Cristalografía

¿Cómo podemos ver la estructura más pequeña de las cosas?

Puede que no sea la rama de la ciencia más familiar para todos, pero la cristalografía es una de las técnicas más importantes para ayudar a entender el mundo que nos rodea. Los cristalógrafos pueden determinar la estructura atómica de casi todo. Y utilizan este conocimiento para responder por qué las cosas se comportan como lo hacen.

La cristalografía revela por qué los diamantes son duros y brillantes y por qué la sal se derrite en la boca. Pero esta técnica no se limita a los cristales naturales. Casi cualquier material puede cristalizarse. Esto significa que la cristalografía puede utilizarse para entender cómo el sistema inmunitario combate los virus. O puede ser utilizada por los robots exploradores para buscar indicios de vida en muestras del suelo marciano.

El descubrimiento de la cristalografía

La historia de la cristalografía se remonta a 1912. El físico alemán Max von Laue y sus colegas experimentaban con unos misteriosos rayos X -los científicos aún no estaban del todo seguros de si eran ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio- y varios cristales. Al hacer brillar los rayos X a través de los cristales y registrar la dispersión resultante de la radiación en placas fotográficas, hicieron dos descubrimientos sorprendentes. El primero fue que los rayos X se difractan, o se propagan, lo que demuestra que los rayos X son ondas. En segundo lugar, estos rayos se difractan en determinadas direcciones dependiendo de la naturaleza del cristal.

Muchos consideraron que los resultados de von Laue eran una prueba concluyente de que los átomos estaban dispuestos en forma de red en los cristales. Esto significaba que los cristales estaban formados por un patrón de grupos idénticos de átomos que se repetían periódicamente. Pero fue necesario que el equipo de padre e hijo William Henry Bragg y William Lawrence Bragg lo demostraran. En el proceso, demostraron que los resultados tenían un significado mucho más profundo. Mediante la teoría y la experimentación, en 1913 los Bragg descubrieron que los rayos X podían utilizarse para determinar con precisión las posiciones de los átomos dentro de un cristal. Demostraron el poder de su técnica desentrañando la estructura cristalina tridimensional de un diamante.

Pronto quedó claro que la estructura cristalina rige la mayoría de las propiedades físicas de la materia. Sin embargo, la técnica de los Braggs sólo funcionaba en grandes cristales individuales.

En 1916, Peter Debye y Paul Scherrer encontraron una solución. Su método del polvo permitió analizar cristales mucho más pequeños. En combinación con los avances en los métodos de análisis y las nuevas formas de cristalizar diversos materiales, la cristalografía de rayos X estaba lista para convertirse en una herramienta central para descifrar los misterios del mundo que nos rodea.

La cristalografía se une a la biología

En ninguna parte esta herramienta ha beneficiado más a la sociedad que en la salud y la medicina. Y nadie ha contribuido más a este campo que Dorothy Hodgkin.

En una larga y distinguida carrera, Hodgkin desarrolló técnicas -que aún se aplican hoy- que utilizó para resolver las estructuras de numerosas moléculas biológicas complejas. Entre ellas, la penicilina en 1946, un conocimiento crucial que desencadenó la creación de un tratamiento antibiótico, y la insulina en 1969, que ha ayudado a comprender y tratar la diabetes.

Por otra parte, gracias a los datos de la cristalógrafa Rosalind Franklin, James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura cristalina de la doble hélice del ADN en 1953. Su modelo sirve para explicar cómo se replica el ADN y cómo se codifica en él la información hereditaria.

Menos de una década después, John Kendrew y Max Perutz fueron los primeros en descubrir el funcionamiento interno de las proteínas. Desde entonces, se han determinado las estructuras cristalinas de decenas de miles de proteínas mediante cristalografía de rayos X.

En conjunto, estos avances de mediados del siglo XX sentaron las bases para que los cristalógrafos de hoy en día puedan comprender cómo se arman las complejas y diminutas estructuras biológicas y encontrar nuevas formas de tratar las enfermedades.

La cristalografía de rayos X sigue siendo una técnica crucial para esta misión. Pero se han añadido otras para conocer mejor las moléculas biológicas. Una de ellas utiliza la radiación de sincrotrón. En esencia, se trata de cristalografía de rayos X, pero el potentísimo haz de rayos X se produce al ralentizar los electrones o positrones que viajan en un acelerador de partículas.

Además de los sincrotrones, hay otras dos formas de cristalografía que pueden sondear las moléculas de diferentes maneras: la difracción de neutrones y la difracción de electrones. Utilizando la propiedad cuántica de la dualidad onda-partícula, ambas funcionan del mismo modo que la cristalografía de rayos X, pero con neutrones y electrones que sustituyen a los rayos X.

También con la resonancia magnética nuclear, los investigadores disponen de un arsenal de formas diferentes de examinar las moléculas que componen las células de un organismo. Uno de los principales logros recientes de este enfoque múltiple fue el conseguido por Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steitz y la cristalógrafa de sincrotrón Ada Yonath. El trío consiguió determinar la estructura del ribosoma -una compleja partícula responsable de la producción de todas las proteínas en las células vivas- y el modo en que los antibióticos lo perturban. Este conocimiento ayudará a hacer frente a la creciente resistencia de las bacterias a los antibióticos que Dorothy Hodgkin ayudó a hacer posible hace más de 60 años.

Los materiales importan

Los logros de la cristalografía no se han limitado a mejorar la salud humana. Se ha convertido en la principal técnica para estudiar la estructura atómica de los materiales y su relación con sus propiedades.

Las aplicaciones van desde la medición de la tensión en el ala de un avión hasta la ayuda para conservar el buque insignia del rey Enrique VIII, el Mary Rose.

Y la cristalografía es también un medio para descubrir y caracterizar nuevos materiales. En 1982, el cristalógrafo Dan Shechtman descubrió un cristal inusual que estaba ordenado pero no era periódico. Este nuevo tipo de cristal, al que denominó “cuasicristal”, se ha utilizado desde entonces en instrumentos quirúrgicos, luces LED y sartenes antiadherentes. Más recientemente, los cristalógrafos han diseccionado la estructura de nuevos materiales bidimensionales como el grafeno, ayudando a explicar sus propiedades únicas y a menudo útiles.

Dado que la mayoría, si no todos, los mayores retos del mundo se abordarán mediante el desarrollo de nuevos materiales y la mejor comprensión de los procesos a nivel atómico, la cristalografía seguirá siendo una herramienta fundamental para los científicos de todo el mundo durante mucho tiempo.

Pruebe sus conocimientos

Q. ¿La medalla del Nobel de quién fue fundida para evitar que los nazis la descubrieran?

A. Max von Laue había enviado su medalla de oro del Premio Nobel al Instituto de Física Teórica de Niels Bohr en Copenhague para que la guardaran cuando el nazismo se alzó en Alemania. Pero en 1940, la Alemania nazi invadió Dinamarca. Para proteger a von Laue de las repercusiones, el químico húngaro George de Hevesy disolvió la medalla y colocó la solución resultante en una estantería de su laboratorio. En 1950, de Hevesy devolvió el metal en bruto a la Academia Sueca de Estocolmo, que lo refundió y lo presentó a von Laue por segunda vez.

Q. ¿Por qué fue controvertido el descubrimiento de la estructura del ADN?

A. Aunque no se le atribuye oficialmente su participación en el trabajo, Rosalind Franklin había tomado imágenes de difracción de rayos X del ADN y había sugerido la estructura helicoidal antes del descubrimiento de James Watson y Francis Crick. Las imágenes que había tomado fueron mostradas a Watson y Crick sin su conocimiento o aprobación. Más tarde, tanto Watson como Crick reconocieron la vital contribución de Franklin y que utilizaron sus datos y los de Maurice Wilkins para desarrollar la hipótesis. Sin embargo, cuando Watson, Crick y Wilkins ganaron el Premio Nobel por el descubrimiento de la doble hélice, Franklin había fallecido.

Q. Más allá de sus logros científicos, ¿por qué los Bragg se adelantaron a su tiempo?

A. Ambos Braggs crearon grandes grupos de investigación muy poco habituales en su época: contaban con una gran proporción de mujeres. De los 18 estudiantes de William, 11 eran mujeres. Una de ellas, Kathleen Lonsdale, fue la primera mujer admitida en la Royal Society, la primera profesora del University College de Londres, la primera mujer nombrada presidenta de la Unión Internacional de Cristalografía y la primera mujer que ocupó el cargo de presidenta de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia. Además, Lawrence fue una pionera de la comunicación científica, instituyendo una serie de conferencias para escuelas a las que asistían unos 20.000 escolares al año.