Año Internacional de la Cristalografía

Un mundo de cristal

informes — por el 05/12/2014 a las 12:19

Los tocamos, admiramos, padecemos, usamos y disfrutamos aun sin reconocerlos. Es que los cristales forman parte de nuestra vida a diario y suelen pasar desapercibidos. Para llamar la atención sobre ellos, la Asamblea General de las Naciones Unidas declaró al 2014 como el Año Internacional de la Cristalografía. La Unesco y la Unión Internacional de la Cristalografía están trabajando en conjunto para divulgar esta ciencia en todo el mundo.

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Cristalografia

2014 Año internacional de la Cristalografía. Imagen © IUCr

Vivimos en un mundo de cristal. Están por todas partes. Algunos son valiosísimos, como las esmeraldas o los rubíes; otros dan sabor a la vida, como la sal. Es más, incluso están en nuestro organismo y nos permiten mantenernos de pie y morder. Es que nuestros huesos y dientes están hechos de cristales de un tipo de fosfato. También evitan que nos caigamos de un momento a otro, pues monocristales de calcita, ubicados en el oído interno, controlan el equilibrio. A veces nos hacen doler como ocurre con las piedras renales, pero también alivian parte de nuestros malestares al estar presentes en medicamentos.

“Desde el mismo momento en que nos levantamos, y con cada paso que damos, hay cristales a nuestro alrededor. Los encontramos como componentes de la pasta de dientes, como granos de azúcar o formando la estructura de una cáscara de huevo, aportando de este modo sus propiedades mecánicas. También, en las pantallas de cristal líquido de los despertadores, celulares y monitores de las computadoras. Asimismo se los halla en los convertidores catalíticos de los autos, en la nieve o en la comida congelada. Los cristales están, literalmente, en todas partes en nuestra vida cotidiana”, aseguran desde la Unesco, que recientemente organizó en París la ceremonia inaugural del Año Internacional de la Cristalografía.

Si los cristales nos permiten estar de pie, la cristalografía que los estudia es considerada la columna vertebral de una amplia gama de industrias como la farmacéutica, la agroalimentaria, la informática, la minería y las ciencias espaciales, entre otras. “El hecho es que, a pesar de que impregna nuestras vidas, la cristalografía sigue siendo en gran parte desconocida. ¿Cuántas personas saben, cuando se suben a un avión o toman medicamentos, que estos productos son el fruto de un largo proceso que se inició con la cristalografía?”, planteó Irina Bokova –directora general de la Unesco– al lanzar junto con la Unión Internacional de Cristalografía una serie de actividades que tendrán lugar en todo el mundo para promover y hacer brillar a esta especialidad (ver recuadro Concurso en escuelas).

La Argentina forma parte de esa agenda y tiene anotadas distintas semanas de jornadas de laboratorio abierto en el Instituto de Física de la Universidad de La Plata-CONICET, y en el Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE) en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires. Estas instituciones cuentan con los dos únicos difractómetros de rayos X de monocristales modernos que hay en el país. Este equipo permite elucidar estructuras moleculares y cristalinas de compuestos químicos a nivel atómico a partir de muestras de un tamaño más pequeño que la cabeza de un alfiler. En otras palabras, permite desnudar la estructura de la materia y “ver” la ubicación de los átomos. Este costoso aparato es un sucesor muy afinado y avanzado del experimento de difracción de rayos X que ocurrió hace un siglo, y abrió los ojos a los científicos. Max von Laue, William Henry Bragg y su hijo William Lawrence fueron algunos de los pioneros que echaron luz en este campo, y recibieron Premios Nobel por sus hallazgos. Es más: inauguraron una larga lista de galardonados que accedieron a la codiciada distinción de la Academia Sueca por sus logros en esta temática. Max Perutz, entre ellos, dijo: “La cristalografía muestra por qué la sangre es roja y el césped verde; por qué el diamante es duro y la cera blanda; por qué el grafito escribe sobre el papel, y por qué la seda es fuerte”.

A ordenarse

Pero ¿de qué se trata la cristalografía? “Es una ciencia que estudia fundamentalmente el ordenamiento de átomos o moléculas en los materiales y cómo se relacionan sus propiedades con ese ordenamiento”, define Diego Lamas, que es físico graduado y doctorado en Exactas, y actual investigador independiente del CONICET en la Universidad Nacional del Comahue, además de presidente de la Asociación Argentina de Cristalografía.

No es lo mismo que los átomos se ordenen de una manera u otra, y según cómo lo hagan, los resultados pueden ser determinantes. “Por ejemplo, el carbono: de un mismo compuesto se puede tener un diamante o grafito. Es la misma sustancia, acomodada de diverso modo. Son átomos de carbono puro en un lado y en el otro. Uno vale una fortuna y el otro, centavos”, compara el doctor José Selles-Martínez, desde el Departamento de Ciencias Geológicas de Exactas UBA.

Comprender qué está pasando allí dentro es uno de los desafíos. “Entender el ordenamiento es fundamental para entender las propiedades de los materiales, y tiene muchas aplicaciones en numerosos campos”, destaca Lamas, quien estudia nanomateriales (cristales de muy pequeñas dimensiones) y enseguida agrega: “Hoy en día, a través de la cristalografía se puede estudiar cómo se pintó una obra de arte, cómo vencer enfermedades, cómo lograr alimentos más sabrosos, cómo preparar materiales de mejores propiedades”.

Es posible hallarlos de todas las medidas imaginables. “Algunos son tan pequeños que sólo son visibles en microscopios electrónicos; otros tienen metros y metros cúbicos de volumen como los que se hallan en las Cuevas de Naica en México, por donde hace muchísimo tiempo circulaba agua con determinada temperatura y presión que conformaron estos cristales espectaculares”, detalla Selles. De belleza extrema, los cristales atrajeron la atención desde tiempos inmemoriales y se buscó imitarlos a través de obras arquitectónicas o escultóricas. “Lo primero que atrajo al hombre a la cristalografía fue la estética y el negocio (de las piedras preciosas)”, dice Selles, sin ocultar su fascinación por esta disciplina que atraviesa la geología, meteorología, física, química, matemática, computación, ingeniería y biología, entre otras ciencias.

A Lamas, la cristalografía lo maravilló desde que era estudiante de física en Exactas al tomar conocimiento de “una gran cantidad de materiales en que los átomos se ordenan, y la simetría que presentan”, recuerda. No todos los materiales son tan “ordenados”. Si bien la definición de un material cristalino es la de aquel que tiene sus átomos ordenados, a veces la vida cotidiana da vueltas las cosas y llama cristales a los anteojos. “A un vidrio, en castellano solemos decirle cristal, pero en realidad no lo es, sino todo lo contrario. Es –precisa Selles– un material fundido que se enfría muy rápido y por eso no llega a ordenarse en el espacio”. Se trata de “una confusión histórica con respecto al origen de la palabra. Casualmente, los vidrios son amorfos, sus átomos están desordenados. Una copa de cristal –ejemplifica Lamas– no es un cristal desde el punto de vista de la cristalografía”.

Átomos al desnudo

Desde el 2009, el difractómetro de rayos X de monocristal situado en INQUIMAE-DQIAQF, pone al desnudo el ordenamiento de los átomos. “Antes, las muestras que deseábamos analizar las debíamos mandar al exterior, porque aquí no contábamos con equipos actualizados. Lo que hoy se hace en unas horas, antes requería semanas, o aun más tiempo”, evoca Fabio Doctorovich, profesor asociado de Exactas-UBA, investigador principal del CONICET y uno de los responsables de la instalación de ese equipamiento en el Pabellón II de la porteña Ciudad Universitaria. El pasado político hizo añicos parte de la original cristalografía nacional. “La Noche de los Bastones Largos en 1966 disolvió al grupo de cristalógrafos que existía en el país. Algunos de ellos se fueron a Estados Unidos, Europa o países de Latinoamérica. Muchos de ellos son reconocidos a nivel mundial”, relata Doctorovich.

Hoy, el difractómetro funciona a pleno con personal especialmente capacitado en su manejo por científicos de otras entidades como la Comisión Nacional de Energía Atómica, y está abierto a recibir materiales para su análisis, de investigadores de todo el territorio argentino.

“Los difractómetros, para decirlo de un modo naif, permiten sacar la foto de la molécula”, sugiere Florencia Di Salvo, investigadora con un posgrado en ingeniería cristalina. Para lograr esta imagen, “se pone el monocristal en el equipo, y se lo somete a una fuente de rayos X. A partir de los datos colectados por la computadora, el científico resuelve la estructura”, agrega Di Salvo, del Grupo de Química Organometálica de Exactas UBA, dirigido por Doctorovich. Ambos, junto con Lamas, coinciden en la importancia que adquiere la cristalografía en la industria farmacéutica.

“El principio activo de un fármaco puede tener distintas formas cristalinas. Cada una de esas formas puede cambiar las propiedades del compuesto, por más que tengan los mismos componentes. Sólo porque el empaquetamiento es diferente y por cómo están ensamblados dentro del cristal, puede variar la solubilidad”, indica Doctorovich. Por su parte, Di Salvo añade: “En algunos casos se puede obtener el efecto buscado, pero, en otros, pueden ser tóxicos. Estamos hablando –remarca– de igual fórmula molecular pero de distinta forma cristalina. Esto se llama polimorfismo”.

La diferencia tampoco es una cuestión menor a la hora de registrar la fórmula para los laboratorios del mundo. “Hay bastante plata en juego”, indica Doctorovich. Y ello ha llevado a cambios significativos desde el punto de vista legal. “En Estados Unidos, en los últimos años no sólo se empezaron a patentar los medicamentos por el tipo de compuesto, sino por el tipo de forma que tiene el cristal. Algunas empresas, para cubrirse, hacen un screening de los posibles polimorfos y patentan a todos, porque no saben a futuro cuál puede funcionar”, precisa Sebastián Suárez del mismo equipo.

Este interés de la industria por esta actividad ha generado consecuencias a criterio de Ana Foi, del mismo equipo: “En el área más académica tratamos de entender por qué funciona una forma de cristal y no otra. En el área industrial están dedicados a la parte más práctica. Al fin y al cabo, van creciendo las dos áreas y se terminan ayudando. El hecho de que importe industrialmente implica que haya más interés económico para que esto se desarrolle y, cuanto más sepamos, las industrias contarán con más información y no tendrán que tener 30 polimorfos para saber cuál sirve, sino que apuntarán de modo más preciso”.

Proteínas en la mira

Mientras se avanza en los conocimientos y no se requiere hacer tanto uso del ensayo y el error, el hombre utiliza unos ayudantes especiales para alivianar la tediosa tarea de las pruebas. “Hoy hay robots de cristalización –menciona Doctorovich– en especial en proteínas. El robot pone, en plaquetas con huecos, distintas concentraciones y solventes a distintas temperaturas, etcétera. Luego se observan los resultados. Conviene tener un robot para probar porque, si no, se tardaría años.

Un especialista en cristalografía de proteínas es Sebastián Klinke, del laboratorio de Inmunología y Microbiología Molecular de la Fundación Instituto Leloir, dirigido por el doctor Fernando Goldbaum. “Estudiamos la enfermedad brucelosis, que afecta vacas, cerdos y ovejas, además de poder contagiar a humanos. Nos enfocamos en el estudio de diversas proteínas que son factores de virulencia relacionados con la biosíntesis de vitamina B2 (riboflavina). Estas proteínas son necesarias para que la bacteria conserve su capacidad infectiva”, explica quien aplica la técnica de cristalografía de rayos X de macromoléculas en el porteño laboratorio de Parque Centenario.

“La cristalografía de rayos X es una de las pocas técnicas existentes que es capaz de describir a nivel atómico la estructura de la materia. En el caso de las proteínas, esto significa determinar cuál es su plegamiento tridimensional, cuáles son las fuerzas de unión que le permiten conservar una forma particular y, lo más importante, poder conocer en detalle la arquitectura de sus sitios activos para diseñar moléculas que puedan bloquear su mecanismo de acción. Hay muchos ejemplos prácticos de esta última aplicación. Una fue el desarrollo del medicamento imatinib para tratar la leucemia mieloide crónica”, precisa.

Para “ver” los cristales de proteínas, se los suele someter a rayos X en estaciones experimentales llamadas sincrotrones. Se trata de enormes y costosos edificios. “El más cercano a nosotros está en Campinas, Brasil”, especifica Klinke.

Una vez que se obtiene la “foto” del cristal de proteínas, otros comienzan a hacer alquimia cibernética, como el profesor adjunto de Exactas UBA Adrián Turjanski, investigador del CONICET en el Grupo de Bioinformática Estructural. Él y su equipo modelizan informáticamente los datos arrojados por estos costosos aparatos y le dan vida en la computadora. “Una vez que la proteína es resuelta por la estructura, se obtiene un archivo de coordenadas que indica la posición de cada uno de los átomos en un mapa tridimensional. A estos datos los introducimos en programas de computación y simulamos cómo funcionan”, relata.

Si bien ellos parten de la “foto”, buscan elaborar en la computadora un filme donde la proteína sea la protagonista a la que le suceden diversas situaciones, y así ensayan respuestas posibles. “Nosotros permitimos armar la película. Nos hacemos preguntas sobre el funcionamiento de las proteínas, cómo inhibirlas, qué mutaciones las afectan, y eso lo vinculamos al desarrollo de fármacos para enfermedades”, grafica. Los resultados de estas simulaciones luego son analizados en el terreno experimental.

Futuro promisorio

Teresita Montenegro, de Ciencias Geológicas en Exactas, señala: “La cristalografía que es básica para el estudio de los minerales y las rocas, en los últimos años ha permitido avanzar y descubrir muchos más minerales en mezclas o aleaciones, que antes no era posible”.

Desde el Departamento de Física, la profesora Marta Moreno se ha dedicado en los últimos años a una tarea, que muy pocos grupos en el mundo realizan. Se trata de desarrollar metodología eficiente para predecir estructuras de cristales a partir del diagrama químico de molécula aislada empleando métodos teóricos y computacionales. “Desde el punto de vista de la ciencia básica, cumplimentar este objetivo puede conducir a comprender los principios que gobiernan el crecimiento cristalino”, indica.

Esta investigadora estima que las expectativas a futuro de la cristalografía “son impresionantes. La nuevas tecnologías han permitido que el cristalógrafo pueda hoy resolver estructuras con precisión, trabajar ofreciendo un servicio eficiente a laboratorios especializados en drogas farmacéuticas fundamentales en el campo de la salud; en materiales altamente energéticos que son importantes en la minería; en pigmentos que emplea la industria. El conocimiento de las estructuras y propiedades de los cristales permite desarrollos tecnológicos en todas las áreas, desde la salud a la geología”.

La energía verde tampoco escapa al mundo cristal. Desde la Unesco, destacan que “paneles solares fotovoltaicos utilizan silicio cristalino para convertir la luz solar en electricidad. El futuro de la energía solar depende del desarrollo de nuevas combinaciones de cristales en los semiconductores”, puntualizan. Esto es sólo un caso. Porque esta disciplina resulta “esencial para el desarrollo de casi todos los nuevos materiales. En este sentido –concluye Bokova–, es evidente que la cristalografía será indispensable para alimentar la innovación científica, que todos los países necesitan para su desarrollo sostenible, y la construcción de sociedades y economías más ecológicas”.

 

Contribución vital

“La Cristalografía ha moldeado la historia del siglo XX. Ha hecho una contribución vital para nuestra comprensión de las bases de la vida misma, en particular mediante el trabajo de Francis Crick y James Watson quienes, con la valiosa contribución de la cristalógrafa Rosalind Franklin, revelaron hace unos 60 años que la estructura del ADN era una doble hélice. En los últimos 50 años, las estructuras de más de 90.000 moléculas biológicas fueron reveladas por cristalógrafos, con grandes repercusiones en el cuidado de la salud”, dijo Irina Bokova, directora general de la Unesco, al inaugurar el Año Internacional de la Cristalografía.

 

Concurso en escuelas

Como parte de las celebraciones, la Asociación Argentina de Cristalografía realiza un Concurso de Crecimiento de Cristales para colegios secundarios. “Se trata de una actividad grupal en la que los alumnos, guiados por sus docentes, deben realizar una experiencia de crecimiento cristalino utilizando sustancias inocuas, como azúcar o sal de mesa”, explican.

Asimismo, la entidad organiza una jornada de capacitación docente, en todos los niveles educativos, “para divulgar la importancia de la Cristalografía y la Cristalización, ausentes en los programas oficiales de docentes, dando así a conocer el fascinante, maravilloso y sorprendente mundo de los cristales”. Informes: www.cristalografia.com.ar

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