Cristales y rayos X: La aventura continúa

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PANEL_09.inddTan sólo un siglo después de los primeros estudios de cristalografía estructural, se ha multiplicado por varios millones el nivel de complejidad abordable usando métodos cristalográficos de difracción. Pero esto es solo el principio. Las nuevas instalaciones de radiación sincrotrón y de laser de electrones libres, junto con los nuevos métodos cristalográficos y los ordenadores cada vez más potentes donde pueden ser implementados auguran un crecimiento cada vez más acelerado de la materia usando conocimiento cristalográfico.

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Los sincrotrones son aceleradores de partículas capaces de producir un haz de rayos X varios órdenes de magnitud más intenso que un equipo convencional de laboratorio. Estos haces de rayos X permiten la realización de experimentos antes imposibles, como por ejemplo los que producen muy baja intensidad difractada por la propia naturaleza del cristal o del proceso estudiado. En 1972 comenzó a funcionar el primer sincrotrón dedicado en Stanford, USA (primera generación), y a partir de ahí han ido evolucionando hasta llegar a los sincrotrones más modernos de tercera generación como el European Sychrotron Radiation Facility (Grenoble, Francia) o el sincrotrón español ALBA, en Barcelona.

 Las instalaciones de luz sincrotrón son las catedrales de la cristalografía, los grandes laboratorios a los que peregrinan los cristalógrafos para desvelar la estructura intima y el comportamiento de la materia y descubrir como funciona la vida.

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Para estudiar como funcionan las máquinas moleculares de la vida es necesario estudiar moléculas cada vez más complejas con cada vez más detalle. Actualmente somos capaces de entender por ejemplo de que forma los receptores de las células T (en rojo) reconocen y bloquean a los invasores del cuerpo (por ejemplo un péptido en azul).

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Algunos problemas de gran importancia en ciencia de materiales o en nanotecnología son muy difíciles de estudiar porque la señal de difracción que producen es de muy baja intensidad. Las fuentes de radiación sincrotrón permiten abordar estos problemas. Un ejemplo típico de este problema es el estudio de materiales magnéticos y de interfases En la figura se muestra las estructuras cristalina y magnética de la interfase entre un material superconductor y un ferromagnético.

Laser de electrones libres

El futuro de la difracción de rayos X se orienta con  a las nuevas fuentes de radiación de rayos X de los láseres de electrones libres (XFEL, del inglés X-Ray Free Electron Laser). Esta nueva fuente de rayos X es varios órdenes de magnitud más intensa que los sincrotrones de ultima generación, lo que permite el uso de cristales nanométricos y tiempos de exposición de tan solo unos femtosegundos (la cuatrillonésima parte de un segundo) logrando información estructural en tiempos muy cortos a partir de cristales muy pequeños. De hecho, esta nueva fuente de radiación esquiva en cierta manera el gran problema de la cristalización.

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Los láseres de electrones libres producen pulsos ultracortos de radiación de altísima intensidad, lo que abre la puerta al estudio de procesos químicos y biológicos extremadamente rápidos. Ya es posible estudiar, por ejemplo como los electrones saltan entre los fragmentos de una molécula en explosión.

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Mapa de las intensidades realizados a partir de doscientos mil patrones de difracción de nanocristales de la enzima catepsina B de Trypanosoma Bruce obtenidos con laser de electrones libres. Información estructural derivada de ese mapa

Pero lo realmente revolucionario de esta nueva técnica es que esos tiempos de exposición tan extraordinariamente cortos permiten obtener información dinámica de lo que pasa en el interior de una molécula o una macromolécula biológica. El futuro no puede ser más fascinante. No sólo vamos a conocer la estructura de la materia sino que vamos a ver en tiempo real, cómo se mueven los átomos, cómo se producen las reacciones, cómo funciona la vida.

Sabías que …

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