Solo en el desierto marciano, un robot buscaba respuestas. Era 2012 y el rover Curiosity de la NASA recogió un pequeño montón de arena, lo ingirió y lo bombardeó con rayos X.
El intrépido robot iba a averiguar de qué estaba hecha esa arena, buscando también información sobre la presencia histórica de agua en Marte, ya que cualquier rastro de agua en esta polvorienta llanura roja había desaparecido hacía mucho tiempo.
Casi un siglo antes, en 1915, William y Lawrence Bragg, un equipo formado por padre e hijo, habían ganado el Premio Nobel de Física por su trabajo sobre la cristalografía de rayos X, una técnica que permite determinar las estructuras atómicas y moleculares de los cristales mediante el estudio de cómo los rayos X se difractan o desvían cuando interactúan con ellos.
Muchos materiales, desde pequeñas proteínas hasta metales, pueden formar cristales y la cristalografía de rayos X se convirtió en el método de referencia para revelar cómo se combinan las diversas formas de la materia.
En la Tierra, Michael Velbel, de la Universidad Estatal de Michigan, en Estados Unidos, esperaba con impaciencia los datos del Curiosity en Marte. Era la primera vez que se realizaba una cristalografía de rayos X en otro planeta.
"Estuve siguiendo la misión desde el principio", recuerda Velbel.
Los análisis de Curiosity revelaron detalles sobre el contenido de agua de los minerales en Marte, lo que ha dado credibilidad —aunque no ha probado— a la hipótesis de que el planeta tenía grandes masas de agua hace solo unos cientos de miles de años.
"Por fin podemos empezar a entenderlo", afirma Velbel.
Saber de qué están hechas las cosas nos permite hacer cosas increíbles. El análisis de las estructuras atómicas y moleculares ha ayudado a los científicos a diseñar medicamentos, desentrañar los secretos del ADN e incluso fabricar mejores baterías.
Tal es la importancia de la cristalografía de rayos X que ha desempeñado un rol crucial en más de una veintena de premios Nobel, según algunos cálculos. Y, sin embargo, pocas personas saben lo increíble que es esta técnica.
Patrones regulares
"Mucha gente me llama 'Chrystal la cristalógrafa' o 'C al cuadrado’", bromea Chrystal Starbird, de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, EE.UU.
Starbird recuerda la primera vez que utilizó la cristalografía de rayos X para determinar una estructura molecular: "Estaba viendo algo que nadie había visto antes. Pensé: '¡Oh, qué interesante!’".
Si alguna vez has visto uno de esos modelos de sustancias químicas con bolas y palitos, sabrás en qué trabajan los cristalógrafos de rayos X: quieren descubrir qué átomos hay en un material y cómo se unen exactamente entre sí.
Cuando Starbird realiza este tipo de análisis, uno de los primeros pasos clave del proceso es tomar, por ejemplo, una proteína y averiguar cómo cultivar cristales de la misma a muy pequeña escala.
Al igual que el agua forma cristales de hielo cuando se congela, las proteínas pueden formar cristales muy pequeños en determinadas condiciones.
A continuación, esos cristales se recogen con pequeños bucles similares a pelos, lo que puede ser un procedimiento muy complicado, y se colocan en un difractómetro de rayos X.
Los cristales son necesarios porque, cuando se iluminan sus estructuras ordenadas con rayos X, se obtiene un patrón de difracción regular, con marcas precisas específicas de la naturaleza química del cristal en cuestión.
Sin embargo, las proteínas son mucho más complejas que las moléculas de agua, por lo que las condiciones deben ser las adecuadas para que cristalicen.
Starbird puede llegar a probar cientos de enfoques diferentes, utilizando distintos productos químicos, temperaturas o niveles de humedad, antes de que funcione.
"Soy una persona a la que no le importa esperar para obtener una recompensa", bromea.
Mapeo de la insulina
Una científica que probablemente se habría identificado con eso es Dorothy Hodgkin. Pasó 34 años utilizando la cristalografía de rayos X para determinar la estructura de la insulina, desde de la década de 1930. La insulina es una hormona que ayuda a controlar los niveles de azúcar en la sangre, pero los diabéticos de tipo 1 no pueden producirla.
En el caso de Hodgkin, obtener los cristales de insulina no fue especialmente difícil. Sin embargo, dado que la insulina contiene nada menos que 788 átomos, le llevó mucho tiempo cartografiar toda la estructura utilizando los primeros métodos de cristalografía de rayos X.
Su logro facilitó enormemente la producción en masa de insulina para el tratamiento de la diabetes.
Para cuando Hodgkin finalmente terminó dicha cartografía, en 1969, ya había ganado el Premio Nobel de Química de 1964 por sus estudios de cristalografía de rayos X.
También había determinado las estructuras de la penicilina, un importante antibiótico, y de la vitamina B12.
Hodgkin falleció en 1994. En un funeral celebrado al año siguiente, Max Perutz, quien también recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo en cristalografía, dijo: "Sus cámaras de rayos X revelaron la belleza intrínseca que se esconde bajo la superficie rugosa de las cosas". Elogió tanto su amabilidad como su "voluntad de hierro" para alcanzar el éxito.
"Fue una gran inspiración", señala Elspeth Garman, de la Universidad de Oxford, en Reino Unido, quien conoció a Hodgkin.
Garman describe un patrón de difracción de rayos X como "un reflejo increíblemente complicado".
Los rayos X dirigidos a una estructura cristalina interactúan con los electrones que orbitan alrededor de los átomos dentro de esa estructura y se difractan, dejando un rastro detectable en —lo que en la época de Hodgkin era— una película fotográfica de rayos X cercana.
El resultado es un patrón que se puede convertir minuciosamente en un mapa topográfico de la estructura o en un modelo tridimensional.
Mujeres destacadas
Garman comenta que muchas mujeres se han destacado en el campo de la cristalografía de rayos X.
Ella atribuye parte del mérito a los Bragg. "Tenían el árbol académico de mujeres más increíble, a las que animaban y aceptaban como estudiantes de posgrado cuando otros campos no lo hacían", afirma.
Además de Hodgkin, también estaba Rosalind Franklin, cuya importantísima imagen de difracción de rayos X del ADN fue utilizada por Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins para descifrar la complicada estructura del ADN, por lo que fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1962.
Muchos sostienen que Franklin nunca recibió el reconocimiento que merecía.
La cristalografía de rayos X también ha sido parte de trabajos más recientes galardonados con el Premio Nobel, incluido el de Química 2020 por la tecnología de edición del genoma, que tiene sus raíces en los estudios cristalográficos del ARN.
Una aplicación muy importante de la cristalografía de rayos X es el descubrimiento de fármacos. Ha ayudado a los científicos a encontrar medicamentos para la anemia falciforme e incluso para ciertos tipos de cáncer, por ejemplo.
Rob van Montfort, jefe de grupo del Centro para el Descubrimiento de Medicamentos contra el Cáncer del Instituto de Investigación Oncológica de Reino Unido, afirma que la cristalografía puede revelar qué compuestos podrían bloquear o controlar proteínas clave del organismo y, por lo tanto, tratar una enfermedad.
"La cristalografía de rayos X proporciona imágenes que muestran exactamente cómo se une el compuesto a la molécula", explica.
Baterías
Avances tecnológicos recientes han permitido realizar estudios de cristalografía cada vez más complejos, afirma Garman.
En Diamond Light Source, una instalación científica de Reino Unido, el personal utiliza haces de rayos X para comprobar el potencial medicinal de los compuestos a gran velocidad, analizando los posibles sitios de unión en una proteína determinada.
"De la noche a la mañana, se pueden examinar 200", explica Garman. "Es absolutamente asombroso".
Los investigadores también han utilizado este enfoque para estudiar los materiales de las baterías, una tecnología clave para la transición hacia la eliminación de los combustibles fósiles.
Phil Chater, jefe del grupo de ciencia cristalográfica de Diamond Light Source, afirma que la cristalografía de rayos X revela cómo los materiales del interior de las baterías pueden degradarse con el tiempo.
Las baterías de iones de litio funcionan permitiendo que los iones de litio se desplacen entre capas de material; así es como se cargan y descargan energía.
"Mantener esa estructura (de capas) es muy importante para prolongar la vida útil de estas baterías", afirma Chater.
Pero la cristalografía permite ver, en ocasiones, cómo cambian las capas, lo que afecta a la capacidad de los iones para entrar y salir, añade. Los científicos pueden entonces buscar formas de superar el problema.
Un mirada al hielo de los cometas
La cristalografía de rayos X ha causado un gran impacto en muchos campos. Pero hay un problema evidente, afirma Garman.
Una técnica rival llamada microscopía crioelectrónica (cryo-EM) permite ahora a los científicos obtener la estructura de ciertas moléculas de una forma completamente diferente: disparando haces de electrones contra ellas.
Algunas moléculas han sido tradicionalmente demasiado pequeñas para que los dispositivos cryo-EM pudieran verlas, pero están surgiendo soluciones en ese frente.
También está la inteligencia artificial (IA). Si la IA puede predecir con precisión las estructuras moleculares, tal vez sea menos necesario utilizar la cristalografía de rayos X para esta tarea.
Pero Starbird advierte que hay muchas estructuras que la IA no predice bien: "Creo que la gente tiene la idea errónea de que la cristalografía podría desaparecer pronto, porque tenemos la IA, pero ni siquiera estamos cerca de eso".
Seguramente, los Bragg se alegrarían de saberlo. Y es posible que los dispositivos de cristalografía de rayos X vivan aventuras aún más emocionantes en el futuro.
Velbel sugiere enviar uno a un cometa lejano que orbita alrededor de nuestro sol.
"Me gustaría ver cómo es el hielo de un cometa", afirma, y explica que podríamos encontrar mezclas interesantes de compuestos inusuales si pudiéramos estudiarlo de cerca. "Creo que sería fascinante".
Este contenido es una coproducción entre Nobel Prize Outreach y la BBC.
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