Y yo quiero ser...Cristalógrafo
(Por
Martín Martínez-Ripoll)
Aún recuerdo
cuando en una clase del primer año de licenciatura, un decidido profesor de
geología hacía girar un taco de madera que sostenía entre dos dedos de su mano.
El sólido que mostraba estaba tallado en forma de octaedro (Fig. 1), y dándole
vueltas trataba inútilmente de que entendiéramos el significado de frases
parecidas a “…y esta es la cara uno, uno, cero…”. Un compañero, más perspicaz
que yo, insinuó que debía de tratarse de alguna explicación sobre algo que
parecía estar relacionado con los cristales. Pero mirando de reojo a las
desvencijadas cristaleras de las ventanas de la Facultad nos preguntamos ¿de
qué cristales estaría hablando? Finalmente pudimos deducir que todo aquello
probablemente estaría relacionado con los minerales pero, en cualquier caso, el
asunto pasó al sueño de los justos durante el resto de la licenciatura.
Curiosidades del destino… pasados aquellos años, aquel joven estudiante de
química acabó el resto de su vida conquistado, no por los tacos de madera o por
las frases enigmáticas, sino por algo tan atractivo y potente, tan antiguo y
tan moderno, como es la ciencia que estudia los cristales, la Cristalografía.
Veamos pues de qué cristales hablaba aquel profesor, cuál es la magia e
importancia que encierran, y dónde se pueden encontrar, ya que precisamente es en
las “cristalerías” en donde no venden cristales.
Fig. 1. Octaedro
¿Qué
son los cristales, qué es la cristalografía y para qué sirve?
La cristalografía es la ciencia que estudia los cristales. Hoy
sabemos que los cristales están hechos de átomos, moléculas y/o iones que se
apilan ordenadamente, y con cierta simetría, en las tres direcciones del
espacio, tal y como en ocasiones se ven las piezas de fruta en un
mercado (Fig. 2). Estos modos de empaquetamiento y
repetición internos provocan en los cristales diferentes tipos de hábitos
(formas externas), que en el caso de los minerales, y desde hace miles de años,
llamaron la atención por sus propiedades y colores. Muy probablemente esta
aclaración ya le habrá servido al lector para darse cuenta de que, cuando
llamamos “cristales” a los materiales que cierran nuestras ventanas, cometemos
un error. Esta perversión lingüística hay buscarla en el hecho de que en el
siglo I d.C. los antiguos romanos usaban grandes cristales del mineral Lapis specularis (el nombre en latín
para los cristales de yeso trasparente), exfoliados en láminas, para cerrar las
ventanas de sus invernaderos. Y es que esta forma deshidratada del sulfato de
calcio, debido a su transparencia, gran tamaño y planaridad, se extraía en
grandes cantidades de las minas de Segóbriga (España). Los mal llamados
cristales de las ventanas de hoy son realmente vidrios, materiales cuyos átomos
apenas muestran orden de apilamiento en su interior.
Fig. 2. El apilamiento
ordenado de objetos (naranjas, átomos, o moléculas) genera formas externas
llamativas.
Los cristales representan la forma más estable de la materia.
Los encontramos en toda la Naturaleza, desde los minerales hasta en la nieve o
los huesos, o los usamos en la memoria de nuestros teléfonos, el fuselaje de
los aviones, el chocolate, los fármacos, y en general en casi cualquier tipo de
materia. Con las primeras herramientas que se desarrollaron durante el siglo XX
alrededor de esta ciencia, la cristalografía pasó del estudio de la morfología
y simetría de los cristales a ser la herramienta fundamental para averiguar la
estructura intima de la materia, sea ésta viva o inanimada. Conocer la
estructura interna de la materia significa averiguar las posiciones de todos
los átomos que la forman y determinar sus modos de unión, generalmente en forma
de agrupaciones atómicas que conocemos con el nombre de moléculas. La
estructura tridimensional, atómica y molecular, de la materia genera un
conocimiento muy valioso que es utilizado por químicos, físicos, biólogos,
bioquímicos y muchos otros investigadores, pues esta información permite no
sólo comprender las propiedades de la materia, sino también modificarlas para
nuestro beneficio (Fig. 3).
Fig. 3. Sólo después de que
por medio de la cristalografía se pudiera determinar la estructura molecular de
la penicilina (1945), los químicos pudieron abordar su síntesis, consiguiendo
así salvar millones de vidas.
¿Y cómo se consigue todo esto? ¿Hay una luz capaz de dejarnos ver el interior
de los cristales?
Asomarse al
interior de un cristal no deja de ser una experiencia parecida a la del
astrofísico que, por primera vez, ve una galaxia que nadie vio antes. Y aunque
el mundo que explora el cristalógrafo no mire hacia el cielo, y sea de
dimensiones cien millones de veces más pequeñas que un garbanzo, ¡es realmente
mágico! En él flotan los átomos, como si de astros se tratara, unidos por
fuerzas de muy diversa naturaleza, dando lugar a empaquetamientos y formas
caprichosas que llamamos moléculas, a veces giradas unas respecto de otras, y
en ocasiones como asomadas a un espejo. Pero la magia no reside exclusivamente
en la observación de las formas de este microcosmos, sino también en el camino
que conduce a su descubrimiento.
Salvo en el
caso de los minerales, el trabajo del cristalógrafo comienza con la obtención
de cristales, un proceso no siempre sencillo, pero especialmente delicado en el
caso de la materia animada, como las proteínas y los enzimas, pues estas
sustancias generan cristales que pueden contener hasta un 80% de agua en su
interior. Es realmente sorprendente comprobar que tras experimentar con
diferentes condiciones, como por ejemplo añadiendo determinadas sales, o
cambiando el pH, una gota de una disolución de una macromolécula se llena de
diminutos cristales, con caras y aristas perfectamente delimitadas, aunque
extremadamente frágiles. Pero lo más llamativo comienza a partir de aquí, pues
es necesario disponer de algún artilugio capaz de escudriñar el interior de uno
de esos cristales. El proceso que nos permite dicha incursión fue descubierto
en 1912, hace algo más de cien años, por un científico alemán, Max von Laue,
que tuvo la brillante idea de iluminar un cristal de sulfato de cobre con una
luz cuya naturaleza nadie conocía, los rayos X, descubiertos años antes (1895)
por otro alemán, Wilhelm Conrad Röntgen. El resultado de aquel experimento mató
dos pájaros de un tiro; puso de manifiesto que los rayos X eran de naturaleza
ondulatoria (como lo es la luz visible) y que dichas ondas eran capaces de
dispersarse de modo muy especial a través de los cristales, lo cual demostraba
que éstos constituían un medio ordenado que hacía las veces de rendijas
dispersoras. El orden interno de los cristales provoca que la dispersión de los
rayos X sea cooperativa y este fenómeno,
conocido con el nombre de difracción, da lugar a cientos, miles, y cientos de
miles de ennegrecimientos en una placa fotográfica.
Pero una vez
obtenido el patrón de difracción, es cuando debe de producirse un supuesto
milagro, pues el cristalógrafo necesita virtualmente “recorrer el camino
inverso” que viajan los rayos X cuando van desde el cristal hasta la placa
fotográfica (el detector). El grave problema que se plantea es que retroceder
ese camino es como tratar de resolver un puzle con cientos, miles y cientos de
miles de piezas que no disponen de dibujo y apenas de perfil (Fig. 4). Los haces de rayos X difractados (ondas)
llegan al detector, unos respecto a otros, en un estado de vibración que no
podemos medir experimentalmente. Son las matemáticas a través de la denominada
“transformada de Fourier” la que, mediante ingeniosos procedimientos, nos
permite finalmente llegar al punto de partida, al interior del cristal, y
descubrir todos los detalles de ese mundo microscópico en donde “viven” los
átomos y las moléculas.
Fig. 4. Descubrir la
estructura de los cristales es como resolver un puzle con piezas que no
contienen dibujos.
De este modo,
la cristalografía, con la ayuda de los rayos X, resulta ser como una “lupa
mágica” capaz de desvelar el interior de la materia. ¡Pero tampoco concluye
aquí la tarea del cristalógrafo! Al margen de la satisfacción que supone haber
desvelado la forma y dimensiones de las moléculas, o del ordenamiento interno
de un cristal, el último desafío consiste no sólo en analizar esas estructuras,
sino en comprenderlas y sugerir pequeños cambios en dichas estructuras para
mejorar sus propiedades físicas y químicas, incluyendo su actividad biológica.
Gracias al ingente conocimiento que nos proporciona la
cristalografía (que hasta la fecha ya ha generado hasta 29 Laureados Nobel) somos
capaces de producir materiales con propiedades prediseñadas, desde
catalizadores para una reacción química de interés industrial, hasta pasta de
dientes, placas de vitrocerámica, materiales de gran dureza para uso
quirúrgico, o determinados componentes de los aviones, por poner algunos
ejemplos. Más aún, la cristalografía nos proporcionó los secretos del ADN, el
llamado código genético. Podemos aumentar la resistencia de las plantas frente
al deterioro medioambiental y diseñamos fármacos capaces de interaccionar con
las proteínas, las máquinas de la vida. Somos capaces de comprender, modificar
o inhibir enzimas implicados en procesos fundamentales de la vida y muy importantes
para los mecanismos de señalización que ocurren en el interior de nuestras
células, como el cáncer. También gracias a la cristalografía hemos conocido la
estructura del ribosoma, la mayor fábrica de proteínas de nuestras células, y
podemos entender el funcionamiento de los antibióticos y
modificar su estructura molecular para mejorar su eficacia. De la estructura de
enzimas producidas por ciertos virus (Fig. 5), hemos aprendido cómo combatir
bacterias con alta resistencia a antibióticos, y ya somos capaces de
desentrañar las sutiles maquinarias de defensa que han desarrollado estos
gérmenes, con lo que no es un sueño pensar que podremos combatirlos con
herramientas alternativas a los antibióticos.
Fig. 5. Estructura molecular
de LytC, una enzima de la bacteria Streptococcus pneumoniae.
El lector
interesado debería consultar el portal dedicado a la enseñanza de esta
disciplina [1], y adicionalmente, si le resulta más agradable el contacto con
el papel, le remitimos a un ensayo reciente [2].
A modo de conclusión
La cristalografía es probablemente una de las disciplinas
científicas más transversal o pluridisciplinar, amén de útil para la ciencia
actual. Necesita de las matemáticas y de la física para comprender la
naturaleza repetitiva de los cristales y para interpretar el fenómeno de la
difracción de los rayos X, y al demostrar la indiscutible relación existente
entre la estructura tridimensional de los materiales y sus propiedades, la
cristalografía contribuye decisivamente al avance de la química, la física
aplicada, la ciencia de materiales, la geología, la bioquímica, la biología
molecular y la biomedicina. ¡Apúntate!
Referencias:
[2] M. Martínez-Ripoll, J.A. Hermoso, A. Albert
(coord.), “A través del cristal. Cómo la cristalografía ha cambiado la visión
del mundo”, CSIC-Catarata (2014), 196 págs., ISBN: 978-84-00-09800-1.
Martín
Martínez-Ripoll
Doctor
en Ciencias Químicas
Profesor de Investigación Ad Honorem, Instituto de Química-Física “Rocasolano”, CSIC
