Sincrotrones
Como una suerte de microscopios gigantes, los sincrotrones son espectaculares instalaciones científicas que ponen en danza electrones para desvelar la intimidad de los objetos a nivel atómico. Te contamos los últimos descubrimientos de dos de sus principa
¿Qué tienen en común El grito (1893), de Edvard Munch, Flores en un jarrón azul (1887), de Vincent van Gogh, y La alegría de vivir (1906), de Henri Matisse? Sí, todas son obras de artistas famosos. Pero, además, las tres contienen el pigmento llamado amarillo de cadmio, muy usado por los pintores desde finales del siglo XIX. Sin embargo, si uno aprecia al detalle estos cuadros, comprobará que ese color se ha desvanecido en un tono blanquecino por un proceso que ha contribuido a esclarecer hace poco el Laboratorio Europeo de Radiación Sincrotrón (ESRF), en la ciudad francesa de Grenoble. Nos lo cuenta Francesco Sette, el director de este potente acelerador de partículas durante el Big Science Business Forum, un encuentro celebrado en Dinamarca el pasado mes de febrero. Tras veinticinco años de funcionamiento, la niña de sus ojos necesita actualizarse (ver recuadro de la página siguiente): el próximo 10 de diciembre detendrá durante veinte meses su maquinaria. Aun así, sigue presumiendo de ser la fuente de rayos X más intensa del mundo. Es la llamada luz de sincrotrón, 100.000 millones de veces más brillante que los rayos X utilizados en los hospitales.
Esta radiación, dotada de propiedades excepcionales, se produce gracias a electrones de alta energía que corren alrededor del anillo de almacenamiento, un túnel circular con 844 metros de circunferencia. Sus potentes rayos permiten que este sincrotrón multinacional –está financiado por veintidós países europeos (España aporta el 4 % del presupuesto)– funcione como una especie de microscopio gigante que filma la posición y el movimiento de los átomos.
¿En qué se parece y en qué se diferencia de otros aceleradores, como el célebre gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN? Ambos aceleran partículas, sí, pero sus técnicas y objetivos son muy distintos: el LHC lo hace para que colisionen entre sí y revelen sus componentes y propiedades. En un sincrotrón –hay unos cincuenta en todo el mundo–, la finalidad es generar luz y utilizarla en otros experimentos que requieran analizar la estructura atómica –no
Cada año, nueve mil expertos acuden a Grenoble para hacer experimentos con el ESFR
subatómica– de la materia y sus características más íntimas, como la composición química y la estructura. Ambas instalaciones también difieren considerablemente en el perímetro: el del LHC es de 28 kilómetros, frente a los ya citados 844 metros del ESRF, que no deja de ser uno de los más grandes en su categoría.
Hablamos de un sincrotrón de tercera generación, ya que su luz es susceptible de ser aprovechada en estudios de distinta índole. Es el primero de este tipo que dispone de 43 estaciones experimentales, funciona las veinticuatro horas del día, siete días por semana. Cada año, cerca de nueve mil científicos de todo el mundo acuden a Grenoble para acceder a una de las estaciones experimentales, denominadas líneas de luz. Su versatilidad permite abordar investigaciones científicas y técnicas de forma interdisciplinar en campos tan variados como la química, la física de materiales, la arqueología y el patrimonio cultural, la biología estructural, la medicina, las ciencias ambientales, las ciencias de la información y la nanotecnología.
EN EL CASO DE LOS LIENZOS DE MUNCH, VAN GOGH Y MATISSE, EL ESRF HA PERMITIDO CONSTATAR QUE UNA PRECISA COMBINACIÓN DE HUMEDAD y luz son las culpables de la degeneración del amarillo de cadmio. El hallazgo, en el que han colaborado el sincrotrón alemán de electrones (DESY) y científicos italianos y belgas, ayudará a los museos a crear el entorno idóneo para que las obras de arte puedan ser disfrutadas por las generaciones futuras.
Averiguar la identidad de un misterioso fósil, con 1,5 millones de antigüedad, es un logro reciente del Laboratorio Europeo de Radiación Sincrotrón. Hasta ahora, se creía que ese vestigio, encontrado en el centro de Italia, pertenecía al extinto jaguar europeo ( Panthe
ra gombaszoegensis), pero el nuevo estudio ha revelado que se trata en realidad de un guepardo gigante ( Acinonyx pardinensis), uno de
los carnívoros más interesantes del Pleistoceno. Gracias a la microtomografía –imagen radiológica a nivel microscópico– realizada por el sincrotrón, los científicos detectaron suturas entre los huesos del paladar y pudieron reconstruir la dentadura completa. Ambas partes anatómicas resultaron ser similares a las de los guepardos. Pero, además, se apreciaban algunos rasgos del género Panthera –grupo de mamíferos al que pertenecen los actuales leones, tigres o jaguares–, mezcla que apunta a unas estrategias de caza similares a las de los jaguares modernos. Hasta ahora, obtener los detalles anatómicos necesarios para establecer su clasificación taxonómica sin dañar el fósil era imposible.
LOS POTENTES RAYOS X DEL SINCROTRÓN EUROPEO TAMBIÉN HAN FACILITADO OTRO GRAN DESCUBRIMIENTO PALEONTOLÓGICO. En este caso, los expertos escrutaron la anatomía de un Archaeopteryx, género de dinosaurio emplumado y con alas que vivió hace unos 150 millones de años. El ESRF ha arrojado luz sobre una de las dudas que dividían a los expertos: ¿se elevaba por los aires este pariente de los velocirraptores? Pues sí, la estructura profunda de los vestigios fósiles indica que el Archaeopteryx puede ostentar con pleno derecho el título de espécimen volador más antiguo del linaje aviano, tal y como han explicado los autores del estudio en la revista Nature Communications.
“Esto implica que la facultad de volar había evolucionado incluso antes de que esta criatura apareciera”, señala uno de los investigadores implicados, Stanislav Bureš, de la Universidad Palacký, en la República Checa. “Sin embargo, dado que el Archaeopteryx carecía de las adaptaciones pectorales necesarias para hacerlo como las aves modernas, la manera en la que logró el vuelo propulsado también debe de haber sido diferente —añade Dennis Voeten, del ESRF, que ha dirigido el estudio—. Tendremos que volver a los fósiles para saber cómo usaba sus alas".
El papel que han jugado las nuevas técnicas de rayos X ha sido crucial en este descubrimiento. Voeten señala que “la sensibili-
El acelerador de partículas permite completar la anatomía de fósiles incompletos sin dañarlos
dad del sincrotrón ofrece una visión microscópica no invasiva de los huesos fósiles y permite realizar reconstrucciones tridimensionales de extraordinaria calidad. Las mejoras que se están llevando a cabo prometen dar mejores resultados en ejemplares mucho más grandes en el futuro”.
En nuestro país, concretamente en el municipio barcelonés de Cerdanyola del Vallès, se ubica otra joya de la investigación europea: el sincrotrón ALBA, inaugurado en 2010. MUY INTERESANTE ha tenido la oportunidad de recorrer sus 268 metros de circunferencia que, según sus responsables, acoge el complejo de aceleradores de electrones más importante de la zona del Mediterráneo.
ALBA CUENTA ACTUALMENTE CON OCHO LÍNEAS DE LUZ, QUE PRONTO SERÁN DOCE, como nos dice su subdirector, Gastón García. La ampliación permitirá conocer la estructura tridimensional de proteínas y moléculas o explorar las particularidades de los electrones en materiales diversos, además de complementar la tecnología ya existente. A la espera de su llegada entre 2020 y 2023, las instalaciones del acelerador español se encuentran a pleno rendimiento. Como las del ESRF, nunca dejan de funcionar, salvo cuando se producen las dos paradas de mantenimiento –una en agosto y otra en diciembre– y alguna otra desconexión eventual.
ALBA también ha acaparado titulares científicos este 2018 que ya se acaba. Gracias a nuestro sincrotrón se ha descubierto, por ejemplo, la composición química de unas muestras de vidrio encontradas en el zigurat de Choga Zanbil (1250 a. C.), enorme templo piramidal
ubicado en Irán y declarado Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO. Un equipo de investigación de la universidad iraní de Isfahán ha analizado a partir de los patrones de difracción –o sea, la desviación de los rayos luminosos– dichas piezas decorativas, que han resultado estar compuestas por calcita, cristobalita, yeso y, lo más importante, wollastonita y zeolita A –un silicato de aluminio y plata deshidratado– que confieren a estos vidrios su peculiar efecto brillante.
Otro objeto de estudio en el ALBA, y que ilustra su versatilidad, ha sido la bacteria Legionella pneumophila, causante de la legionelosis. Gracias a los sincrotrones español y británico –el Diamond Light Source–, expertos del Centro de Investigación Cooperativa en Biociencia del País Vasco, en colaboración con científicos de los Institutos Nacionales de la Salud estadounidenses, han revelado la estructura de una proteína llamada RavN que permite al patógeno mimetizarse molecularmente para usurpar funciones y recursos de la célula infectada.
Desentrañar cómo funciona el alzhéimer es otro reto al que se ha enfrentado el ALBA, en asociación con la Universidad Autónoma de Barcelona. Los científicos han analizado con su poderosa luz cómo son, dónde se localizan y qué efectos tienen los péptidos beta-amiloides, sustancias que forman las características placas en el cerebro de los afectados. Gracias al análisis bioquímico de la radiación infrarroja que absorben las muestras, los especialistas han podido determinar que los agregados amorfos generan mayor estrés oxidativo en las neuronas que los depósitos con forma de fibras, una información muy útil para abordar el tratamiento de esta enfermedad neurodegenerativa en el futuro.
Y UN ÚLTIMO EJEMPLO DEL POTENCIAL DEL SINCROTRÓN ESPAÑOL:
averiguar la manera en que nos daña la radiación ultravioleta del sol y cómo contrarrestar sus efectos. Ese era el objetivo de un trabajo conjunto con investigadores del Instituto de Química Avanzada de Cataluña (IQAC-CSIC), y ALBA les ha permitido observar con gran resolución y detalle los cambios que tienen lugar a nivel molecular no solo en la superficie de la piel y el pelo, sino también en sus capas internas. Las muestras fueron tratadas previamente con resveratrol, famoso compuesto antioxidante presente en frutas como la uva, para comprobar su eficacia y así poder desarrollar nuevos y mejores tratamientos fotoprotectores.
Gracias a ALBA, sabemos cómo infecta a las células humanas la bacteria causante de la legionelosis