Imaginemos que se logra combinar la intensidad de todas las estrellas de nuestra galaxia, enfocada sobre la cabeza de un alfiler. ¡Parece imposible! Ello se puede, pero sólo durante unos pocos picosegundos de tiempo. Esto es lo que se ha logrado con Vulcan, uno de los más poderosos láser en Oxfordshire, Inglaterra (La palabra láser es un acrónimo de "Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation).

La gracia de Vulcan es que produce luz en una estrecha parte del espectro visible y lo han utilizado en forma combinada con rayos X, y con esto afirman que pronto podrán observar dentro de las células vivas sus moléculas en acción (New Scientist, Septiembre 27 de 1997, pág. 26).

Hasta ahora, lograr esto sólo con rayos X no es posible. Para ello se necesitan rayos X con una longitud de onda entre 2.2 y 4.4 nanometros, ya que en esta longitud las ondas pasan sin problemas a través del agua, para así poder ser absorbida por los átomos de carbono. Esta importante porción del espectro de rayos X ha sido llamada "ventana de agua" y es la que en este caso tiene que utilizarse.

Pero ¿Cuál es la gracia? Ya los científicos han sido capaces por años de crear rayos X en esta longitud de onda. Pero el problema es que estas fuentes de rayos X proporcionan imágenes borrosas, porque las moléculas deben ser preparadas en forma muy especial, de modo que no se muevan durante una larga exposición. Algo así como las primeras fotografías que se tomaron en el siglo pasado. El hecho es que con los rayos X convencionales los procesos vitales se ven muy borrosos o las moléculas tienen que estar artificialmente congeladas. La gracia está en ver las moléculas en movimiento, cuando éstas están reaccionando. Para ello se necesita esa ventana y la intensidad luminosa del láser.

Un pulso de un rayo X-láser, muy brillante, puede captar el movimiento de las moléculas, como lo hace el flash en una fotografía convencional. Si se toma una serie de estas imágenes, sería posible ver en movimiento moléculas como el DNA o proteínas, cuándo y cómo éstas están trabajando. También dándole a los rayos X-láser imágenes 2D, va a ser posible lograr imágenes holográficas, con lo que se podría ver la actividad molecular en tres dimensiones. El físico Jie Zhang y sus colaboradores, están acercándose a este objetivo.


Películas de la vida en movimiento

Los pulsos cortos y extremadamente brillantes de los rayos X-láser serán útiles por dos razones. Con los rayos X convencionales, las grandes moléculas tienden a difractar muy débilmente los rayos X, de modo que con esta técnica no hay ninguna posibilidad de investigar grandes moléculas proteicas de DNA o virus. Por ello la forma y comportamiento de estas moléculas vitales es hasta ahora un misterio. Los rayos X-láser ofrecen la posibilidad de estudiarlas con gran nitidez.

Por otra parte, lo corto de los pulsos va a permitir congelar el movimiento de las moléculas. Este sería el mayor avance, ya que hasta hoy se obtienen imágenes borrosas, porque la exposición con un sincrotón requiere de varios minutos. Durante este largo período de exposición, la muestra puede moverse, con lo que se pierde resolución, lo mismo que sucede con una fotografía tomada con una larga exposición.

Todo esto va a cambiar con exposiciones con rayos X-láser. "Una exposición de 40 a 50 picosegundos va a congelar cualquier proceso dentro de la célula viva", dice Zhang. Pero aún con equipos menos sofisticados, incluso con exposiciones de nanosegundos, puede dar también buenas resoluciones. Claro que la intensa radiación siempre va a dañar todo lo que esté en su camino. Pero como los rayos X-láser emiten tanta luz y tan rápido, la muestra no va a tener tiempo para degradarse. Haciendo varias exposiciones en forma secuencial, en diferentes estados de la reacción, va a ser posible producir una película del movimiento molecular, y cada cuadro va a tener una perfecta claridad. Así por ejemplo va a ser posible filmar el proceso de la replicación del DNA, lo que para el bioquímico va a ser tan emocionante como ver moverse a la Marilyn Monroe.

Las primeras etapas estarán dirigidas a ensayar la técnica en estructuras ya bien conocidas. "Hay algunos tejidos que son fáciles de preparar, como es por ejemplo el músculo. Su estructura periódica lo hace un buen caso de estudio", dice John Squire, un investigador del Imperial College de Londres. El factor limitante con los láser ha sido la longitud de onda suficientemente corta para lograr una adecuada resolución de las complejas estructuras biológicas. El rayo X-Iáser va a hacer toda la diferencia.

El músculo esquelético tiene una estructura ya bien conocida y parcialmente cristalina, por lo que se ha podido estudiar fácilmente usando la difracción de rayos X. Pero otra cosa es una verdadera película de los filamentos musculares en movimiento. Ello sin duda va a ser de gran ayuda para conocer mejor como funciona el tejido muscular, y probablemente va a ser también de gran ayuda para el diagnóstico de las diferentes enfermedades musculares.

Pero las posibilidades que vislumbra Zhang son aún mucho más ambiciosas. Muchos procesos en las células vivas dependen de interacciones transitorias entre proteínas, o proteínas y ácidos nucleicos, y tener imágenes de estos procesos con los rayos X convencionales, no es posible. En este sentido la técnica de rayos X-láser va a abrir un enorme campo de investigación.

Con esta tecnología, también va a ser posible dilucidar algunos de los grandes puzzles de la biología molecular. ¿Cómo en las células cerebrales las hormonas y las sustancias químicas, denominadas neunotransmisores, gatillan los cambios químicos que pasan a través de las superficies de estas células? ¿Cómo de una parte del cuerpo a otra, pasan las moléculas a través de las fibras nerviosas? Ya se sabe que en los pacientes de Alzheimer se acumulan en el interior de células nerviosas proteínas amiloideas que dañan su función. ¿Cómo sucede este proceso? También se sabe que la enfermedad de Creutzfeldt-Jacof es causada por proteínas priones que cambian su configuración. ¿Cómo sucede esto? Ya hoy en día la medicina nos ha llevado a lo molecular, y para seguir avanzando en su conocimiento, se necesita de instrumentos que sean capaces de detectar y visualizar cómo éstas realmente se comportan en condiciones de salud y enfermedad. Los rayos X-láser, pueden ser una efectiva contribución en esta etapa.

También la industria farmacéutica se beneficiará con esta nueva tecnología. Así por ejemplo, para diseñar nuevos medicamentos, se necesita conocer previamente la estructura de las proteínas y su comportamiento funcional, para así diseñar nuevas drogas que interfieran en sus funciones. Pero las técnicas conocidas hasta ahora necesitan de mayores detalles, relacionados con la estructura molecular, su forma y su comportamiento. En el futuro, todo esto va a ser proporcionado mediante el uso de los rayos X-láser. Se inicia así una nueva tecnología para ayudan a conocer en más detalle cómo se las arreglan las moléculas para hacer posible la vida.*