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El sincrotrón Alba

Las aplicaciones en biología ocupan una parte importante de la ciencia en Alba, con tres estaciones experimentales (líneas de luz) dedicadas. En este artículo describimos sus usos, y detallamos en particular las propiedades y posibilidades de la línea de luz XALOC, dedicada a la cristalografía de macromoléculas.

La luz de sincrotrón, principalmente en el rango de los rayos X, es la base de muchas técnicas experimentales, que aprovechan las diversas interacciones de la luz sincrotrón con los electrones de los átomos que forman muestras tan diversas como materiales magnéticos, catalizadores, polímeros, superconductores, o biomoléculas. Así, técnicas como la microscopía, la espectroscopía y la difracción de rayos X son ya una herramienta de uso común en muchos campos científicos, y también cada vez más en la biología molecular y la bioquímica. Las estaciones experimentales, también llamadas líneas de luz, del sincrotrón Alba en Barcelona (1), que entró en operación a mediados del 2012, son una prueba de ello: tres de las siete líneas de luz construidas tienen aplicación directa en las ciencias de la vida.

La primera de ellas, BL9-MISTRAL, está dedicada a la microscopía de transmisión de rayos X con una resolución espacial en 2D de 30 nm. La línea está pensada para la crio-tomografía (reconstrucción en 3D) de células en el rango de la llamada water window, una región del espectro de los rayos X blandos en la cual la luz sincrotrón interactúa más con las macromoléculas (con gran cantidad de carbono) que con el agua (constituida básicamente por oxígeno). Esta técnica es de reciente aparición y con toda probabilidad su uso se extenderá.

Otra línea es la línea de luz BL11-NCD, dedicada a la difracción y dispersión de rayos X a bajos ángulos (SAXS). El uso de esta técnica es cada vez más importante en estudios estructurales de proteínas y grandes complejos macromoleculares en solución. La técnica de SAXS permite determinar la forma de proteínas y complejos a baja resolución, sin necesidad de cristalizarlos.

Finalmente, BL13-XALOC es la línea de luz de Alba dedicada a la cristalografía de macromoléculas (MX), seguramente la técnica en biología más extendida en todos los sincrotrones del mundo. En la técnica MX, el haz de rayos X incide y es dispersado por un cristal cuya celda unidad contiene la proteína o complejo a estudiar. Las ondas de cada celda interfieren constructivamente sólo en determinadas direcciones, en las que aparece un pico de difracción, o reflexión (Figura a). La posición de la reflexión depende del tamaño y forma de la celda unidad, mientras que su intensidad depende de la proteína o complejo contenidos en ella. Así, localizando estas posiciones e intensidades para todas las orientaciones del cristal, y resolviendo el llamado problema de las fases mediante diversas técnicas, con datos básicos como la secuencia es posible encontrar la estructura de la proteína o complejo con una resolución de pocos Angstroms, es decir, casi atómica.

Evidentemente, una condición previa, y también un cuello de botella, para realizar experimentos de MX es la cristalización de la estructura estudiada. Aún así, el ritmo de determinación de estructuras ha estado creciendo ininterrumpidamente desde la eclosión de la técnica, tal como se refleja en la base de datos mundial de estructuras (2). Cada vez más, dada la dificultad creciente de los proyectos, la técnica de MX precisa de mejores líneas de luz sincrotrón dedicadas, y se complementa con otras como espectroscopía de rayos X o, especialmente, SAXS, como se ha mencionado anteriormente.

La línea XALOC entró en operación el 18 de julio de 2012, y desde entonces ha dado servicio a decenas de usuarios. XALOC produce un haz monocromático entre 2.4 y 0.58 Å y de 50×10 µm (horizontal×vertical) de tamaño (Figura b). El haz se ha demostrado muy estable durante horas y con un cambio fácil y rápido de la longitud de onda. Además la línea está equipada con un buen equipo experimental (Figura c). Las muestras se sitúan en un goniómetro de alta precisión de un eje, en el que se puede acoplar un montaje adicional con dos ejes más (montaje mini-kappa) para orientar adecuadamente los cristales con parámetros de celda grandes. La línea cuenta también con un robot intercambiador de muestras, que es una pieza clave en la automatización de la línea que está en proceso. Finalmente, y de manera especial, cuenta con el detector de referencia actualmente en el campo de la MX, que permite una colección de datos con menos ruido de fondo en las imágenes de difracción, así como un rango dinámico elevado que permite medir a la vez reflexiones intensas y débiles en la misma imagen sin peligro de saturación. Típicamente una colección de datos completa se realiza en 1-3 minutos.

El acceso a la línea XALOC se basa en la evaluación científica de las propuestas de experimentos recibidas en los periodos de aplicación de propuestas. En los dos periodos habidos hasta la fecha (diciembre 2012) se han registrado un centenar de propuestas sólo para esta línea. El próximo periodo de aplicación se abrirá alrededor del verano de 2013. Se puede obtener más información en la página de la línea (3).

a) Ejemplo de diagrama de difracción, tomado en XALOC, de un cristal de rhinovirus 2 humano, con parámetros de celda unidad superiores a 450 Å (cortesía Núria Verdaguer, IBMB-CSIC). b) Haz de rayos X producido en XALOC en la posición de la muestra. c) Interior de la cabina experimental de XALOC. Destacan el detector sobre la mesa roja, el goniómetro sobre la mesa azul, y el robot cambiador de muestras en amarillo.
Referencias:
  1. www.cells.es/Beamlines
  2. www.rscb.org
  3. www.cells.es/Beamlines/XALOC/

Entrevista a Jordi Juanhuix

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial? ¿Recibió de joven algún consejo al cual siga siendo fiel?

R.- Mi primer recuerdo de vocación científica surgió sobre los 10 o 12 años, cuando vi una serie de televisión que ya es de culto: Cosmos, de Carl Sagan. Más tarde me gustó la capacidad predictiva de las ciencias experimentales, y ello me orientó finalmente hacia la carrera de física, donde se acabó de perfilar mi vocación científica.

No tengo un consejo propiamente dicho, pero desde joven he sentido que, en lo profesional y lo personal, la vida suele dar lo que esperas de ella. Creo que un cierto «optimismo antropológico» es necesario para avanzar en cualquier ámbito.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Mi trayectoria no ha tenido una dirección científica clara, sino que se ha ido orientando a medida que se abrían campos. Primero empecé con ciencia de materiales y en particular con espectroscopía EXAFS. Me orienté luego en difracción a bajos ángulos y difracción de fibras, y finalmente me he dedicado a la cristalografía de proteínas. En cambio, sí ha tenido una tendencia muy intensa y constante hacia la instrumentación científica, y muy en particular en la instrumentación de sincrotrón, que es probablemente el campo en el que me muevo con mayor facilidad. Me encanta calcular y diseñar instrumentos, y sobre todo demostrar, un vez construídos, que funcionan como se esperaba. La instrumentación de sincrotrón la encuentro especialmente interesante, pues abarca muchos campos tecnológicos diferentes: mecánica de precisión, criogenia, electrónica, control, automatismos, vacío, óptica, etc.

Sí, repetiría mi trayectoria personal, aunque en ella me gustaría anadir más experiencia en Estados Unidos. Creo interesante hacer parte de la carrera en Europa, y parte en Estados Unidos, fundamentalmente, para tener la visión de diferentes sociedades, y tener conocimiento de lo bueno y malo de ellas. 

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- No hay un solo tipo de ciencia, y por tanto un solo tipo de investigador. En la ciencia caben muchos perfiles diferentes, algunos de ellos contradictorios. Aún así, destacaría la tenacidad, el creer en tí mismo desde la humildad, y la capacidad de análisis. También es muy importante tener un adecuado conocimiento del aparato matemático.

P.- ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Que crean en ellos mismos. Que su vida profesional tendrá la justicia que merezca su esfuerzo, aunque no sepan cuándo. También es muy importante mantener una cierta mentalidad empresarial, y saber distinguir entre lo accesorio, lo urgente y lo importante. 

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de este área científica?

R.- Desde hace 8 años he estado construyendo la línea de luz XALOC, dedicada a la cristalografía de proteínas, junto con un equipo multidisciplinar. En todo este tiempo he estado alejado de la ciencia básica, y me he involucrado en profundidad en proyectos de óptica de rayos X, ingeniería mecánica de precisión, instrumentación científica, control, electrónica, cálculos de vacío, etc. Por fin, como resultado de todo este trabajo, en julio de 2012 la línea de luz ha entrado en operación, con éxito hasta el momento. Aunque no está acabada y hay margen para la mejora, la línea ocupará menos tiempo y por tanto podré profundizar en proyectos más específicos de biología estructural para aprovechar las potencialidades de XALOC. 

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX? ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado? ¿Cuál ha sido su mayor sorpresa en el área de investigación en que trabaja?

R.- En mi opinión el principal avance del siglo XX se dio con los nuevos paradigmas científicos creados a principios de siglo, y que han marcado una nueva era en la ciencia: la teoría de la relatividad (especial y general), la mecánica cuántica (y su extensiones a las fuerzas nucleares). En particular, la relatividad especial me impresiona por su belleza formal. También es muy importante el acceso de la información vía internet: determina en gran medida el avance de la ciencia, de la misma manera que la imprenta lo hizo hace cinco siglos.

Respecto a las sorpresas en mi área de investigación, me sorprende todavía la complejidad de la vida y sus engranajes. También me sorprende poder aplicar el mismo aparato matemático en áreas dispares como la cristalografía de proteínas, el estudio de vibraciones en instrumentos o la óptica. 

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- De siempre, la carrera científica ha estado planificada a pedazos. La novedad es que ahora directamente se está haciendo pedazos. Los recortes, algunos necesarios pero muchos más torpes, están afectando gravemente el presente y el futuro de la investigación en España. Y me disgusta profundamente que quienes regulan y predican la excelencia de la investigación no reconozcan ninguna responsabilidad en la excelencia de la gestión.

Perfil de

Después del grado en Física por la Universitat Autònoma de Barcelona, obtuvo una beca en el CEA (Grenoble, France) para estudiar aleaciones granulares metálicas por EXAFS. Continuó en el Laboratori de Llum de Sincrotró (Barcelona) donde obtuvo el PhD estudiando por difracción a bajos ángulos (SAXS) la estructura y función de músculos vivos. En paralelo trabajó en el diseño de los dispositivos de inserción y de diversas líneas de luz. Desde 2001 trabajó como científico de línea en la línea BM16 del ESRF (Grenoble), donde diseñó e implementó la nueva óptica y las estaciones experimentales de cristalografía de proteínas (MX) y SAXS, y se involucró en estudios del sistema inmunitario del complemento por MX. Desde 2004 es responsable de la línea XALOC en ALBA, que ha diseñado, construído y puesto a punto. Junto con el trabajo en la línea, está colaborando en varios proyectos, incluyendo transportadores de membrana bacterianos, complejos inhibidor-factor de crecimiento y compuestos organometálicos.