ÁTOMOS, VACÍO Y DIFRACCIÓN DE RAYOS X

 

Hacia el secreto de la vida, a hombros de gigantes

“Hemos descubierto el secreto de la vida…” Un excitado joven proclama a los cuatro vientos que, junto a Jim, su compañero de investigaciones, habían logrado desentrañar un misterio largamente velado a la humanidad. Ambos iban a comer al Pub Eagle, próximo a su laboratorio de Cambridge, y, nada más entrar, Francis no puede reprimir su alegría, y se lanza a contar que habían descubierto la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), y con ello el secreto de la vida. Jim, era James Dewey Watson, un genetista estadounidense que había formado una curiosa pareja de investigación con el británico Francis Harry Compton Crick… Con algunas notables diferencias, a ambos les unía una gran ambición por poder tener acceso al conocimiento y sus fuentes. En este sentido, resulta significativo que Watson comenzara su famoso libro La doble hélice (1968) diciendo «Nunca he visto actuar a Francis Crick con modestia». Por su parte, Crick, en su libro Qué loco propósito (1988) hace un comentario sobre su sorpresa por la excesiva motivación en el camino hacia el Nobel que Watson revela en La doble hélice. Pero, anécdotas aparte, y parafraseando a Newton, ¿a lomos de qué gigantes llegaron Watson y Crick a desentrañar el secreto de la vida?, y, también, ¿de qué instrumentos científicos, técnicos y personales se sirvieron para cumplir su propósito?

En ese largo camino de ideas, conceptos y técnicas instrumentales hubo muchos gigantes (algunos lejanos y otros muy próximos en el tiempo) sobre cuyos lomos se auparon Watson y Crick para proponer un preciso modelo atómico molecular de la estructura del ADN.

Sin lugar a dudas, esta historia de influencias comienza en Jonia con dos filósofos materialistas: Demócrito y su maestro Leucipo. Demócrito de Abdera expone un pensamiento muy próximo al de la mejor ciencia actual: “Nada existe, aparte de los átomos y el vacío”. “Los átomos constituyen el ser, poseen movimiento propio y espontáneo en todas las direcciones y chocan entre sí. El vacío o no ser separa los átomos y permite su desplazamiento”. Demócrito era un filósofo materialista: para él todo se podía entender objetivamente como propiedades de la materia en constante interacción dinámica, incluso producciones de la mente como la percepción, las sensaciones y el pensamiento. No hay ningún fenómeno natural inteligente ni finalista; los movimientos de la materia y sus choques son resultado del azar y la necesidad.

Mientras la filosofía se plantea ¿por qué las cosas son?, la ciencia aborda principalmente el modo de ser de la realidad material, ¿cómo son las cosas? Aunque esta formulación de principios parece poner algunos límites claros entre estas dos fuentes del conocimiento racional, iremos viendo que las ideas y los conceptos de ambas se entremezclan permanentemente. De esta forma y paulatinamente, a medida que aumenta el ámbito y la experiencia del análisis del mundo material, muchas de las ideas filosóficas iniciales se van transformando en conceptos científicos. Por su parte, los científicos siempre van a enmarcar los nuevos hechos con teorías previas, preñadas de ideas y conceptos.

 

De la idea y el concepto a la técnica instrumental

Si nos situamos más allá del origen del universo, las preguntas anteriores caen actualmente en el ámbito de la metafísica, aunque es posible que en un futuro no muy lejano se amplíe el ámbito de actuación de los científicos, y que algunos planteamientos de esta se constituyan en física, como ha ido pasando repetidamente con muchas ideas desde los griegos hasta la actualidad. Así, la teoría atómica pasa de la idea inicial de átomo de filósofos clásicos, como Demócrito y Leucipo, al concepto experimental de este desde el siglo XIX, en la explicación del comportamiento de la materia en los fenómenos y las leyes de la química y de la física nuclear: ley de conservación de la materia; teoría atómica de Dalton; hipótesis atómico molecular de Avogadro; tabla periódica de los elementos, de Mendeléyev; modelo atómico de Rutherford; modelo atómico de Bohr; modelo atómico de Sommerfeld; modelo de Schrödinger; modelo de Dirac… Todos estos modelos y algunos posteriores incorporaron ideas provenientes de las teorías de la relatividad y de la física cuántica…

Paulatinamente, el avance del conocimiento científico logró eliminar subjetividades del concepto de átomo hasta hacerlo objeto directo de estudio y utilización aplicando técnicas instrumentales fisicoquímicas, como las relacionadas con la difracción de rayos X y la microscopía electrónica, entre otras. Con estas técnicas instrumentales se ha llegado al abordaje de problemas relativos a los seres vivos, como el de la base molecular de su información, que son de un nivel de complejidad superior. El análisis por difracción de rayos X de la estructura molecular de proteínas y ácidos nucleicos nos permite conocer la disposición exacta de sus átomos constituyentes. Pero se trata de una técnica difícil que no nos ofrece una foto, sino unas complejas imágenes de patrones de difracción que hay que explicar.  

 En 1895, Wilhelm Röntgen (Premio Nobel de Física en 1901) descubrió casualmente una radiación desconocida hasta entonces, y que por ello denominó rayos X, que era capaz de atravesar casi todas las sustancias. Inicialmente, esta radiación se asoció a partículas con una determinada energía. Posteriormente, el estudio de los rayos X como ondas propició la creación de una nueva técnica instrumental, la difracción de rayos X, de la mano de Max von Laue (Premio Nobel de Física en 1914, quien razonó que los rayos X podían ser difractados al interaccionar con átomos que se encuentran a una distancia parecida a la longitud de onda de la radiación emitida. Además, si los átomos forman parte de moléculas cristalizadas (con una estructura espacial ordenada), la difracción podía ser interpretada al recogerse sus reflexiones en una placa fotográfica. Se obtenía, así, un patrón de difracción o difractograma que ofrecía información de la estructura atómica del cristal. Fueron dos británicos, padre e hijo, William Henry Bragg y William Lawrence Bragg (Premios Nobel de Física en 1915), los pioneros en la utilización de la técnica de cristalografía de rayos X para, mediante la interpretación de los difractogramas obtenidos, calcular las distancias entre los átomos de macromoléculas biológicas (como las proteínas o el ADN) y, así, determinar su estructura tridimensional.

La interpretación es siempre un paso fundamental en el camino de la ciencia, y puede ser más o menos física según nuestro grado de proximidad al objeto de estudio. Así, por ejemplo, en la historia de la determinación de la estructura del ADN, el ingente trabajo de Chargaff sobre la composición química de esta macromolécula reveló que todas las analizadas tenían igual cantidad de adenina que de timina, y lo mismo ocurría con la citosina respecto a la guanina. Pero, además, para resolver este gigantesco problema estructural también fue preciso el análisis cristalográfico. Este fue dilucidado con gran esfuerzo y rigor científico por Rosalind Franklin principalmente, que trabajaba con Maurice Wilkins. La célebre fotografía 51 de los patrones de difracción de rayos X de las fibras de ADN –“alguna de las fotografías por rayos X más hermosas”, en palabras de J. D. Bernal (uno de los primeros discípulos de los Bragg)–, obtenida por la investigadora, fue entregada (junto con otros datos) por Wilkins a James D. Watson. Este perseguía con Francis H. Crick esta estructura; para ello, unieron este conocimiento fisicoquímico con los datos de Chargaff y propusieron un modelo molecular teórico del ADN.

En esta historia dos científicos, entre otros, resultaron especialmente perjudicados: la principal fue Rosalind Franklin, que como mujer fue ninguneada por algunos de los hombres que trabajaban alrededor de ella, y terminó trasladándose al laboratorio de Bernal en Londres. El otro fue el gran Linus Pauling que –por motivos políticos– no pudo viajar a Inglaterra para participar en las reuniones donde se discutían los datos cristalográficos. Más tarde, Watson comentó al respecto de la posibilidad de que Pauling hubiese podido asistir a los seminarios del King´s College y ver la fotografía 51: “a más tardar en una semana, Linus tendría la estructura”. También posteriormente reconoció el enorme mérito de Franklin, que fallecida prematuramente no pudo ser candidata al Nobel.

Por una parte, hemos visto el arduo trabajo experimental físico y químico, de Franklin y Chargaff, con el que se consiguieron datos muy valiosos y bien establecidos, imprescindibles para determinar la estructura del ADN. El rigor de las técnicas instrumentales que aplicaban no admitía dudas en estos dominios. Pero al adentrarse en los problemas biológicos se amplía notablemente el campo de la interpretación. Aquí es donde la astucia –quizá reprobable– para conseguir los datos se une a la audacia para interpretarlos. Eso fue lo que hicieron Watson y Crick, con la colaboración de Wilkins y de espaldas a Franklin.

La imagen de la doble hélice fue la piedra sillar sobre la que se edificó la biología molecular. Al fin, la herencia particulada de Mendel y sus leyes tenían una sólida base química; sin embargo, de nuevo, las relaciones moleculares (de código genético) que se fueron descubriendo entre ADN, ARN y proteínas admitían más de una interpretación. Lo realmente establecido es que los genes son fragmentos de ADN que portan información para la formación de un polipéptido. En una de las posibles interpretaciones, el denominado dogma central de la biología molecular (DCBM) dicta que la información genética va unidireccionalmente de la secuencia de bases del ADN a la del ARNm, y de esta a la de aminoácidos de un polipéptido. Así, la información secuencial de este último determinaría su estructura tridimensional y su función: una secuencia, una estructura y una función. Este es el paradigma genocéntrico de la biología molecular, donde la estructura es prioritaria a la función.

Pero también es posible una interpretación funcional donde la información genética secuencial esté rodeada de la información conformacional de las proteínas –tanto pregenética como epigenética– en su plasticidad intrínseca adaptativa frente al medio ambiente molecular.

 

Con la teoría atómica hemos visto el avance del conocimiento científico desde las ideas metafísicas hasta el análisis y la utilización directa de los átomos. En sus publicaciones Crítica de la razón pura y Prolegómenos a cualquier metafísica futura que quiera presentarse como ciencia, Immanuel Kant plantea abiertamente: ¿puede la metafísica convertirse en ciencia? Él tiene como modelos la Física y las Matemáticas, mientras que considera la metafísica como un conocimiento ajeno a la experiencia directa: “un conocimiento a priori, o de la razón pura”. Pero acabamos de ver la utilidad instrumental de las ideas iniciales –como los átomos de Demócrito y Leucipo– para llegar a desarrollar conceptos empíricos y experimentales, e incluso llegar a delimitar objetos materiales susceptibles del análisis y del manejo instrumental directo. Secuencias como esta son frecuentes en la historia de la ciencia.