Cristalografía: Grandes formaciones naturales, piedras en el riñón, drogas sintéticas

Hace 2.000 años, cuando Hispania era una península del todopoderoso Imperio romano, los ciudadanos más acaudalados contaban en sus casas con un elemento de protección: ventanas. Los romanos utilizaban grandes cristales transparentes de yeso que extraían de los alrededores de la hoy deshabitada Segóbriga (Cuenca). “Eran muy apreciados por su transparencia, tamaño y capacidad de exfoliación”, detalla a SINC Martín Martínez Ripoll, investigador del Instituto de Química Física Rocasolano-CSIC.

Lapis specularis

Lapis specularis

Esta podría ser la primera contribución española a una ciencia que está de celebración, porque la UNESCO ha declarado 2014 Año Internacional de la Cristalografía. La disciplina estudia la estructura de los cristales, es decir, de la materia ordenada, pero no los de las ventanas o las gafas, que son vidrios, pues su composición está desordenada. “Una de las perversiones de nuestro idioma consiste en asignar el nombre genérico de ‘cristal’ a los materiales que deberían designarse exclusivamente con el nombre de ‘vidrio”, asume resignado Martínez Ripoll.

A veces los cristales crecen dentro de nuestro organismo y son los culpables de las dolorosas piedras del riñón y de la gota, que se solucionan gracias a otros cristales presentes en antibióticos y medicamentos. El descubrimiento de los rayos X supuso una revolución para la disciplina, que experimentó su cénit al desentrañarse los misterios estructurales del ADN.

Alhambra y rayos X

Mucho antes de que Watson y Crick descubrieran cómo se organizaba la molécula del ácido desoxiribonucleico, lo que quitaba el sueño a otros científicos, en concreto, a los geómetras árabes que vivían en Al Andalus, era cómo cubrir con mosaicos perfectos –llamados teselados– los ricos interiores del complejo palaciego del Reino Nazarí de Granada, la Alhambra.

“Estas simetrías suponen la contribución española más importante a la cristalografía y al arte geométrico prerrenacentista”, asegura Martínez Ripoll. En la decoración de paredes, alicatados, arabescos, mocárabes y artesonados se observan las simetrías de los 17 grupos cristalográficos planos, que corresponden con las 17 estructuras con las que se puede decorar un plano con mosaicos periódicos.

“A pesar de que haya sido un tema de debate durante años, parece ser que todas ellas están presentes en la Alhambra, lo que da una idea de los enormes conocimientos de geometría de los artistas que la decoraron”, declara a SINC Carlos Rodríguez Navarro, investigador del departamento de Mineralogía y Petrología de la Universidad de Granada. “Es un ejemplo único de simetría cristalográfica”, añade.

Los mosaicos de La Alhambra, simetría cristalográfica- CBE-IQFR-CSIC

Varios siglos después, lo que marcaría un punto de inflexión en la disciplina sería el descubrimiento de los rayos X, a finales del siglo XIX, por Wilhelm Conrad Röntgen. De estudiar únicamente la forma externa de los cristales, con estos rayos, los cristalógrafos pasaron a conocer por fin de qué estaban hechos, cómo era su composición y su compleja estructura. “Los rayos X supusieron en la cristalografía el mismo efecto que produce encender la luz para ver el interior de un recinto oscuro”, compara Martínez Ripoll.

Como la ciencia tiene su propio ritmo, el hallazgo –que le dio el Nobel de Física en 1901 a Röntgen– tardaría aún unos años en trasladarse al estudio de los cristales. En 1912, para demostrar la naturaleza electromagnética de los rayos X, el científico alemán Max von Laue iluminó con esta luz un fragmento del mineral blenda y confirmó su teoría, lo que abría un enorme abanico de expectativas hacia la desconocida naturaleza interna de los cristales.

El fenómeno probado por von Laue –conocido más tarde como difracción– también le valió un Nobel, y sirvió para que aumentara la lista de laureados en esta disciplina, entre ellos los Bragg –padre e hijo–, quienes demostraron que la difracción daba información sobre la estructura interna de estos materiales. “La Fundación Nobel ha concedido hasta 29 Premios Nobel a hallazgos directamente relacionados con esta ciencia, lo que supone el 16% de todos los que la fundación ha otorgado en el ámbito de la Química”, resume el científico.

A caballo entre la biología y la biomedicina

Al calor de estos hallazgos, la ciencia experimentó un crecimiento espectacular en nuestro país, sobre todo en el último tercio del siglo XX, y nacieron numerosos grupos de investigación, entre ellos MACROM, pionero en el estudio del ADN.

“Estudiamos la estructura tridimensional de las macromoléculas biológicas a nivel atómico, lo que nos permite saber cómo funcionan y también, desarrollar fármacos afines a estas moléculas, que pueden activar o reprimir su función”, afirma a SINC Lourdes Campos, miembro de MACROM, de la Universidad Politécnica de Cataluña.

Biomorfo- Juan Manuel García Ruiz

Las macromoléculas biológicas, como las proteínas y los ácidos nucleicos, forman parte de los procesos esenciales de la vida. En el laboratorio centran sus esfuerzos en las proteínas nucleares HMGA que, unidas al ADN, intervienen en muchos aspectos del metabolismo. “Se relacionan con el cáncer y otros procesos patológicos”, apunta Campos.

En España, una veintena de grupos de investigación se dedican a esta área, a caballo entre la biología y la medicina. Uno de los métodos que utilizan es la difracción de rayos X, que llevan a cabo en sincrotrones –aceleradores de partículas– de Francia, Alemania, Suiza, Reino Unido y, recientemente, en el sincrotrón ALBA (Barcelona), operativo desde 2012.

“Hay empresas farmacéuticas que están becando a estudiantes de doctorado para trabajar en ALBA”, indica Campos. Una prueba más de que el peso de la cristalografía en el sincrotrón, el primero de España, es muy significativo.

Al ritmo del sincrotrón

De las siete líneas operativas de investigación que hay en la actualidad en ALBA, dos tienen relación con la disciplina. Mari Cruz García, presidenta de la Asociación de Usuarios de Sincrotrón de España (AUSE), calcula que alrededor de unos 300 usuarios relacionados con la cristalografía están utilizando estas dos líneas, “teniendo en cuenta solo a los que acuden a hacer experimentos, porque suele haber más componentes de los grupos de investigación que posteriormente participan en el análisis de los datos”.

En los años 70 se llevaron a cabo los primeros experimentos de cristalografía con este tipo de radiación. Las principales ventajas de la luz sincrotrón son que permite tanto estudiar materiales que difracten débilmente, como analizar cristales muy pequeños –de decenas de micras–, además de realizar experimentos en tiempo real. Utilizando esta poderosa herramienta u otras, existen en España unos 50 grupos de investigación dedicados a esta ciencia. “Confiemos en que la actual situación de crisis económica y recortes generalizados no hagan perder la posición dominante que la cristalografía española ha ocupado hasta ahora en la escena internacional”, mantiene Rodríguez Navarro.

Una posición envidiable no exenta de dificultades. “Al contrario de lo que ocurre en otros países, la cristalografía en España y, especialmente en el mundo académico, parece seguir siendo una asignatura pendiente, quizás porque, erróneamente, se considera una técnica menor, de aplicación trivial e interpretación baladí”, denuncia Martínez Ripoll.

El Año Internacional de la Cristalografía reivindica su importancia y su multitud de aplicaciones, algunas tan sabrosas que resultan indispensables para la industria agroalimentaria. Por ejemplo, la manteca de cacao –el ingrediente más importante del chocolate– cristaliza en seis formas diferentes, pero solo una de ellas se funde agradablemente en la boca y tiene el brillo superficial y la dureza quebradiza que la hace tan suculenta. 

Tras la Ítaca escondida en África y Oceanía

“Suena pretencioso decir que andamos tras el origen de la vida, pero es nuestra Ítaca y esperamos disfrutar y descubrir cosas interesantes en el camino”. Juan Manuel García Ruiz, cristalógrafo del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (CSIC-Universidad de Granada), ha sido uno de los 13 afortunados que en 2013 ha recibido las prestigiosas subvenciones del Consejo Europeo de Investigación (ERC por sus siglas en inglés). Por su proyecto Prometheus ha conseguido casi 2,5 millones de euros para un plazo de cinco años.

Cueva de Naica La Venta Explorazione Geografique & S/F Archives

García Ruiz explora la convergencia entre el mundo mineral y el de la vida. “Tenemos pistas. Yo descubrí hace años en el laboratorio que mediante el autoensamblaje de nanocristales se pueden producir estructuras puramente inorgánicas que imitan las formas curvas de la vida”, recalca. Para buscar esos fenómenos en la naturaleza, recorrerá medio planeta, parando en el Gran Valle del Rift –en Etiopía, Kenia y Tanzania–, y adentrándose en las fuentes submarinas de Nueva Caledonia. Toda una aventura científica que no es la primera para García Ruiz, acostumbrado a cruzar el charco para estudiar los espectaculares cristales gigantes de Naica (México).