de aceleradores dedicados exclusivamente a producirla. El objetivo de estos sincrotrones es, por tanto, la producción de radiación y, por consiguiente, lo que interesa es que las partículas se mantengan moviéndose dentro del anillo durante el mayor tiempo posible y con la máxima estabilidad, evitando, por supuesto, cualquier tipo de choque. Alba es un sincrotrón de este tipo, una fuente de luz, y no debe pensarse como una versión reducida del LHC, que representa la situación extrema, gigantesca, de los aceleradores clásicos de choque. Por cierto, la aparición de los sincrotrones dedicados a producir radiación a partir de lo que precisamente era un problema, nos recuerda lo difícil que es planificar el futuro en ciencia, donde los resultados no previstos son, a menudo, los más valiosos.
Los primeros experimentos para utilizar la radiación de sincrotrón en estudios biológicos datan de los años setenta. Los pioneros tuvieron que convencer a los físicos de que les dejaran instalar en uno de los bunkers del anillo del sincrotrón de Hamburgo, entonces el más potente de Europa, un sistema óptico capaz de recoger la radiación -fundamentalmente, los rayos X- y bombardear con ella una pequeña muestra biológica, un músculo de ala de insecto. John Kendrew, por entonces director del recién creado Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL), conocía muy bien las posibilidades de los rayos X: 10 años antes había resuelto la primera estructura tridimensional de una proteína, la mioglobina -lo que le valió el Premio Nobel en 1962-, irradiando cristales de esta proteína con los rayos X producidos en un generador convencional, no en un sincrotrón, en Cambridge. La radiación de sincrotrón, órdenes de magnitud más intensa, direccionada y poco divergente, podría ser muy útil. Y así apoyó con entusiasmo la propuesta de creación de una pequeña estación del EMBL en el sincrotrón alemán. El acuerdo se firmó en 1975: biólogos y físicos iban a trabajar en el sincrotrón codo con codo. Al cabo de los años, nadie puede negar que aquella decisión fuera acertada: una de las más exitosas aplicaciones de la radiación de sincrotrón ha sido la resolución de estructuras atómicas tridimensionales de proteínas, a partir de sus cristales. Miles de ellas han sido resueltas empleando los rayos X producidos en algún sincrotrón. Complicadas máquinas moleculares formadas por proteínas, como la RNA polimerasa, que transcribe la información genética del ADN en ARN, o el ribosoma, que traduce, a su vez, el ARN en proteínas, han sido descifradas gracias a la radiación de sincrotrón. Ambos descubrimientos han sido objeto de recientes premios Nobel.
También para el desarrollo de nuevos fármacos la radiación de sincrotrón se ha demostrado muy útil al permitir visualizar cómo estos se unen a sus proteínas diana y las inactivan, causando su efecto terapéutico. Alrededor de los sincrotrones, en Hamburgo, en Grenoble, en Oxford, etcétera, se han construido o se están construyendo no ya pequeñas estaciones como la del EMBL de los años setenta, sino importantes centros de investigación que abordan retos pendientes de la biología estructural: el estudio de las proteínas de membrana, los virus, los grandes complejos moleculares y otros muchos aspectos de la investigación biomédica puntera.
La producción de rayos X en Alba está pensada para las aplicaciones más diversas, entre ellas las biológicas. Todo indica que estará 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 líneas de luz -salidas tangenciales al anillo, donde se colocan las estaciones experimentales- son de aplicación biológica: una, de difracción de cristales, permitirá resolver estructuras de proteínas y otras macromoléculas a muy alta resolución, como en los ejemplos mencionados; otra, de difracción de bajo ángulo, permitirá analizar muestras no cristalizadas, a menos resolución, pero igualmente útil; y una tercera, de microscopía de rayos X, servirá para ver, por ejemplo, células u orgánulos enteros. La biología está de enhorabuena en España, va a contar con un instrumento extraordinario y al alcance de la mano.
Ignacio Fita y Miquel Coll son investigadores del Instituto de Investigación Biomédica y del Instituto de Biología Molecular de Barcelona-CSIC.
