¿Pensáis que la ciudadanía tendría que estar más enterada de los progresos de la ciencia? ¿Pontificáis ante vuestros familiares y amigos que el gobierno tendría que meter más pasta en investigación? ¿Sois profesores de secundaria y les habláis a los alumnos de la importancia de los avances científicos? ¿Os pasa todo esto pero luego os dais cuenta de que no tenéis ni idea de avances como, por ejemplo, el Nobel de química de este año? No os preocupéis, yo tampoco tengo ni idea, pero os propongo un itinerario más o menos llano y asequible a través del cual podamos entender un poco de qué va el tema (y si no quedáis satisfechos, en la propia web de la Academia se encuentra información más divulgativa y más avanzada del premio).
El premio Nobel de Química 2017 ha sido otorgado a Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson por el desarrollo de un método efectivo para generar imágenes tridimensionales de biomoléculas, mediante una técnica llamada microscopía crio-electrónica. Para hacernos una idea de las puertas que abren Dubochet, Frank y Henderson a una nueva era en la biotecnología, mencionaremos un dato: cuando se sospechó que el virus Zika producía daños cerebrales en neonatos en Brasil, emplearon la microscopía crio-electrónica para hallar su estructura. En pocos meses ya se tenía un modelo en 3 dimensiones, listo para poder empezar a pensar en fármacos que lo atajaran.
Figura 1. Estructuras de diferentes biomoléculas. a. Un complejo proteínico que regula el ciclo circadiano. b. Una biomolécula que actua como sensor de presión en el oído y forma parte del mecanismo de la escucha. c. El virus Zika.
Este año, al igual que el año pasado y 2014, la Academia Sueca ha premiado avances tecnológicos desarrollados en el ámbito de la química. En 2015 el premio fue para importantes adelantos de la química en el terreno de la medicina. Tenemos que remontarnos a 2013 para que el premio fuese otorgado a químicos teóricos: Karplus, Levitt y Washel fueron premiados por su desarrollo de técnicas computacionales basadas en métodos multiescala (esto es, acoplando diferentes grados de precisión en el cálculo según la región estudiada). Se constata, pues, una tendencia: la investigación puntera en la química –y sus correspondientes reconocimientos– está avanzando hacia la química aplicada, bien sea el desarrollo de tecnología basada en la química, bien sea empleando esos conocimientos en disciplinas como la medicina.
¿Qué son las biomoléculas y cómo sabemos qué forma tienen?
Las biomoléculas son los compuestos que forman los seres vivos. Son moléculas como los ácidos nucleicos (ADN), las proteínas… o los virus (aunque estos no se consideran estrictamente seres vivos). La importancia de conocer la estructura de estas moléculas es fundamental: para entender por qué algunas proteínas muestran resistencia a la quimioterapia o a los antibióticos, para pensar en fármacos que interaccionen con un virus, para entender qué sustancias pueden entrar en la célula y cuáles no…
Una forma de conocer la estructura de muchas moléculas la proporciona la difracción con rayos X. Aquí hay que hacer un alto en el camino para esbozar qué es la difracción. La luz es, entre otras cosas, una onda, es decir, una oscilación que se propaga en el espacio y el tiempo. Lo mismo que el oleaje en el mar, que también es una onda: en la ola, lo que se propaga es la elevación del agua sobre el nivel del mar, en la luz, lo que se propagan son campos eléctricos y magnéticos. Estos campos eléctricos y magnéticos interaccionan con los obstáculos con los que se encuentra la luz al propagarse. Si, por ejemplo, la luz pasa por una rendija pequeña, los electrones en los bordes de la rendija oscilarán con la luz y generarán interferencias. La forma que toman las ondas luminosas después del obstáculo proporciona una información muy útil del mismo.
Así, por ejemplo, se muestra en la Figura 2: cuando la luz pasa por una doble rendija, interacciona con la misma, y se genera un patrón de luz con máximos y mínimos (con rayas y negros). Para que se note la difracción (para que se vean las interferencias), es necesario que la longitud de la rendija sea comparable a la longitud de onda de la luz. Para los que no sepáis qué es la longitud de onda, es el espacio entre un máximo y otro de la onda. Por poner un ejemplo, la longitud de onda de las olas del mar sería de unos 10 metros (espacio entre ola y ola).
Figura 2. Fuente: https://thiscondensedlife.wordpress.com.
Dado que la longitud de onda de los rayos X (que no deja de ser un tipo de luz) es parecida a la distancia entre átomos, un objeto material cualquiera puede ser, visto por rayos X, como una gran rendija. La información obtenida permite saber cómo es esa rendija, o sea, cómo es la materia atravesada por los rayos X.
Henderson, las proteínas difíciles y el microscopio electrónico
Si tomamos biomoléculas -como por ejemplo proteínas- en solución concentrada (disueltas en poca agua), estas pueden plegarse formando un cristal que puede ser observado con rayos X. El patrón de difracción obtenido aporta información de la estructura de la proteína. Pero para que el patrón de difracción sea nítido y claro, es decir, para poder reconstruir bien la estructura de la proteína, necesitamos que el objeto estudiado (las proteínas) presente una estructura regular y ordenada, que es lo que se llama cristal (no se confunda con el vidrio).
Hay muchas proteínas presentes en la membrana celular que fuera de su entorno natural (la membrana) no se pliegan correctamente y no consiguen formar un cristal.
Con ese problema estuvo luchando Richard Henderson durante varios años. Al no lograrlo, se empeñó en probar con otra técnica: el microscopio electrónico. Aquí tal vez convenga hacer otro alto en el camino para explicar qué es un microscopio electrónico. La cuántica nos habla de la dualidad onda-corpúsculo, esto es, que muchas partículas, como los electrones o los fotones (luz) exhiben comportamientos propios tanto de ondas como de partículas compactas. El microscopio electrónico permite ver a los objetos con electrones en lugar de con luz. El microscopio óptico tiene limitaciones: no podemos ver objetos con longitud de onda más pequeña que la luz que podemos manejar (rayos X), porque se produce difracción, podemos, acaso, observar esas interferencias. Las longitudes de onda más pequeñas corresponden a una luz mucho más energética y peligrosa (como los rayos gamma).
Los electrones tienen una longitud de onda más pequeña que la luz que podemos manejar, pero también presentan un inconveniente: son tan energéticos que acaban quemando el material biológico. Hasta la llegada de Henderson, la cristalografía con rayos X parecía ser la única manera de averiguar la estructura de una proteína, pues el microscopio electrónico se cargaba despiadadamente toda proteína que se terciara, hasta que el galardonado dio con una proteína que sí funcionó: la bacteriorodopsina.
Esta proteína con nombre grotesco participa en algunas funciones de fotosíntesis y, por tanto, aguanta bien la radiación solar. La bacteriorodopsina, rodeada de glucosa, se empaqueta formando una estructura regular. Y tuvo una idea: intentar obtener un patrón de difracción, igual que se hacía con rayos X, pero esta vez con un haz de electrones menos energético. Lo consiguió. Con el tiempo, Henderson perfeccionó su técnica y logró obtener estructuras de proteínas empleando un microscopio electrónico. Había alcanzado lo que se creía una utopía: obtener imágenes de proteínas con un microscopio electrónico, pero el problema que hemos descrito antes seguía pendiente: ¿qué pasa con aquellas proteínas que no se pliegan ordenadamente y no cristalizan ni se aglutinan en estructuras regulares, observables con difracción?
Frank y las piezas del rompecabezas
Joachim Frank trabajó en una estrategia para reconstruir la forma de proteínas dispuestas al azar. ¿Cómo lo hizo?
Mediante un microscopio electrónico, Frank halló imágenes de una proteína. Para no destruirla, tuvo que emplear haces de poca intensidad, y las imágenes obtenidas tenían una calidad baja. Esta calidad baja, junto con la diversidad de estructuras obtenidas, ofrecían un panorama complicado. Si hacemos un símil con el mundo cotidiano, imaginemos que queremos fotografiar a un gato mientras se mueve, y disponemos de una cámara de muy baja calidad. Tendremos fotografías movidas y desdibujadas. Pero ahí entró en juego la computación. Analizando los patrones obtenidos (las “fotografías”) con el ordenador, Frank desarrolló técnicas matemáticas que permitieran identificar patrones recurrentes y reconstruir la estructura en 3-D. Si disponemos de muchas, muchas fotografías movidas del gato, de frente, de perfil, boca abajo… al final, con el debido tratamiento computacional, acabaremos sabiendo qué forma tiene el gato.
Dubochet y la vitrificación del agua
El tercer laureado, Jacques Dubochet, desarrolló otra técnica muy valiosa para observar a las proteínas presentes en la membrana celular: congelar la muestra. Congelando la muestra se evita que esta se deshidrate (el agua se evapore) pero el agua líquida forma una estructura cristalina (regular) que cortaba el recorrido del haz de electrones: las imágenes obtenidas eran inservibles. Dubochet pensó en congelar el agua de manera tan rápida que las moléculas no tuvieran tiempo de formar una estructura ordenada, sino que se quedaran quietas como estaban, en desorden. Eso se llama vitrificación. Recordemos que el vidrio es un sólido amorfo: las moléculas que lo conforman no están dispuestas regularmente. Coloquialmente llamamos cristales a los vidrios, pero no lo son. El agua vitrificada, o sea, congelada con una estructura irregular, no desviaba tanto los haces de electrones y permitía la generación de imágenes útiles.
Además, pensemos en otra cosa. El agua, en fase sólida, ocupa más que en fase líquida (si dejamos una botella llena de agua en el congelador, se rompe). Al congelarse, el agua puede modificar y romper la estructura de la proteína (recuadro E de la Figura 3). Si, en cambio, el agua se vitrifica, su estructura corresponde a una instantánea de las moléculas de agua. Están todas las moléculas quietas (fase sólida), pero con la forma que tendrían si se movieran (fase líquida). Por tanto, las proteínas se pueden observar de forma mucho más parecida a como están en el mundo vivo.
Figura 3: Esquema de agua líquida (A,D), congelada (B,E) y vitrificada (C,F), sola y en presencia de una proteína. Fuente: University of Utah.
Conclusión
Así se ha llegado a la microscopía crio-electrónica (crio significa frío). El Nobel de este año es un cóctel con tres grandes ingredientes:
- El uso de microscopio electrónico con haces de poca intensidad, técnica que Henderson desarrolló con gran brillo.
- La reconstrucción computarizada de patrones de estructuras, ideada por Frank.
- La vitrificación de las muestras para poder obtener imágenes con el microscopio electrónico, la aportación de Dubochet.
Este cóctel no se mezcla así como así. Los ingredientes tuvieron un largo proceso de maduración, y el resultado del cóctel no fue inmediato: en los últimos años, estas técnicas se han perfeccionado hasta el punto de conseguir estructuras 3-D muy fiables e importantes, como la del virus Zica, mencionada anteriormente.