Escrito por: Eilidh McClain
Editado por: Olivia Pifer Alge, Mena Davidson, Kristen Loesel, y Jennifer Baker
Ilustrado por: Jacquelyn Roberts
Traducido por: Juan Blume La Torre y Rocío Cisneros
Inicio del experimento. Turno uno. 3 horas transcurridas.
¡Cucú! “La fase de escaneo ha concluido”.
Desde la sala de control en las instalaciones del Láser de Electrones Libres de Rayos X Europeo (XFEL) en Hamburgo, Alemania, pudimos escuchar el anuncio de que el escaneo ya había terminado. La primera vez que escuché el anuncio, no lo esperaba; es un sonido tan sutil que fácilmente podría pasar desapercibido e insignificante, lo cual contrasta notablemente con la importancia del laboratorio científico. Aunque inicialmente inesperado, este sonido se volvió un ritual familiar de celebración, marcando cada triunfo en nuestra serie de experimentos.
La sala estaba habitada por alrededor de diez científicos, donde se escuchaban susurros suaves y el continuo tecleo de las computadoras, generando así una atmósfera serena en medio del ajetreo. Con cada experimento, quedaba asombrada ante la complejidad que conllevaba la configuración de los escaneos. En la pantalla de la computadora de la sala de control, se exhibían numerosos monitores, cada uno supervisando aspectos fundamentales de la configuración experimental de la otra sala. A pesar de que las decisiones científicas eran tomadas por investigadores de diversos laboratorios alrededor del mundo, la supervisión y gestión del equipo recaían en las manos de los tres o cuatro científicos residentes de las instalaciones.
“Nuestro mundo es limitado”. Estábamos confinados a la sala de control mientras el escaneo se llevaba a cabo. La sala experimental estaba protegida por una puerta pesada con un sistema de seguridad complejo. Antes de cerrar la puerta, se realizaba una búsqueda exhaustiva para asegurarse de que nadie quedara dentro, ya que estar en la misma habitación que el XFEL podría ser mortal. Recuerdo con claridad que, durante mi entrenamiento, caminaba rápidamente alrededor de la habitación, alzando la voz para advertir que la puerta estaba a punto de cerrarse.
Iniciamos nuestra maratón experimental de 60 horas, dedicando cinco turnos de 12 horas bajo tierra con el objetivo de recopilar la máxima cantidad de datos posible. A pesar de la ironía de viajar a lugares tan fascinantes, como California, Japón o Alemania, para utilizar el equipo, generalmente nos pasamos todo el día confinados a una pequeña sala sin ninguna fuente de luz natural.
Aunque pasemos todo ese tiempo bajo la superficie de la Tierra, nos sentimos entusiasmados y optimistas acerca de nuestra estadía aquí. Estamos seguros de que obtendremos una cantidad sustancial de datos, lo cual podría conducirnos a descubrimientos de considerable relevancia científica. Independientemente de nuestra ubicación geográfica, todos los científicos congregados en este momento comparten un propósito único: utilizar uno de los láseres más avanzados tecnológicamente del mundo.
¿Por qué son necesarias las jornadas maratónicas de 60 horas? “No suena agradable completar días consecutivos de trabajo de 12 horas (a veces turnos de 24 horas)”.
Esta ‘maratón’ es imprescindible, ya que estamos utilizando el láser de electrones libres de rayos X (XFEL por sus siglas en inglés, que significa “X-ray free electron laser”). Un XFEL es un equipo de varios kilómetros de longitud capaz de realizar experimentos que van desde descubrir la estructura de proteínas del cuerpo humano hasta simular las presiones y temperaturas extremas en el centro de la Tierra. ¡Más allá de su potencia y versatilidad, el XFEL adquiere aún mayor relevancia dado que solo existen cinco XFELs operativos a nivel mundial! Para llevar a cabo investigaciones con estos equipos, es indispensable desplazarse por todo el mundo. Este privilegio es excepcional. Dado que el tiempo de experimentación en un XFEL es un recurso altamente preciado, nos esforzamos considerablemente para evitar cualquier pérdida de segundos en la utilización de los rayos X. Es así como surge la necesidad de la maratónica jornada de 60 horas.
Un XFEL opera mediante el proceso de aceleración de electrones. En una de las terminales del acelerador, un cañón de electrones emite los electrones, que son dirigidos en un flujo lineal mediante la acción de potentes imanes. El movimiento de electrones libera energía conforme a la ley de conservación de la energía. Este fenómeno se manifiesta en forma de pulsos en la región de rayos X en el espectro electromagnético.
Estos pulsos son extremadamente breves, con una duración de aproximadamente 10-15 segundos (¡una milésima de una millonésima de una millonésima de segundo!). A pesar de su efímera existencia, estos pulsos albergan una asombrosa cantidad de energía. Se emiten de acuerdo con una modalidad denominada ‘haz de rayos X’. Es análogo al haz emitido por un puntero láser, aunque es imperceptible para nuestros ojos posee una intensidad extraordinaria. La duración de nuestros experimentos, referida como ‘tiempo de haz’, normalmente se extiende a lo largo de varios días. Durante esta fase experimental, buscamos recolectar datos de manera intensiva, empleando múltiples jornadas de trabajo a lo largo de varios días.
Segundo turno. Entrando en ritmo. 17va hora.
Nuestro experimento ha iniciado su travesía. La primera jornada puede ser un trayecto irregular, aunque la emoción del tiempo de haz ayuda a ver los problemas del primer turno a través de lentes de color de rosa. Para la segunda jornada de trabajo, ya nos hemos aclimatado al nuevo estado o país. Además, el laboratorio empieza a volverse familiar: nos movemos con confianza sin requerir mucha orientación, y cada uno de nosotros ha seleccionado su “lugar preferido” en la sala de control. Aunque pueda parecer absurdo, encuentro consuelo en este pequeño ritual, especialmente considerando la lejanía de nuestro hogar. Este sentimiento de familiaridad crecerá con el tiempo.
Tras superar la mayoría de los desafíos experimentales en el primer turno, el segundo turno se percibe comúnmente como el inicio oficial de la recopilación de datos. El siguiente obstáculo consiste en sintetizar la gran cantidad de información proveniente de los detectores y equipos experimentales en fragmentos que podremos revisar con facilidad. El análisis en tiempo real de los datos durante el experimento nos capacita para tomar decisiones informadas, evitando así el desperdicio de tiempo de haz. Esta carrera contrarreloj se convierte en una intensa odisea de programación informática que nos acerca cada vez más a los descubrimientos que anhelamos hacer con este gigantesco láser pulsado.
Los láseres pulsados desempeñan un papel fundamental en nuestra vida cotidiana, desde la eliminación de tatuajes hasta cirugías oculares Lasik. No obstante, el láser de rayos X pulsado nos sumerge en un universo de descubrimientos sin límites. Debido a la naturaleza interdisciplinaria del XFEL, es difícil abarcar todas las aplicaciones aquí. Los hallazgos abarcan diversas áreas, desde la exploración de la estructura de proteínas hasta el análisis del comportamiento de materiales bajo condiciones extremas de estrés. En este emocionante proceso, se unen investigadores de distintos ámbitos de las ciencias naturales, como ingenieros, científicos de datos y técnicos, colaborando de manera conjunta para asegurar el éxito de una sesión de haz. Los extraordinarios científicos de los XFELs desempeñan un papel crucial, haciendo posibles muchos experimentos que, de lo contrario, serían simplemente imposibles.
En el caso de mi experimento, el enfoque principal se centra en el ámbito de la biofísica, una disciplina que investiga la estructura biomolecular y las reacciones dependientes de la luz, así como otras aplicaciones físicas y químicas. Cabe destacar que, durante una sesión de tiempo de haz, es común abordar una amplia variedad de muestras y objetivos de investigación.
Determinación estructural de biomoléculas
En el ámbito de la biofísica, comprender la estructura de las biomoléculas, como las proteínas, es de suma importancia. Similar al “dogma central de la biología molecular” que aborda la replicación del ADN, transcripción del ARN y traducción en proteínas, en biofísica existe un principio fundamental: la estructura determina la función. En otras palabras, la forma en que las proteínas y los ARN se pliegan en las células está directamente relacionada con la función global de esas biomoléculas. En la biofísica, la determinación estructural revela la disposición tridimensional de biomoléculas, esencial para comprender su función biológica. Por ello, muchos investigadores en biofísica se enfocan en la determinación estructural, ya que la información sobre cómo está plegada una proteína puede explicar su función en el cuerpo, ¿incluyendo qué hace y cómo lo hace?
Los XFEL han optimizado de manera significativa este procedimiento, otorgando a los científicos la posibilidad de examinar la evolución de la estructura de una proteína durante una reacción celular. Un ejemplo destacado de esta innovación es la cristalografía serial resuelta en tiempo. La cristalografía se basa en el principio de difracción de rayos X, siendo la misma técnica que contribuyó al descubrimiento de la estructura de la doble hélice alfa de ADN por Rosalind Franklin. La cristalografía serial resuelta en tiempo es una técnica avanzada que combina las capacidades únicas de los XFEL con las técnicas cristalográficas tradicionales. Podemos imaginar la cristalografía como la toma de una ‘radiografía fotográfica’ de una molécula. Los rayos X se dirigen hacia los cristales de consistencia biomolecular, se difractan y forman patrones circulares de puntos que se traducen en estructuras atómicas. En este contexto, la cristalografía serial resuelta en tiempo aprovecha la brevedad e intensidad de los pulsos del XFEL. Estos pulsos, al ser extremadamente cortos e intensos, no causan daño medible a la muestra experimental, a diferencia de otras técnicas. Esto se conoce como el principio de ‘explorar antes de destruir’. Aunque la muestra se destruye eventualmente, la exploración es tan rápida que la destrucción pasa desapercibida, lo que crea una valiosa ventana hacia las características de estas muestras.
La cristalografía serial resuelta en el tiempo captura imágenes instantáneas de datos cristalográficos en distintos puntos de tiempo durante una reacción. Esto nos permite observar con detalle la evolución estructural de una proteína a lo largo del proceso reactivo. Estos datos luego se pueden utilizar para crear una especie de ‘película macromolecular’, donde un investigador puede visualizar partes de la proteína cambiando de posición o estructuras plegadas que emergen y desaparecen. En general, esto es importante porque gran parte de la problemática de entender cómo funcionan las proteínas y otras biomoléculas en el cuerpo, radica en comprender cómo están plegadas y cómo interactúan con otras moléculas a sus alrededores. Esta información puede llevarnos a nuevos descubrimientos en el rango farmacéutico, opciones de tratamiento médico y mucho más.
Películas moleculares
Hablando de películas, los investigadores también pueden grabar vídeos de moléculas mucho más pequeñas que las proteínas mediante el uso de un XFEL. La espectroscopía de absorción de rayos X resuelta en el tiempo, (mide cuántos rayos X son absorbidos por una molécula a lo largo del tiempo), puede revelar la estructura de una molécula. Por ejemplo, en este artículo, se utiliza la espectroscopía de absorción de rayos X para observar de manera secuencial los cambios estructurales en el análogo de la vitamina B12, la metilcobalamina. Esta forma de vitamina B12, presente en el cuerpo, contribuye a la síntesis de los aminoácidos necesarios para la construcción de proteínas en el organismo. En la ausencia de la metilcobalamina, la cual es una forma activa de la vitamina B12 que actúa como un cofactor en la conversión de homocisteína a metionina, el organismo puede experimentar la acumulación de sustancias relacionadas con este proceso, dando lugar a la condición conocida como homocistinuria. En el experimento de espectroscopía de absorción de rayos X resuelta en el tiempo, la metilcobalamina, inicialmente configurada con una estructura específica, experimenta cambios y distorsiones después de ser expuesta a un pulso de luz. Este proceso nos permite observar y comprender la reacción molecular a la luz en tiempo real, construyendo así una representación detallada de la evolución estructural de la molécula a través de lo que podríamos llamar una ‘película molecular’.
Esta película adquiere importancia debido a que las reacciones mediadas por la luz son métodos potencialmente no invasivos para la administración de medicamentos y el control de reacciones. Imagina ir a recibir un tratamiento para una condición y, en lugar de tener que tomar múltiples dosis de un medicamento, las dosis se controlan mediante la exposición a la luz en ciclos repetidos. Además, la luz puede posibilitar tratamientos altamente específicos en casos donde se requiere un tratamiento localizado, como por ejemplo, el tratamiento de células cancerosas. Moléculas como la metilcobalamina son ideales para esta aplicación, ya que es relativamente sencillo agregar diferentes ligandos a la molécula. Comprender la fotorrespuesta de esta molécula es crucial para intentar modularla según nuestras necesidades.
Materia en condiciones extremas
Ahora, nuestra exploración nos lleva más allá de los dominios de la biología y la química para sumergirnos en el fascinante mundo de la física. Los instrumentos XFEL le ofrecen a los investigadores la capacidad de estudiar condiciones de alta energía que serían imposibles de replicar a gran escala (a menos que se dispare algo hacia el sol, tal vez). En la estación experimental Matter In Extreme Conditions en el Linac Coherent Light Source (LCLS) de California, se descubrió que las elevadas presiones y temperaturas en el núcleo de las masivas estructuras de hielo, similares a las de Neptuno, podrían dar lugar a la legendaria ‘lluvia de diamantes’ con los tipos de materiales presentes en el planeta. Utilizando un láser óptico potente, los investigadores simularon las condiciones internas de los planetas Urano y Neptuno, generando altas temperaturas y presiones mediante el uso del poliestireno hidrocarburo (C8H8), dado que tanto el carbono como el hidrógeno son abundantes en esos planetas. Posteriormente, observaron el efecto de los pulsos de rayos X del LCLS a medida que las condiciones extremas separaban los átomos de carbono e hidrógeno en el plástico, ¡llegando a presenciar la formación de diamantes! Este caso ejemplifica las capacidades destacadas de este instrumento en el LCLS. Investigaciones como estas contribuyen a un mejor conocimiento de nuestro sistema solar y nuestro planeta.
Turnos 3 y 4. Enfrentando algunos obstáculos aquí y allá, nos acercamos a la recta final. 38 horas ininterrumpidas de trabajo.
Ahora estamos en pleno desarrollo del experimento. Estamos a la mitad de nuestro tiempo de haz, y, si tenemos suerte, tendremos más datos de lo que sabremos qué hacer con ellos. Pero incluso en este momento pueden surgir problemas, haciendo que estos experimentos sean muy difíciles y cada segundo sea muy valioso. La complejidad y la sensibilidad del instrumento aumenta el riesgo de experimentar “descargas de haz”, eventos en los cuales uno o más componentes del láser, que se extiende por varios kilómetros, presente problemas, interrumpiendo el suministro de rayos X al área experimental. En cada experimento en el que he participado he experimentado algunas descargas de haz. Una en particular afectó mis datos. En esa ocasión ocurrió en el último día de tiempo de haz, el haz se detuvo después de varias horas durante nuestro turno, durante un escaneo de una de mis muestras. En tales circunstancias, sólo nos queda confiar en la habilidad de los ingenieros y científicos especializados para reparar los componentes afectados y esperar con ansias el regreso del haz. En este caso en particular, el haz no se restableció durante el tiempo asignado a nuestro equipo, poniendo fin a nuestra recopilación de datos y impidiéndome la oportunidad de obtener datos de mi muestra. Es un poco decepcionante cuando esto ocurre, y algunos grupos pierden turnos completos debido a problemas con el láser, pero eso es parte de la realidad de trabajar con un instrumento tan complejo.
Las descargas de haz pueden abordarse con futuros avances en XFEL, sin embargo, la velocidad de recopilación de datos está limitada por la tasa de repetición de los pulsos, es decir, cuántos pulsos se pueden generar por segundo. Esto significa que cuando ocurre una descarga de haz, no es tan estresante, ya que la misma cantidad de tiempo puede extenderse mucho más. Un experimento puede tomar de cuatro a seis turnos de 12 horas en el LCLS. En algunas ocasiones los turnos son de 24 horas, aunque es difícil monitorear un experimento durante tanto tiempo, sin embargo, los turnos más largos permiten reducir el tiempo de preparación. Sin duda, existe un equilibrio entre comodidad y eficiencia. Tener los láseres alineados, preparar el experimento y colocar la muestra toma tiempo. Por lo tanto, tener la capacidad de generar más pulsos por segundo significa que los investigadores pueden adquirir la misma cantidad de datos mucho más rápidamente.
El LCLS actual opera a 120 Hz, generando 120 pulsos por segundo. La tasa de repetición más rápida la tiene el XFEL en Hamburgo, con 27,000 pulsos por segundo; sin embargo, normalmente se entregan en ‘bonches’ con una tasa de repetición más baja. Esto implica que se suministran más rayos X a la muestra, pero la velocidad de recopilación de datos es similar a la del LCLS y otros XFEL, con las mismas desventajas. No obstante, hay una solución en el horizonte, con dos nuevos XFEL que se esperan que entren en funcionamiento en los próximos años. Uno está en China: SHINE, programado para 2025. El otro está en California, EE. UU.: LCLS-II. LCLS-II se está comisionando en este preciso momento, con la “primera luz” esperada para septiembre de 2023 y los primeros experimentos íntegros comenzarán en enero de 2024.
Tomará un par de años para lograr un funcionamiento operativo total. ¡Pero piensa en todos los datos que se podrán obtener cuando esté completo!
En su máximo potencial, el nuevo sistema LCLS-II funcionará a 1 MHz, con un millón de pulsos por segundo. Imaginen la reducción del tiempo experimental: se podrán realizar más experimentos de forma más rápida y eficiente. Es probable que los tiempos de haz ya no duren tanto, evitando los irritantes turnos de 24 horas cargados de cafeína. ¡Los investigadores probablemente estarán de mejor humor al final de su jornada e increíblemente contentos con la calidad de sus datos!
Turno 5. El último día. 59 horas 58 minutos después.
Estamos agotados, pero también esperamos con ansias nuestra salida de la estación experimental subterránea para ver la luz del sol con nuevos datos y posibles descubrimientos en el horizonte. No es inusual que los equipos de investigación celebren al final de su jornada experimental con una cena festiva o con una colección de los aperitivos favoritos de cada uno. Independientemente de lo que ocurra durante el tiempo de haz, nos podemos sentir satisfechos con los descubrimientos de los cuales hemos sido testigos y a los cuales hemos contribuido.
Y así, nuestras 60 horas están a punto de concluir. Desde el optimismo inicial del primer turno donde todo se veía color de rosa, hasta superar las dificultades del medio y dirigirnos hacia nuestra mejor oportunidad de éxito, finalmente podemos respirar al concluir nuestro último turno. Celebraremos y luego cada uno seguirá su camino. Nuestro grupo se reunirá nuevamente para discutir el análisis y procesamiento de los datos que hemos recopilado, y evaluaremos el impacto de esta información en nuestra pregunta de investigación.
La conclusión del tiempo de haz. ¡Felicidades!
Los XFEL son instrumentos poderosos que impulsan los límites de diversas disciplinas científicas, abriendo nuevos horizontes de descubrimientos innovadores. El tiempo es precioso, pero su valor es incuestionable; incluso un solo viaje experimental puede proporcionar los datos necesarios para que un estudiante de doctorado escriba su tesis. Aunque los XFEL actuales son instrumentos valiosos, presentan limitaciones que se abordan mediante el aumento de la tasa de repeticiones de pulsos. Así que, ya sea que desees observar cómo una molécula baila, o determinar la disposición de una proteína o estudiar las condiciones en el centro de la Tierra, los XFEL continuarán posibilitando este tipo de estudios.
Algunos enlaces interesantes:
- La revolución de los XFEL
- El espectro electromagnético
- 50 años de la doble hélice, la molécula más bella del mundo
Eilidh McClain es una estudiante de doctorado en el programa de biofísica, que enfoca su estudios en la investigación de la vitamina B12, mediante el uso de varios tipos de láseres, incluyendo XFELs como el de LCLS. Se graduó en 2019 con un título en física de la Universidad Kansas Wesleyan. En su tiempo libre, escribe apasionadamente, principalmente novelas e historias cortas. También se dedica a aprender idiomas, jugar con gatos, dar paseos y coleccionar pequeños tesoros. Eilidh considera que la comunicación científica es de vital importancia y está contemplando una carrera en este ámbito laboral después de completar sus estudios de doctorado. Además, valora enormemente su educación en las artes liberales, la cual le ha proporcionado una sólida base en habilidades de escritura y presentación, permitiéndole compartir la fascinación por la ciencia con otras personas.
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