Explosiones en miniatura para un desafío biológico
Pulsos cortísimos y muy energéticos logran ver la estructura atómica de las proteínas aunque los cristales sean muy pequeños
Un cristal de proteína iluminado por un pulso ultra intenso del láser de rayos X, lo que permite inferir la estructura molecular por la técnica de difracción. / / CFEL / DESY
Disparos cortísimos de un láser de un billón de vatios para destruir nanocristales en explosiones diminutas: es algo que puede parecer sacado de una novela futurista, pero en realidad es una aplicación de unas nuevas y poderosas máquinas que está causando revuelo en la biología por las expectativas que abre. Conocer la estructura atómica en tres dimensiones de las proteínas, los bloques básicos de las funciones vitales, es uno de los desafíos más importantes que todavía tiene planteados la biología, e incluso hay concursos mundiales para estimular su resolución. Es básico, por ejemplo, conocer cómo es una proteína de membrana de una célula para saber cómo se engancha el virus del sida para infectarla y poder desarrollar medicamentos que lo impidan.
Pese a los avances, muchísimos, en los últimos 50 años y recientes herramientas como los sincrotrones, aún queda bastante camino por andar y por eso un nuevo tipo de láser, XFEL, que ya funciona en Estados Unidos y que se está construyendo en Europa, da razones para el optimismo. Su secreto es que emite ráfagas de pulsos más cortos y de mayor energía, lo que teóricamente da mucha mejor resolución.
La primera confirmación para este optimismo proviene de un experimento realizado en el láser de rayos X del laboratorio estadounidense SLAC por un equipo internacional liderado por científicos 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 información estructural de nanocristales del complejo Fotosistema I a pesar de que los destruye instantáneamente con su enorme energía por centímetro cuadrado. Es el pulso más corto que se ha conseguido hasta ahora y los resultados son sorprendentes.
La técnica básica es la misma que utilizaba para intentar desentrañar la estructura del ADN hace 50 años Rosalind Franklin, que encaminó a Watson y Crick hacia su ¡Eureka! de la doble hélice. Se radian cristales con rayos X y se obtienen patrones de difracción que permiten deducir la estructura tridimensional de la muestra. “La difracción de rayos X es quizás la técnica que más ha influido en la biología molecular”, explica José María Valpuesta, experto en estructuras moleculares y director del Centro Nacional de Biotecnología. “Sin embargo, está claro que su uso tiene un cuello de botella, la generación de cristales”. El problema es que de muchas moléculas no se obtienen cristales de tamaño suficiente para ser irradiados, incluso con las fuentes de rayos X de alta energía como son los sincrotones. Pero también está el problema de la destrucción de la muestra antes de poder extraer la información.
“Un gran problema técnico planteado, a medida que aumentó la energía aplicada en los sincrotrones de tercera generación, es el deterioro de la muestra expuesta a la radiación”, recuerda Cele Abad-Zapatero, experto en estructuras de proteínas. “Algunos investigadores vieron con escepticismo el papel de los láseres de rayos X en la resolución de estructuras biológicas, dada la gran cantidad de energía por unidad de área que estas fuentes pueden concentrar en nanomuestras, que resultarían vaporizadas”.
Por eso, la sorpresa ha sido grande. Con pulsos más largos de lo que se creía imprescindible, que bombardean un chorro, de cuatro micras de diámetro, de nanocristales en un medio líquido, se ha obtenido buena información de muestras que, paradójicamente, resultan destruidas antes de que termine el pulso. Aunque todo sea física y química, el proceso ya no es el mismo que en los sincrotrones, dicen los científicos, 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 patrón obtenido se forma antes de la explosión de la muestra, como si el pulso fuera más corto.
“En un sincrotrón todo sucede más despacio y hay tiempo suficiente para que se produzca daño en los enlaces químicos”, añade Barty. “En un láser de rayos X la muestra se convierte en plasma en pocos femtosegundos. Durante las primeras fases de la explosión los átomos se quedan en su sitio, debido a su propia inercia y se puede registrar la estructura”.
“El desarrollo de esta nueva fuente de radiación supone un avance enorme en muchos campos, pero desde luego en la cristalografía de rayos X”, dice Valpuesta, quien concluye: “Esta técnica puede teóricamente utilizarse sobre moléculas no cristalizadas, con técnicas tomográficas, lo que, de conseguirse, abriría un campo casi infinito para la determinación estructural de cualquier tipo de molécula sin necesidad de ser cristalizada”.
“El trabajo parece un avance técnico cualitativo importante”, señala Abad-Zapatero. “Abrirá las puertas a la obtención de estructuras biológicas difíciles de cristalizar, entre ellas las proteínas de membrana, y permitirá mantener el crecimiento del Banco de Datos de Proteínas, que ya almacena 77.000 estructuras, para encarar problemas biológicos cada vez más difíciles de resolver y de mayor relevancia científica y médica”.
Pese a los avances, muchísimos, en los últimos 50 años y recientes herramientas como los sincrotrones, aún queda bastante camino por andar y por eso un nuevo tipo de láser, XFEL, que ya funciona en Estados Unidos y que se está construyendo en Europa, da razones para el optimismo. Su secreto es que emite ráfagas de pulsos más cortos y de mayor energía, lo que teóricamente da mucha mejor resolución.
La primera confirmación para este optimismo proviene de un experimento realizado en el láser de rayos X del laboratorio estadounidense SLAC por un equipo internacional liderado por científicos 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 información estructural de nanocristales del complejo Fotosistema I a pesar de que los destruye instantáneamente con su enorme energía por centímetro cuadrado. Es el pulso más corto que se ha conseguido hasta ahora y los resultados son sorprendentes.
La técnica básica es la misma que utilizaba para intentar desentrañar la estructura del ADN hace 50 años Rosalind Franklin, que encaminó a Watson y Crick hacia su ¡Eureka! de la doble hélice. Se radian cristales con rayos X y se obtienen patrones de difracción que permiten deducir la estructura tridimensional de la muestra. “La difracción de rayos X es quizás la técnica que más ha influido en la biología molecular”, explica José María Valpuesta, experto en estructuras moleculares y director del Centro Nacional de Biotecnología. “Sin embargo, está claro que su uso tiene un cuello de botella, la generación de cristales”. El problema es que de muchas moléculas no se obtienen cristales de tamaño suficiente para ser irradiados, incluso con las fuentes de rayos X de alta energía como son los sincrotones. Pero también está el problema de la destrucción de la muestra antes de poder extraer la información.
“Un gran problema técnico planteado, a medida que aumentó la energía aplicada en los sincrotrones de tercera generación, es el deterioro de la muestra expuesta a la radiación”, recuerda Cele Abad-Zapatero, experto en estructuras de proteínas. “Algunos investigadores vieron con escepticismo el papel de los láseres de rayos X en la resolución de estructuras biológicas, dada la gran cantidad de energía por unidad de área que estas fuentes pueden concentrar en nanomuestras, que resultarían vaporizadas”.
Por eso, la sorpresa ha sido grande. Con pulsos más largos de lo que se creía imprescindible, que bombardean un chorro, de cuatro micras de diámetro, de nanocristales en un medio líquido, se ha obtenido buena información de muestras que, paradójicamente, resultan destruidas antes de que termine el pulso. Aunque todo sea física y química, el proceso ya no es el mismo que en los sincrotrones, dicen los científicos, 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 patrón obtenido se forma antes de la explosión de la muestra, como si el pulso fuera más corto.
“En un sincrotrón todo sucede más despacio y hay tiempo suficiente para que se produzca daño en los enlaces químicos”, añade Barty. “En un láser de rayos X la muestra se convierte en plasma en pocos femtosegundos. Durante las primeras fases de la explosión los átomos se quedan en su sitio, debido a su propia inercia y se puede registrar la estructura”.
“El desarrollo de esta nueva fuente de radiación supone un avance enorme en muchos campos, pero desde luego en la cristalografía de rayos X”, dice Valpuesta, quien concluye: “Esta técnica puede teóricamente utilizarse sobre moléculas no cristalizadas, con técnicas tomográficas, lo que, de conseguirse, abriría un campo casi infinito para la determinación estructural de cualquier tipo de molécula sin necesidad de ser cristalizada”.
“El trabajo parece un avance técnico cualitativo importante”, señala Abad-Zapatero. “Abrirá las puertas a la obtención de estructuras biológicas difíciles de cristalizar, entre ellas las proteínas de membrana, y permitirá mantener el crecimiento del Banco de Datos de Proteínas, que ya almacena 77.000 estructuras, para encarar problemas biológicos cada vez más difíciles de resolver y de mayor relevancia científica y médica”.
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