Cómo “ver” una molécula: la difracción de rayos X

Publicado el 25 de Noviembre de 2021 | Biología y Geología

Desde el principio, uno de los mayores escollos a los cuales se ha enfrentado la Biología es el diminuto tamaño de los elementos que estudia. Quizás por eso es frecuente retratar a los investigadores de este campo con un microscopio óptico, una herramienta usada desde hace décadas que sigue siendo de gran utilidad en muchísimas investigaciones pero que tiene, por diseño, un límite en el tamaño de los objetos que puede agrandar; y esto hace que para ver la estructura de moléculas como los ácidos nucleicos o las proteínas tengamos que recurrir a otras herramientas.

Ya a mediados del siglo XX la difracción de rayos X era la técnica de referencia para estudiar la estructura de macromoléculas y, aunque a día de hoy no es la única, sigue siendo de las más importantes. Esta se basa en que evita el uso de luz visible, la cual por sus propiedades físicas es inútil para visualizar objetos del tamaño de moléculas como una proteína o un ácido nucleico, y la sustituye por rayos X. Esto soluciona las limitaciones de la luz pero introduce el problema de que las lentes de rayos X dan muchas dificultades técnicas así que, en vez de “ver” las moléculas directamente usando una lente, lo que se estudia es la “sombra” de las moléculas: para ello se lanzan rayos X contra una molécula, estos se desvían al chocar contra ella y entonces una serie de detectores de rayos X analizan estas desviaciones. Como según la forma de la molécula los rayos se desviarán de una forma u otra, estudiando los patrones de difracción que generan estas desviaciones es posible deducir la estructura de una macromolécula. Eso sí, para ello es necesario generar patrones desde muchas direcciones distintas y, ahora con el apoyo de sistemas informáticos, juntarlos todos para deducir la estructura.

Sin embargo, para conseguir que la técnica funcione las moléculas deben ser analizadas en forma de cristales, es decir, deben ser una estructura molecularmente ordenada en todas las direcciones del espacio para que el patrón de difracción sea utilizable. Esto ya de por sí es un reto considerable para los científicos que se encargan de generar los cristales moleculares, pero además hay que sumarle que durante años fue muy difícil tener acceso a máquinas capaces de generar haces de rayos X potentes (a más potente más rápido es generar un patrón de difracción útil), y con las máquinas habituales se podía tardar horas o días en generar algunos patrones.

Afortunadamente, cada vez con más frecuencia los científicos tienen acceso a gigantescos aceleradores de partículas como los sincrotrones, siendo un ejemplo de estas instalaciones el Sincrotrón ALBA que se encuentra en las afueras de Barcelona. En estos lugares es posible generar haces de rayos X extremadamente potentes, lo cual permite conseguir en segundos imágenes que con otros equipos se necesitan horas. Y no solo eso, con tanta potencia está siendo posible empezar a explorar la investigación de la estructura macromolecular directamente en tejidos de un ser vivo, evitando así en el complicado proceso de generar cristales moleculares e incluso obteniendo información de las moléculas in vivo.

Por Pablo Barrecheguren