Kitabı oku: «La máquina genética»

2. Mi encuentro con el ribosoma

No hay más que mencionar el ADN para que casi cualquier persona asienta con un gesto de complicidad. Todos sabemos —o creemos saber— qué es el ADN. Determina quiénes somos en esencia y qué le heredamos a nuestros hijos. El ADN se ha convertido en una metáfora de las cualidades fundamentales de casi todo. “No está en su ADN”, decimos incluso al hablar de una empresa.

Pero si dices la palabra ribosoma, por lo general recibirás una mira-da ausente, incluso de la mayor parte de los científicos. Hace unos años, Quentin Cooper, del programa de radio de la bbc Material World, me contó que al invitado de la semana anterior lo indignó que el tema del ojo sólo mereciera la mitad de un programa cuando se había planeado un episodio completo para el ribosoma, que apenas es una simple molécula. Por supuesto, los ribosomas, o las proteínas que éstos a su vez producen, no sólo constituyen la mayor parte de los componentes del ojo sino también casi todas las moléculas de cada célula de cada forma de vida. De hecho, para cuando usted haya terminado de leer esta página, los ribosomas de cada uno de los billones de células de su cuerpo habrán producido miles de proteínas distintas. Existen millones de formas de vida sin ojos, pero todas necesitan ribosomas. El descubrimiento del ribosoma y su papel en la construcción de proteínas es la culminación de uno de los grandes triunfos de la biología moderna.

Cuando llegué a California a estudiar biología, no tenía idea, como la mayor parte de los físicos, de qué era el ribosoma y apenas tenía una vaga noción de qué era un gen. Sabía que los genes transportan los rasgos que recibimos de nuestros ancestros y que le heredamos a nuestros descendientes, pero aprendí que son mucho más que eso. Son las unidades de información que permiten que un organismo completo se desarrolle a partir de un solo óvulo fertilizado. Aunque casi todas las células contienen un juego completo de genes, en distintos tejidos están encendidos conjuntos diferentes de ellos, así que una célula del pelo o la piel es muy distinta de una del hígado o el cerebro. ¿Pero, de entrada, qué son los genes?

En términos generales, un gen es un trozo de ADN que contiene información sobre cómo y cuándo hacer una proteína. Las proteínas llevan a cabo miles de funciones vitales. Por ejemplo, son lo que hace que se muevan los músculos. Nos permiten sentir la luz, las texturas y el calor, y combatir las enfermedades. Llevan oxígeno de nuestros pulmones a nuestros músculos. Incluso pensar y recordar es posible gracias a las proteínas. Muchas proteínas llamadas enzimas catalizan las reacciones químicas que construyen los otros miles de moléculas en la célula. Así pues, las proteínas no sólo le dan a la célula su estructura y su forma sino que también la hacen funcionar.

FIGURA 2.1. Estructura del ADN.

Comprender cómo la información en un trozo de ADN podría usarse para hacer una proteína fue la culminación de una emocionante década que comenzó con un artículo clásico de 1953 de James Watson y Francis Crick sobre la estructura de la doble hélice del ADN. A menudo, la estructura de una molécula no explica inmediatamente cómo funciona. Eso no pasa con el ADN, que de inmediato sugirió cómo podía transmitir información y a la vez cómo podía reproducirse. Durante mucho tiempo había sido un misterio cómo se duplica la información en una célula cuando se divide o cómo su descendencia hereda esa información cuando el organismo se reproduce.

FIGURA 2.2. Proteínas.

En cada molécula, las dos hebras de ADN que se entrelazan para formar una doble hélice corren en direcciones opuestas. Cada hebra tiene una columna vertebral de azúcares y grupos fosfato alternados, y uno de cuatro tipos de bases —A, T, C o G— se fijan al azúcar y miran hacia el interior de la hélice. Cuando jugaba con siluetas de cartón de las bases, a Watson se le ocurrió una idea brillante: se dio cuenta de que una A en una de las hebras puede unirse químicamente con una T de la otra hebra, pero no con cualquiera de las demás bases, mientras que la G de una hebra puede hacerlo con una C de la otra. La forma de cada par de bases, ya sea AT o CG, era más o menos la misma, lo que significa que, sin importar el orden de las bases, la forma general y las dimensiones de la doble hélice eran más o menos las mismas. Esta disposición en pares de bases significaba que el orden de las bases en una hebra determinaría con precisión el orden en la otra. Cuando las células se dividieran, ambas hebras se separarían y cada una contaría con información que serviría como plantilla para construir la hebra contraria, dando como resultado dos copias de la molécula de ADN a partir de una sola. Así, los genes eran capaces de duplicarse a sí mismos. Después de siglos, finalmente entendimos en términos moleculares cómo pueden transmitirse los rasgos hereditarios de generación en generación.

FIGURA 2.3. Transcripción: un gen cifrado en forma de ADN se copia a un ARN mensajero.

La estructura sugirió de inmediato cómo podían duplicarse y heredarse los genes, pero no cómo la información contenida en ellos podía usarse para construir proteínas. El problema era que cada hebra de ADN es una larga cadena compuesta de ladrillos compuestos a su vez por los cuatro tipos de bases, pero las proteínas son cadenas completamente distintas, hechas de aminoácidos, y sus enlaces químicos son totalmente diferentes. Su enorme variedad se debe a que existen 20 tipos de aminoácidos, que tienen una amplia variedad de propiedades químicas. Cada cadena de proteínas tiene una longitud y un orden único de aminoácidos, y sorprendentemente contiene la información necesaria para que la cadena se pliegue en una forma característica que le permite desempeñar su función particular. Crick comprendió que el orden de las bases en el ADN codificaba el orden de los aminoácidos en una proteína, pero la pregunta aún era cómo.

Por más de una década, muchísimas personas trabajaron en este problema. Resulta que la tira de ADN que contiene un gen se copia en una molécula emparentada llamada ARN mensajero o ARNm, cuyo nombre se debe a que dicha molécula transporta el “mensaje” genético a donde se necesita. El ARN —sigla que significa ácido ribonucleico— se distingue del ADN —o ácido desoxirribonucleico— en que tiene un oxígeno extra en el anillo de azúcares. El ARN también tiene cuatro bases, pero en éste la base timina (T) del ADN es reemplazada por una base muy similar, el uracilo (U), que también se une a la base A.

¿Cómo pasas de tener cuatro tipos de bases a veinte tipos de aminoácidos? Es como seguir una larga serie de instrucciones escritas en algún código usando un alfabeto desconocido. Resulta que las bases se leen en grupos de tres y cada uno de esos grupos se llama codón. La forma en que se leen —y esto lo predijo Crick— es que otra molécula de ARN, llamada ARN de transferencia o ARNt, tiene un aminoácido especial en un extremo y un grupo de tres bases llamado anticodón en el otro. El anticodón y el codón forman pares de bases, iguales que los que existen entre las dos hebras de ADN. El próximo codón es reconocido por un ARNt diferente, que lleva consigo su propio aminoácido, etcétera.

FIGURA 2.4. ARN de transferencia: las moléculas adaptadoras que acarrean aminoácidos y leen el código del ARN mensajero.

El siguiente gran descubrimiento fue que nada de esto ocurre por sí solo. Los biólogos celulares descubrieron partículas en las células en donde se lee el ARNm y se fabrican las proteínas. Estas partículas eran diminutas para los estándares normales: caben unas cuatro mil en el grosor de un cabello humano y se cuentan por miles en cada célula, desde las bacterias hasta las de los seres humanos, pero son enormes en términos moleculares. Cada una contiene unas 50 proteínas y tres grandes fragmentos de su propio ARN: un tercer tipo de ARN (además del ARNm y el ARNt). Al principio, los científicos se referían a estas partículas como “partículas de ribonucleoproteína de la fracción microsomal” porque estaban hechas tanto de ARN como de proteínas y se habían aislado de fragmentos celulares conocidos como microsomas. Era un poco un trabalenguas, así que, en una conferencia que se celebró a fines de la década de 1950, Howard Dintzis sugirió el nombre ribosoma, que es como se le ha llamado desde entonces. Dintzis también fue la primera persona que determinó la dirección en la que se construye una cadena de proteínas. Confieso con vergüenza que, tras trabajar por 30 años en esta disciplina, no conocía a Dintzis ni su trabajo. Cuando finalmente lo conocí en 2009 en la Universidad Johns Hopkins, a donde fui invitado para dar una conferencia bautizada en su honor, él seguía comprensiblemente orgulloso de haber acuñado la palabra.

FIGURA 2.5. Composición de los ribosomas.

El ribosoma completo tiene medio millón de átomos. Puesto que es el vínculo entre nuestros genes y las proteínas que éstos determinan, el ribosoma se encuentra en la encrucijada misma de lo vivo. Pero, aunque todo mundo entendía esto, nadie sabía qué aspecto tenían los ribosomas, más allá de que eran una masa amorfa compuesta de dos partes. Y ése era un auténtico problema. De algún modo el ribosoma se unía al ARNm y juntos agrupaban los aminoácidos que transportaban hasta allí los ARNt para formar una proteína. Pero, sin saber qué aspecto tenía, ¿cómo podíamos entender cómo funciona el conjunto?

Imagínate que eres un marciano que observa la Tierra desde las alturas. Puedes ver objetos diminutos en la superficie que se mueven sobre todo en línea recta y de vez en cuando hacen giros en ángulos rectos. Si pudieras acercarte un poco, verías que estos objetos se mueven únicamente cuando entran en ellos objetos aún más pequeños y que dejan de moverse cuando salen. Si contaras con sensores, podrías determinar que consumen hidrocarburos y oxígeno, y que emiten dióxido de carbono y agua, así como algunos contaminantes y calor. Pero no tendrías la menor idea de qué son realmente estos objetos y mucho menos de cómo funcionan. Sólo conociendo detalladamente la estructura del objeto, podrías saber que está hecho de cientos de componentes que funcionan juntos y que tiene un motor conectado a un cigüeñal que hace girar las ruedas. Necesitarías conocer aún más detalles para saber que el motor mismo tiene cámaras con pistones que reciben una mezcla de combustible y oxígeno que se enciende gracias a una bujía y que esto empuja el pistón.

Ocurre lo mismo cuando tratamos de entender las moléculas. Conocer la estructura precisa del ADN revolucionó nuestras ideas sobre cómo consigue almacenar, transmitir y replicar información genética. Pero el ribosoma no era una molécula sencilla como el ADN. Era enorme y compleja, y parecía demasiado intimidante e inabordable.

FIGURA 2.6. Alfred Tissières y James Watson, dos pioneros de la investigación del ribosoma (cortesía del Cold Spring Harbor Laboratory).

Muchos grandes científicos, como Crick, que desempeñaron papeles clave para determinar cómo se codifica la información en el ADN, se dieron por vencidos con el ribosoma y dejaron ese tema para estudiar otros problemas. Sydney Brenner, otro eminente colega de Crick y uno de los descubridores del ARNm, dijo en la década de 1960 que la estructura del ribosoma era un problema trivial y no hacía falta estudiarlo en Cambridge, puesto que este tipo de trabajo sería realizado, en cualquier caso, por los estadounidenses. Esto me recuerda cuando el senador George Aiken dijo, respecto de la irresoluble guerra de Vietnam, que “Estados Unidos debería declarar que había ganado y salir de ahí”. Uno de los primeros biólogos moleculares que insistió en estudiar el ribosoma fue Watson, que trabajó en el problema con Alfred Tissières, un bioquímico de Ginebra que estaba de visita en su laboratorio. Casi 40 años más tarde, en una reunión en Cold Spring Harbor en 2001, Watson rememoró esos días y recordó que, en cuanto entendió lo complejo que era el ribosoma, supo de inmediato que nunca conoceríamos su estructura.

Cuando me instalé en el laboratorio de Mauricio Montal, el ribosoma no estaba para nada en mis planes, pero, tras pasar allí unos pocos meses, me encontré en Scientific American un artículo sobre el tema que cambiaría mi vida. El artículo describía cómo se puede ubicar la multitud de proteínas distintas en el ribosoma usando dispersión de neutrones, una técnica que conocían los físicos pero que casi no se usaba en biología. Los autores eran Don Engelman y Peter Moore, y recordé que Don fue una de las personas que expresaron su interés en tenerme como estudiante de posdoctorado durante mi tránsito de la física a la biología. Pensé que, si me había querido sin tener ninguna formación en biología, podría estar aún más interesado ahora que ya había aprendido algo sobre la disciplina y tenía más de un año de experiencia en el laboratorio. También se me ocurrió que había aprendido suficiente biología como para hacer investigación en esta área y que no necesitaba obtener un segundo doctorado.

Así que le escribí a Don para recordarle nuestra correspondencia previa y le conté que ahora estaba aún más preparado para un posdoctorado. Puesto que sabía que su principal interés, igual que el de Mauricio, eran las membranas y las proteínas de las membranas, le expliqué que me gustaría trabajar sobre ese tema en su laboratorio. Respondió informándome que no tenía ningún lugar disponible, pero que su colaborador Peter Moore sí, y que, si iba con él y trabajaba con ribosomas, podría hacer algo de investigación sobre membranas en mi tiempo libre. Para entonces yo sabía que los ribosomas eran de una importancia fundamental, así que accedí. Resultó después que no tendría nada de “tiempo libre”.

Peter escribió poco después para informarme que iría a San Diego para un congreso y que le daría gusto conocerme. Fui al centro para verlo y me llamó la atención su característico atuendo elegante, con una chaqueta de pana marrón, y sus gruesos anteojos y sus modales que respondían perfectamente al estereotipo de un intelectual de la Ivy League. Y en efecto lo era. Entró muy joven a la competitiva vida académica y se quedó para siempre, y nunca supe si de verdad entendía qué se sentía no haber pertenecido toda la vida a instituciones de élite. Su padre era un pionero de la cirugía de trasplantes en Harvard y Peter mismo había estudiado en escuelas privadas y luego en Yale antes de hacer su posgrado en Harvard, donde trabajó con Watson en el ribosoma. Después comenzó a trabajar en Ginebra con Alfred Tissières —amigo y colaborador de Watson—, que para entonces ya era puntero en la investigación del ribosoma. Allí se dedicó a purificar las diferentes proteínas que lo conforman.

Cuando se dio cuenta de que la clave para entender el ribosoma era descifrar su estructura y que tenía que aprender análisis estructural, dejó Ginebra y viajó al Laboratorio de Biología Molecular (LMB, por las siglas de Laboratory of Molecular Biology) del Medical Research Council (MRC) en Cambridge, Inglaterra. Este laboratorio era un descendiente directo de la unidad MRC en la que Watson y Crick hicieron su trabajo sobre ADN y que para entonces se había convertido en una Meca para estudiar las estructuras de toda clase de moléculas biológicas. Los estadounidenses se referían al laboratorio como el MRC, como si fuera el único de los muchos laboratorios que el Medical Research Center financiaba en todo el país que fuera digno de conocerse. Los británicos lo llamaban MRC-LMB o sencillamente LMB, como se le conoce actualmente.

FIGURA 2.7. Peter Moore hacia 1980, cuando el autor trabajó en su laboratorio en Yale (cortesía de Peter Moore).

Al final de su temporada en el LMB, Peter regresó como profesor a Yale, su alma máter, donde permanece hasta ahora. Tiene un sentido del humor mordaz y un cúmulo de conocimientos que va desde todos los aspectos de la ciencia hasta la historia y los clásicos. Aunque es un hombre tímido y reservado, pierde su reticencia natural cuando se trata de ciencia. Sus conferencias eran articuladas y salpicadas de humor, y generaciones de estudiantes y científicos de Yale debieron enfrentarse a su ira cada vez que presentaron argumentos descuidados.

Cuando lo vi en el congreso de San Diego donde nos conocimos, estaba solo, esperándome en medio de un mar de gente que pasaba. Tras un breve saludo, conversamos un poco sobre mi formación y su proyecto. No supe qué tal me fue en esa entrevista informal, pero poco después me escribió para invitarme a visitar Yale. Mi estancia allí fue muy agradable. A pesar de mi evidente ingenuidad, Peter me ofreció formalmente un puesto y acepté de inmediato. Pasé el resto del año académico terminando el trabajo en el laboratorio de Mauricio. Finalmente, cuando acabó el vera-no, viajé a New Haven y recogí a mi familia camino a Ohio, donde habían pasado las últimas semanas.

Llegué al laboratorio de Peter en el otoño de 1978. Me sentía inquieto. Ahora que realmente debía hacer investigación posdoctoral en Yale, mi confianza anterior se evaporó, porque, a pesar de mis dos años de posgrado en biología, tenía muy poca experiencia en investigación biológica real. A pocos días de mi llegada, Peter y yo nos encontramos caminando el uno hacia el otro en un largo pasillo en el neogótico Laboratorio de Quí-mica Sterling, pero cuando estuvimos cerca apartó la mirada. Me preocupaba que tan pronto se hubiera arrepentido de contratarme, pero su técnica de muchos años Betty Rennie se rio y me explicó que era su forma de ser. Como sea, siempre fue muy amable conmigo y a un año de entrar debí haberle parecido lo suficientemente competente como para dejarme solo un año entero mientras se iba de sabático a Oxford. En su ausencia, me dejé crecer una barba que conservé por casi 25 años.

Cuando empecé a trabajar para Peter, ya se habían determinado algunos datos básicos sobre el ribosoma. Todos los ribosomas tienen dos partes, conocidas como la subunidad mayor y la menor. La subunidad menor se fija al ARNm que contiene la información genética, mientras que la subunidad mayor une los aminoácidos que llevaron hasta allí los ARNt para hacer una proteína. Hay tres espacios para los ARNt: uno que recibe el nuevo aminoácido, otro que sostiene la cadena de proteínas en crecimiento y uno más que es una especie de zona de transición antes de que el ARNt sea expulsado del ribosoma. Durante el proceso, los ARNt pasan en el ribosoma de un espacio al siguiente y al moverse arrastran el ARNm consigo, de modo que de hecho el ribosoma se desplaza a lo largo del ARNm y permite que los ARNt lean un codón tras otro para hacer la proteína en turno. Cada paso necesita la ayuda de proteínas que se fijan y abandonan el ribosoma en distintas etapas, y cada paso consume energía. Puesto que emplea energía y se mueve durante este proceso de enorme complejidad, el ribosoma se conoce como una máquina molecular o nanomáquina.

Además de su papel biológico fundamental, en la encrucijada entre los genes y las proteínas que éstos codifican, existía una razón práctica para interesarse por el ribosoma. A lo largo de los años la gente había notado que muchos antibióticos funcionan bloqueando algunos de los diferentes pasos del ribosoma. Puesto que los ribosomas humanos son lo suficientemente distintos de los que poseen las bacterias, algunos antibióticos se unen a los ribosomas de éstas y son útiles para tratar enfermedades infecciosas. Sin embargo, las bacterias se vuelven cada vez más resistentes a los antibióticos; saber exactamente de qué formas dichas sustancias se unen al ribosoma ayudaría a diseñar mejores medicamentos.

Estos hechos básicos ya estaban consignados en los libros de texto, así que, cuando le contaba a la gente que estaba trabajando en el ribosoma, con frecuencia me preguntaban: “Pero ¿no está eso ya resuelto?” A veces la pregunta iba acompañada de una mirada de lástima, como si fuera un pobre infeliz que trataba de encontrar el hilo negro de un problema que había dejado de ser interesante. Lo cierto es que, aunque existía un esbozo de las funciones del ribosoma, no teníamos idea de cómo llevaba a cabo ni siquiera uno de los muchos complicados pasos que se requieren para fabricar una proteína. Era como si supiéramos un poco más sobre cómo es un automóvil —como si descubriéramos que tiene cuatro ruedas y ventanas, y un conductor que se sienta tras un volante—, pero no entendiéramos nada sobre cómo funciona.

Como ocurre con muchos otras disciplinas, la ciencia tiene sus modas y en cada época algunas áreas se consideran más interesantes que otras; con frecuencia son aquellas en las que se están haciendo rápidos progresos. Muchos científicos cambian de problema tan pronto como empieza a resultar demasiado difícil avanzar. Los científicos muy creativos abren áreas totalmente nuevas, pero otros sencillamente saltan de un área atractiva a otra. Si todos hicieran lo mismo, nuestra comprensión de los fenómenos sería muy superficial, pero por suerte también hay quienes se quedan con un problema sin importar qué tan viejo o difícil sea, hasta llegar al fondo del asunto.

Aunque el ribosoma había sido estudiado por un par de décadas, nadie sabía dónde estaban ubicadas las cerca de 50 proteínas que lo forman y mucho menos qué función desempeñaban. Peter colaboraba con Don Engelman para abordar este problema. En cierto sentido, no podían haber sido más distintos. A diferencia de Peter, de talante reservado, Don era un nativo de California alto y gregario, con una barba primorosamente cuidada, una resonante voz de barítono y un estilo afable que transmitía una gran autoridad sin importar el tema de conversación. Estudió en el Reed College de Portland, obtuvo su doctorado en Yale y luego hizo un posdoctorado con Maurice Wilkins, el “tercer hombre” del ADN, donde trabajó en la estructura de las membranas que envuelven a todas las células. A diferencia de Peter, que consagró toda su vida a estudiar uno u otro aspecto del ribosoma, los intereses de Don eran más diversos.

Don y Peter habían asistido a una conferencia dictada por Benno Schoenborn, del Brookhaven National Lab, sobre cómo podían usarse los neutrones para estudiar estructuras biológicas. Los neutrones eran algo de lo que sólo se ocupaban los físicos y además se necesitaba un reactor nuclear para producir suficientes como para realizar un experimento. Pero para la biología lo que resultaba interesante de los neutrones era que el hidrógeno y su isótopo más pesado, el deuterio, interactúan de formas muy distintas con los neutrones; además, el hidrógeno representa la mitad de los átomos en moléculas biológicas como las proteínas y el ARN.

La charla les dio a Don y a Peter la idea de tratar de determinar dónde estaban ubicadas las proteínas ribosomales. Se dieron cuenta de que, si se pudiera construir un ribosoma en el que sólo dos de las proteínas tuvieran átomos de deuterio en vez de hidrógeno, esas dos proteínas dispersarían los neutrones de forma distinta.

Era posible obtener proteínas deuteradas cultivando bacterias en agua pesada, que no es otra cosa que óxido de deuterio. Luego había que volver a armar un ribosoma en el que dos proteínas específicas estuvieran deuteradas. Masayasu Nomura, en Wisconsin, había demostrado que es factible extraer bioquímicamente las 20 proteínas de la subunidad ribosomal menor y purificarlas a partir de la mezcla mediante cromatografía. Luego se pueden mezclar todos los componentes en una solución y, con las condiciones adecuadas, reensamblar una subunidad menor funcional a partir de las proteínas purificadas y el ARN. Así se podría obtener una subunidad menor en la que sólo dos de las proteínas han sido reemplazadas por sus contrapartes deuteradas. Estas subunidades ribosomales podían llevarse a un reactor nuclear en el Brookhaven National Lab, en medio de Long Island, para exponerlas a un haz de neutrones. Cada iteración del experimento arrojaría la distancia entre un par de proteínas; midiendo las distancias entre muchos pares, podría determinarse cómo estaban dispuestas en tres dimensiones, de forma muy parecida a la triangulación que hicieron los primeros topógrafos para cartografiar terrenos desconocidos. El proyecto exigía realizar las mismas mediciones tediosas una y otra vez con diferentes pares de proteínas del ribosoma.

Me uní al laboratorio cuando apenas se habían localizado con este método las primeras proteínas; me pasó la estafeta Dan Schindler, el alumno de posdoctorado cuyo lugar habría de ocupar. Descubrí, para mi sorpresa, que los haces de neutrones, incluso los de un reactor nuclear, son algunos órdenes de magnitud más débiles que los rayos X, así que se necesitaban varios días para medir la pequeña señal de las proteínas deuteradas enterrada en la dispersión de fondo procedente del resto del ribosoma. Dedicar el verano a este trabajo tenía sus ventajas: a veces, mientras se procesaban los datos, iba a la playa de Fire Island, a unos kilómetros hacia el sur. Estar atrapado en Brookhaven no resultaba muy divertido el resto del tiempo, porque el laboratorio se encontraba en un viejo campamento militar en medio de la nada, a las afueras de Yaphank. Los científicos que trabajaban ahí vivían en comunidades a unos kilómetros de distancia, que eran una mezcla de caseríos rurales y extensos desarrollos urbanos. A diferencia de una ciudad universitaria, con una rica oferta cultural y una vibrante vida nocturna, el laboratorio estaba desierto por las tardes y los fines de semana, y no había nada que hacer para un visitante temporal. Esta situación me recordaba una famosa caricatura de The New Yorker de la autopista de Long Island que decía “Salida 66: Yaphank. Si ya ha estado en Yaphank, por favor ignore esta salida”.

Tardamos unos tres años en localizar un poco más de la mitad de las proteínas de la subunidad menor y escribimos un par de artículos sobre su ubicación. Me preguntaba cuánto tiempo me tomaría encontrar el resto, pero, al acercarse el fin de mi beca, Don habló conmigo y me dijo que ahora que ya tenía la formación que necesitaba me vendría bien pasar a la siguiente etapa de mi carrera. El proyecto lo concluyó mi sucesor, Malcolm Capel. El artículo final, que describía la ubicación de todas las proteínas, las mostraba como bolas de billar superpuestas en el contorno de la subunidad menor y yo bromeaba diciendo que cerca de una tercera parte de esas bolas eran mías.

En respuesta a la indirecta de Don, presenté solicitudes a casi 50 plazas de profesor, pero no era buen momento para buscar empleo. Apenas comenzaba la era Reagan de la miniaturización del gobierno y el financiamiento para la investigación era limitado. La biotecnología estaba en pañales y los puestos de profesor escaseaban.

Me presenté a tantas convocatorias como pude en universidades de todos los niveles. Al leer mi nombre indio, a las universidades pequeñas probablemente les preocupaba que no pudiera hablar inglés lo suficientemente bien como para dar clases. Las universidades más grandes analizaban mi carrera: una licenciatura y un doctorado en física, ninguna por una universidad de prestigio, dos años estudiando biología pero sin título y luego investigación usando una técnica de la que nadie había oído hablar sobre un problema pasado de moda. No me extraña que no me hayan concedida una sola entrevista.

Por suerte, el Oak Ridge National Lab en Tennessee acababa de abrir un centro de dispersión de neutrones y estaba buscando alguien que trabajara con biólogos, así que Don llamó al director del centro, Wally Koehler, para recomendarme. Emocionados y llenos de optimismo por mi primer trabajo “de verdad”, Vera y yo de inmediato compramos una casa ahí. En febrero de 1982 empacamos todo en nuestro pequeño Ford Fiesta y manejamos de New Haven a Tennessee, con todo y una tormenta de hielo en Pensilvania

Iba convencido de que podría hacer mi propia investigación, pero resultó que el laboratorio de biología que me habían prometido no existía. Cuando me quejé, Wally Koehler me dijo que estaba allí para colaborar con los biólogos en la dispersión de neutrones, no para hacer mi propio trabajo. Koehler era un físico muy conocido, pero que obviamente no sabía cómo se trabaja en biología y lo periférico del trabajo con neutrones en esa rama de la ciencia, así que poco después de mi llegada empecé a buscar trabajo en otro lado. Por suerte, Benno Schoenborn, que estaba trabajando en el uso biológico de los neutrones en el Brookhaven National Lab y quien inspiró a Peter y a Don para colaborar en el problema del ribosoma, vino al rescate. Me ofreció un trabajo independiente en Brookhaven que, dada mi situación en Oak Ridge, acepté agradecido. Así, a apenas 15 meses de mi llegada a Oak Ridge, vendimos nuestra casa por mucho menos de lo que nos había costado y en el verano de 1983 nos mudamos de nuevo a la costa este, esta vez a Long Island.

A Vera no le hacía mucha gracia dejar su hermoso jardín y su vida idílica en Oak Ridge y se le fue el alma a los pies cuando cruzamos el puente George Washington y pudimos ver el tráfico de la autopista a Long Island. Terminamos por encontrar una casa en East Patchogue, junto al pueblo de Bellport, en la costa sur de Long Island. Era un trayecto de 20 kilómetros hasta el laboratorio y se sentía aún más largo durante las tormentas invernales.

A diferencia de mi desastrosa experiencia en Oak Ridge, en Brookhaven me dieron un laboratorio bien equipado, un técnico y libertad para emprender mi propia investigación. Mis colegas eran muy amables y serviciales, pero me dejaron claro que no debía esperar una titularidad por el simple hecho de continuar mi trabajo de posdoctorado. Por suerte, como resultado de algunas colaboraciones durante mi breve estancia en Oak Ridge, me había interesado en la cromatina, el conjunto de ADN y las proteínas llamadas histonas que conforma los cromosomas de las células. Así que comencé a estudiar cómo estaba organizada la cromatina y durante mucho tiempo me conocieron más por este trabajo que por el que continuaba haciendo sobre el ribosoma.

Seguía empeñado en estudiar el ribosoma usando las técnicas que había aprendido, como la dispersión de neutrones, pero ni yo ni nadie en el área entendía todavía cómo funcionaba en realidad. Sus componentes individuales parecían no hacer gran cosa por sí mismos. Era un poco como observar un grupo de llantas y de pistones aislados sin tener idea de cómo se ensamblan para formar un automóvil. Por el otro lado, el ribosoma completo daba la impresión de ser un problema demasiado grande e inabordable como para avanzar en forma significativa. El ribosoma no sólo estaba menos de moda que cuando me había ocupado de él por primera vez, sino que la dispersión de neutrones había demostrado ser un callejón sin salida para estudiarlo a él o a la cromatina. A casi una década de mi salto de la física a la biología, daba la impresión de que mi segunda carrera, como la primera, se iba por un tubo.

3. Cómo ver lo invisible

Decimos “ver para creer” y resulta sorprendente con cuánta frecuencia justo la capacidad de ver cosas ha cambiado nuestra comprensión del mundo. Durante siglos pensamos sobre el cuerpo humano de formas erradas porque lo que conocíamos de él provenía del médico griego Gale-no, que a su vez aprendió mediante la disección de animales. No fue sino hasta el siglo XVI, cuando Andreas Vesalius comenzó a estudiar directamente con cadáveres humanos, que realmente comenzamos a entender nuestra propia anatomía.

Pero cuando le llegó el turno al ribosoma, ninguno de los métodos que usábamos nos permitía observar sus detalles y mucho menos su opera-ción. Antes de regresar a nuestra historia, vale la pena dar un rodeo para examinar por qué le tomó a los científicos medio siglo desarrollar una técnica que sería clave para descifrar el problema del ribosoma.

Durante la mayor parte de la historia humana, vivimos limitados por aquello que podíamos ver a simple vista. El ámbito de lo visible se amplió drásticamente a mediados del siglo XVII cuando un comerciante de lino, Anton van Leeuwenhoek, buscó la forma de examinar con más detalle las fibras textiles. En su búsqueda por hacer mejores lentes, inventaría el microscopio más poderoso de su época, que usó para observar todo, desde el agua de un charco hasta la mugre que rascó de sus propios dientes. Lo dejó estupefacto comprobar que ahí se movían diminutas criaturas que él llamó animálculos pero que hoy conocemos como microbios. Poco después, Robert Hooke también empleó microscopios para ver los detalles de todo, desde pulgas hasta diversas clases de tejidos. Hooke acuñó el término célula para describir los compartimientos que conforman los tejidos vegetales. La idea de la célula transformó por completo la biología; hoy sabemos que la célula es la unidad más pequeña de la vida que pueden existir de forma independiente y que puede asociarse con otras para formar tejidos y organismos completos. Conforme los microscopios fueron volviéndose más poderosos, la gente descubrió que el interior de las células también tiene estructuras, como núcleos con cromosomas y diversos organelos. La capacidad de observar los detalles transformó la biología, desde la anatomía humana hasta las estructuras dentro de las células. ¿Pero de qué estaban hechas todas estas cositas dentro de las células mismas?

Como toda la materia ordinaria, las células y sus componentes están formados por moléculas, que son grupos de átomos unidos en formas muy específicas. La teoría atómica de la materia tardó tanto tiempo en desarrollarse y su importancia es tal, que el famoso físico Richard Feynman afirmó que, si se destruyera todo el conocimiento científico y sólo pudiera heredarse una oración a las siguientes generaciones de seres humanos, debería ser ésta: “Todas las cosas están hechas de átomos, diminutas partículas que se mueven sin parar y se atraen unas a otras cuando se encuentran a cierta distancia pero se repelen cuando se les obliga a acercarse demasiado.”

Resulta sorprendente que, sin siquiera poder ver las moléculas, los científicos de los siglos XVIII y XIX no sólo dedujeran su existencia sino también su estructura: la disposición de los átomos que conforman una molécula. Pudieron hacerlo para moléculas sencillas como la sal común, que sólo tiene dos átomos, y también para algunas más complicadas, como el azúcar, que tiene veintitantos. Pero, conforme más grandes y complejas son las moléculas, más difícil se vuelve inferir su estructura sin poder observarlas directamente.

La razón por la que nadie había visto una molécula tiene que ver con las propiedades mismas de la luz. La luz está hecha de fotones que, como explica la física cuántica, tienen propiedades tanto de partícula como de onda. La naturaleza ondulatoria de la luz es lo que permite que funcionen las lentes y los microscopios. Pero esa propiedad también implica que, cuando la luz pasa a través de orificios muy pequeños o por la orilla de un objeto, se dispersa a causa de un proceso llamado difracción. Por lo general, no notamos este efecto, pero, si dos objetos muy pequeños están muy cerca uno del otro, sus imágenes se dispersan y se combinan; si alguien los observara por el microscopio, vería un objeto grande y borroso en vez de dos objetos diferentes. En el siglo XIX, el físico alemán Ernst Abbe calculó que sólo es posible distinguir o “resolver” dos objetos independientes si se encuentran a una distancia mayor que la mitad de la longitud de onda de la luz que se emplea para verlos. Esta distancia mínima entre dos objetos se llama el límite de resolución. La luz visible suele tener una longitud de onda de 500 nanómetros (un nanómetro es una milmillonésima de metro). Así, los detalles muy finos —por ejemplo, rasgos que se encuentren a menos de 250 nanómetros de distancia— se verían borrosos.

Para principios del siglo XX ya se había calculado cuántas moléculas hay en un volumen de material, de modo que se conocía la distancia aproximada entre los átomos de una molécula. Resultó ser más de mil veces menor que la longitud de onda de la luz. Esto significaba que era imposible ver moléculas individuales, ni siquiera con los mejores telescopios ópticos. Las moléculas serían invisibles por siempre.

Pero en 1895 apareció una alternativa a la luz visible cuando un físico alemán, Wilhelm Röntgen, descubrió una curiosa nueva radiación mien-tras observaba las descargas eléctricas en tubos de vacío. Estos tubos tienen dos electrodos separados por un alto voltaje en un vacío. Cuando se aplica una corriente, el electrodo cargado negativamente, o cátodo, se calienta y emite electrones que cruzan el vacío e impactan el otro electro-do, el ánodo. Röntgen descubrió que estos tubos emitían unos rayos misteriosos que provocaron que un compuesto de bario brillara incluso en la más absoluta oscuridad. Los llamó rayos X y se puso a investigar sus propiedades. Eran altamente penetrantes y por primera vez nos permitieron ver a través de objetos normalmente opacos, como nuestras manos, y revelar los huesos en su interior.

Nadie sabía qué eran los rayos X o incluso si eran partículas u ondas (hoy sabemos que también son fotones, como la luz normal, de modo que son tanto partículas como ondas). En 1912, Max von Laue y dos colegas decidieron comprobar qué pasaría si los rayos X golpeaban un cristal de sulfuro de zinc, formado por dos tipos de átomos: zinc y azufre. Descubrieron que, en vez de dispersarse, los rayos X se concentraban en puntos.

Von Laue entendió rápidamente lo que estaba ocurriendo. Había usado un cristal, que no es más que un arreglo tridimensional de moléculas, como una pila de pelotas perfectamente esféricas. Si fueran ondas, cuando los rayos X golpearan el cristal cada átomo dispersaría esas ondas en todas direcciones, del mismo modo que, cuando lanzas una piedra a un estanque, las ondas se propagan hacia afuera en todas direcciones. La onda resultante, en cualquier dirección, sería la suma de todas las ondas dispersadas por cada átomo que hubiera sido golpeado por el haz de rayos X.

Cuando dos ondas se combinan, la fuerza de la onda resultante depende de cómo se suman las originales, lo que a su vez depende de cuánto se parecen. Si ambas tienen sus crestas y sus valles en el mismo lugar se dice que están en fase, y la onda combinada será el doble de fuerte. En cambio, si las crestas de una onda coinciden con los valles de la otra se dice que están fuera de fase, y se cancelarán mutuamente por completo. Cualquier cosa que ocurra entre ambos casos producirá un resultado intermedio.

Von Laue se dio cuenta de que, dependiendo de la ubicación de cada átomo, las ondas que se dispersan a partir de ellos viajarían diferentes distancias. Unas se adelantarían y otras se retrasarían, de modo que en buena medida quedarían fuera de fase y se cancelarían mutuamente. Pero, en ciertas direcciones, las ondas de diferentes átomos se adelantarían o retrasarían un número entero de longitudes de onda. En ese caso, las crestas y los valles seguirían alineados, de modo que permanecerían en fase y se reforzarían mutuamente. Por eso Von Laue vio puntos en su fotografía: indicaban las direcciones en las que las ondas que se dispersaban a partir de los átomos en el cristal se potenciaban mutuamente.

FIGURA 3.1. Rayos X al momento de impactar un cristal para producir puntos de difracción.

FIGURA 3.2. La suma de las ondas depende de cómo se relacionen.

El experimento demostró que los rayos X en efecto pueden concebirse como ondas, pero también constituyó la primera prueba directa de que un cristal está formado por una estructura regular de átomos. Como los científicos sabían más o menos a qué distancia debían estar estos átomos unos de otros, pudieron deducir la longitud de onda de los rayos X. Era más de mil veces más corta que la longitud de onda de la luz: perfecta para observar detalles atómicos. Dos años después, en 1914, Von Laue recibió el premio Nobel de Física.

FIGURA 3.3. Planos en un cristal y cómo difractan los rayos X en determinados ángulos.

Von Laue también trató de deducir exactamente cómo estaban dispuestos en el espacio los átomos de zinc y de azufre de su cristal, pero aquí su análisis resultó estar errado. En Cambridge, un joven estudiante de posgrado llamado Lawrence Bragg se sintió intrigado por los resultados de Von Laue y decidió estudiar el problema. Bragg encontró una forma elegante de analizar el fenómeno, que ayudó a deducir la estructura correcta: comprendió que puede concebirse que los átomos en un cristal forman distintos grupos de planos. Estos grupos de planos pueden encontrarse en diferentes direcciones y estar a diferentes distancias unos de otros. Se puede pensar que los rayos X que se dispersan a partir de los átomos en cierto plano se reflejan a partir de él, de modo que los puntos de difracción también se llaman reflejos. Para cualquier conjunto de planos, la distancia adicional que viajan los rayos X dispersados en planos adyacentes es una longitud de onda completa para un ángulo particular. Para ese ángulo, las ondas que se dispersan a partir de cada grupo de planos permanecerán en fase y se potenciarán mutuamente, dando origen a un punto de difracción.

La relación entre el ángulo y la distancia entre planos se llama ley de Bragg. En cualquier posición dada, puede haber varios planos que satisfacen la condición de Bragg y cada uno da origen a un punto en un ángulo particular relacionado con el haz de rayos X incidente. Al hacer girar el cristal, habrá nuevos planos que satisfagan la condición de Bragg y producirán nuevos puntos. Tras haber girado por completo el cristal en relación con el haz de rayos X, se habrán medido todos los puntos posibles del cristal.

Mediante este análisis, Bragg determinó la disposición correcta de los átomos en el cristal de Von Laue. Envió su análisis a la Cambridge Philosophical Society en noviembre de 1912, pero, puesto que apenas era un estudiante, debió ser su profesor, J. J. Thomson, descubridor del electrón, quien comunicara oficialmente el artículo escrito por Bragg para la revista de la sociedad.

Más adelante, Bragg usó su teoría para analizar una de las moléculas más sencillas, la sal común. Para entonces, los químicos ya habían deducido que una molécula de sal estaba compuesta por la unión de un átomo de sodio y uno de cloro; la llamaron cloruro de sodio. Cuando Bragg analizó los puntos en sus fotografías de rayos X de cristales de sal, descubrió que no existía tal cosa como una molécula de cloruro de sodio. Más bien, el cristal era un tablero de ajedrez tridimensional formado por iones de sodio y de cloro (en los que el átomo de sodio ha perdido un electrón y el átomo de cloro ha ganado uno, de modo que tienen cargas opuestas). Los iones se mantienen en su lugar en el cristal por fuerzas eléctricas.

Muchos químicos de la época no se tomaron muy a bien que un joven estudiante de física les dijera que incluso algo tan sencillo como la sal no era como pensaban. Uno de ellos, Henry Armstrong, profesor de química del Imperial College de Londres, se ensañó con Bragg en una carta a la revista Nature titulada “Pobre sal común”, en la que sostenía que la estructura del cloruro de sodio propuesta por Bragg era “más que repugnante para el sentido común”. Y añadía el que posiblemente constituya el peor insulto para un británico: “Es absurdo a la n potencia; no es críquet químico.” Al final, no sólo resultó que Bragg tenía razón sino que también determinaría la estructura de muchas otras moléculas simples. Por primera vez era posible “ver” moléculas. Este método para determinar la estructura tridimensional de los átomos en una molécula, luego de obligarlo a formar cristales y de analizar los puntos de difracción, sería conocido como cristalografía de rayos X.

El padre de Bragg, William Bragg (en realidad ambos se llamaban William, así que el hijo usaba su segundo nombre: Lawrence), era profesor de física y desarrolló algunos de los instrumentos más avanzados de su época para medir con precisión los puntos de rayos X. Tras desarrollar la teoría, Bragg trabajó con su padre en varios experimentos. El hijo permaneció en Cambridge y el padre, que ya era un físico famoso, viajó por todo el mundo para dar conferencias sobre su trabajo con “su muchacho”. Durante un tiempo, a Bragg le preocupó que, puesto que apenas era un estudiante, su famoso padre se llevara todo el crédito y al parecer hubo algunas tensiones entre ellos. Pero resulta que alguien en el comité del Nobel estaba muy bien informado. En 1915, ambos Bragg compartieron el premio Nobel de Física por su trabajo. Bragg, que entonces tenía 25 años, sigue siendo el galardonado más joven de este premio, pero no pudo ir a Estocolmo a recibirlo porque acababa de comenzar la primera Guerra Mundial. De hecho, el hermano de Bragg, Robert, murió en combate unas semanas antes de que supieran del premio. Bragg leyó su discurso de aceptación en 1922.

Las moléculas simples que Bragg había estudiado al principio sólo tenían unos pocos átomos, así que era posible conjeturar distintas estructuras y comprobar si los puntos que predecía la ley de Bragg coincidían con lo que mostraban las fotografías. Pero estas suposiciones se hicieron cada vez más difíciles conforme se estudiaban moléculas más grandes, con muchos más átomos. Se necesitaba un nuevo enfoque. ¿Era posible calcular en forma directa, a partir de los datos de rayos X, una imagen o “mapa” de la molécula que mostrara exactamente dónde estaban los átomos?

Para entender cómo se calcula un mapa, imagínate cómo se obtiene una imagen magnificada con ayuda de una lente. A partir de cada parte del objeto se dispersan rayos de luz. Cada punto de la imagen se produce cuando la lente combina las ondas dispersadas a partir de cada punto del objeto. Lo importante es que los rayos se dispersan, exista la lente o no: ésta sencillamente los reúne para formar una imagen. Hemos discutido que la longitud de onda de la luz es casi mil veces más grande que lo necesario para ver átomos en una molécula. Los rayos X, por su lado, tienen la longitud de onda correcta. ¿No era posible usar rayos X con una lente para ver imágenes de las moléculas directamente sin tener que batallar con cristales y puntos?

FIGURA 3.4. Comparación de la formación de imágenes con una lente y con cristalografía de rayos X.

El problema es que no existe una lente lo suficientemente buena como para obtener imágenes de moléculas con rayos X. Pero, incluso si fuera posible, se interpone un serio problema, porque a diferencia de la luz los rayos X degradan las moléculas a las que golpean. Para ver una molécula individual con suficiente detalle, habría que exponerla a una dosis tan alta de rayos X que terminaría destruyéndola. En un cristal, sin embargo, los puntos de difracción son resultado de sumar los rayos X dispersados por millones de moléculas. La señal amplificada de estos millones de moléculas permite usar una dosis mucho menor y ésa es otra razón importante para emplear cristales.

Sin una lente para rayos X, hubo que inventar formas ingeniosas de hacer matemáticamente el trabajo de la lente: combinar ondas prove-nientes de diferentes partes del objeto en una sola imagen (para quienes tienen un talante matemático, se trata de calcular la transformada de Fourier de los rayos dispersados). Pero tomar sin más los puntos medidos en una fotografía de rayos X y combinarlos en una computadora para formar una imagen tenía un grave inconveniente. Una lente “sabe” cuándo llega cada parte de una onda al recombinarla con las demás. En otras palabras, la lente conoce la fase, o la posición relativa de las crestas y los valles de cada una de las ondas que tiene que sumar. Cuando medimos la intensidad de un punto de difracción de rayos X en un cristal, lo que estamos midiendo es la amplitud de onda, en otras palabras, la altura de su cresta sobre su posición promedio. La medición no posee ninguna información sobre la fase de la onda, es decir, cuán adelantada o retrasada está la cima de la onda en relación con todas las demás ondas para cada punto. Para sumar las ondas correspondientes a todos los puntos se necesitan ambos datos, pero las mediciones sólo contienen la mitad. Para empeorar las cosas, lo que tenemos es la mitad menos importante, porque la imagen es mucho más sensible a la fase correcta que a la amplitud correcta. Este irritante inconveniente se conoce en cristalografía como el problema de las fases. Sin conocer las fases no podría obtenerse la imagen de la estructura.

Al cristalógrafo Arthur Lindo Patterson se le ocurrió una forma de resolver este problema cuando se dio cuenta de que incluso sin las fases es posible emplear la medición de las intensidades de los puntos para calcular una función que permita situar los átomos más prominentes en la estructura, que suelen ser los átomos más pesados (porque tienen más electrones y dispersan más los rayos X). Entonces se pueden calcular las fases que sólo estos átomos producirían y combinarlas con las amplitudes medidas en toda la molécula. Al hacerlo, algunos de los átomos faltantes —los que no son parte de los primeros pocos átomos calculados— aparecerán como datos más débiles o “fantasma” en la imagen de la estructura. Al sumar esos átomos a la estructura original y volver a hacer el cálculo, aparecerán aún más átomos fantasma en la nueva iteración. Así se puede ir llevando el proceso hasta calcular la estructura completa.

El resultado final de este método es una imagen o mapa tridimensional de la molécula. Estos mapas se llaman mapas de densidad electrónica, porque casi toda la dispersión de rayos X proviene de los electrones en los átomos, de modo que el mapa muestra qué tan densos son los electrones en cada punto en particular. En la práctica, puesto que los electrones forman básicamente un paquete compacto alrededor del núcleo, este método determina dónde están los átomos. Los mapas se dibujan trazando curvas de nivel de cada sección, algo parecido a los mapas topográficos que muestran dónde están las cimas de las montañas. En los mapas topográficos, a mayor altitud, mayor es el nivel de la curva; en los mapas de densidad electrónica, a mayor densidad, mayor es el nivel de la curva. Así, los mapas muestran dónde se encuentran los átomos dentro de una molécula.

Los científicos comenzaron a usar el método de Patterson para deter-minar la estructura de moléculas cada vez más complicadas. Entre quienes llevaron este método al límite se encuentran Dorothy Hodgkin (su nombre de soltera era Dorothy Crowfoot). Fue una de las primeras mujeres en titularse con honores de la carrera de química en el Somerville College de la Universidad de Oxford y luego en obtener su doctorado, bajo la guía de John Desmond Bernal, en Cambridge.

Bernal era un brillante polímata, pero un tanto disperso intelectualmente. Hizo las primeras incursiones en muchos problemas importantes, pero no siempre les dio seguimiento hasta solucionarlos. Tal vez tenía demasiadas distracciones. Durante la segunda Guerra Mundial, el gobierno británico le pidió asesoría sobre los mejores sitios para realizar el desembarco del Día D en Normandía. Bernal era un comunista apasionado y no dejó de ser un apólogo del gobierno soviético ni siquiera cuando se dieron a conocer las atrocidades cometidas por Stalin. También era un apasionado por las mujeres y en ocasiones mantenía relaciones con varias al mismo tiempo. Muchas —entre ellas la misma Hodgkin— sentían que Bernal realmente las quería y las ayudaba a avanzar en sus carreras y mantuvieron su amistad con él por el resto de su vida, aunque sus relaciones románticas hubieran terminado. De hecho, varias se turnaron para cuidarlo durante su enfermedad terminal.

Tal vez como producto de todas esas distracciones, varios de los protegidos de Bernal harían mayores contribuciones y se volverían más famosos que él mismo. Hodgkin fue uno de los casos más ilustres. Tras obtener su doctorado, regresó a Oxford, pero el mundo académico no estaba muy dispuesto a contratar mujeres y no pudo obtener un puesto allí. Por suerte, su Somerville College, donde se había graduado, le dio una beca, que ella complementó con varias otras becas de investigación temporales. Le asignaron un espacio en el ático del Museo de Historia Natural de la universidad. Para llevar a cabo allí sus experimentos, con frecuencia tenía que mantener en un equilibrio precario sus valiosos cristales con una mano mientras subía la escalera. Pero ella, impertérrita ante la dificultad y la incertidumbre de sus circunstancias laborales, demostró un criterio excepcional al decidirse por la investigación de moléculas biológicas muy importantes, entre ellas la penicilina y la vitamina B12. Esta última contiene varios cientos de átomos y dilucidar su estructura se consideraba un tour de force. En cierto punto, Bernal le dijo a Hodgkin que ella ganaría un premio Nobel. Ella le preguntó si algún día la elegirían miembro de la Royal Society y se cuenta que él respondió: “¡Eso sería mucho más difícil!” Para los hombres habría sido al revés, pero por esa época la Royal Society no había elegido a una sola mujer en sus 300 años de historia. Y sin embargo el trabajo de Hodgkin sencillamente era demasiado importante como para ser ignorado. La nombraron miembro de la Royal Society en 1947, apenas dos años después de que esta sociedad acogiera como miembros a las primeras mujeres: la cristalógrafa Kathleen Lonsdale y la bioquímica Marjorie Stephenson. En 1964, Hodgkin ganó el premio Nobel por su trabajo, un acontecimiento que se reportó con el encabezado “Premio Nobel para una esposa de Oxford”. El artículo comenzaba: “Un ama de casa y madre de tres hijos ganó ayer el premio Nobel de Química”. Para algunos periodistas, su situación doméstica y su capacidad para procrear eran lo más importante que podía contarse sobre ella.

La cristalografía de rayos X era un éxito atronador, pero en principio no quedaba claro que pudieran estudiarse con esta técnica moléculas como las proteínas. A mediados de la década de 1930, cuando Bernal y Hodgkin estudiaron por primera vez los cristales de una proteína con rayos X, no observaron casi ningún punto. Bernal comprendió que los cris-tales de proteínas contienen mucha agua, se secan con facilidad y pierden su estructura original. Cuando él y Hodgkin los mantuvieron hidratados durante el transcurso de los experimentos, pudieron ver un hermoso patrón de difracción. Fue la primera evidencia de que las proteínas pueden tener una estructura definida y no son meras cadenas aleatorias de aminoácidos.

Pero las proteínas no contienen cientos sino miles de átomos, así que los métodos que Hodgkin usó para encontrar la estructura de la vitamina B12 no servirían. Por suerte, Max Perutz, un inmigrante austriaco, decidió ocuparse de este desafiante problema. Perutz abandonó Austria en la década de 1930, escapando de los nazis apenas por unos pocos años. Como Hodgkin, Perutz llegó a Cambridge a trabajar con Bernal, que por entonces era conocido como “el sabio”, porque parecía saberlo todo. Perutz llegó al laboratorio de Bernal justo después de que Hodgkin se fuera y comenzó a trabajar en la hemoglobina, una proteína de nuestra sangre, de gran tamaño, formada por cuatro cadenas separadas, cada una con un átomo de hierro que lleva oxígeno desde los pulmones hasta los tejidos. Era unas 50 veces más grande que cualquier molécula que se hubiera resuelto mediante cristalografía hasta entonces y la gente pensó que Perutz estaba loco. Perutz mismo no tenía idea de cómo iba a resolver el problema. Les mostraba a sus colegas, lleno de orgullo, hermosas imágenes de difracción de sus cristales, pero cuando le preguntaban qué significaban cambiaba rápidamente de tema. Por suerte para Perutz, Bragg, que ocupó la cátedra Cavendish en Cambridge en 1938 y obtuvo desde ahí una gran influencia, estaba muy entusiasmado por sus objetivos y lo apoyó durante años, aunque sus avances eran lentos o nulos.

Finalmente, casi 20 años después, en 1953, Perutz hizo su descubrimiento clave. Al añadirle a sus cristales un átomo pesado, como el mercurio, cambiaba la intensidad de los puntos. Los átomos pesados sólo se ligan con unos cuantos sitios de la molécula y, al medir las diferencias que causaban en las intensidades de los puntos de difracción de los rayos X, se podía determinar dónde se encontraban esos átomos pesados. Consiguió hacer esto mediante los mismos cálculos de Patterson que había realizado Hodgkin, pero esta vez con la diferencia de intensidades entre los cristales con y sin los átomos pesados ligados. La ubicación de los átomos pesados, a su vez, le permitiría determinar la fase de cada punto y calcular una imagen tridimensional de la molécula. Durante los siguientes seis años, Perutz y su ex alumno John Kendrew resolvieron, usando exactamente este método, las estructuras de la hemoglobina y una pariente más pequeña llamada mioglobina, que también transporta oxígeno. Así, hacia 1960, casi 50 años después de que la cristalografía de rayos X revelara la estructura de la sal común con su disposición ortogonal de sólo dos clases de átomos, esta técnica permitió cartografiar en tres dimensiones una proteína con miles de ellos. Había comenzado la era de la biología estructural.

Perutz fue el tutor de doctorado de Crick, mientras que Kendrew, al menos oficialmente, el asesor posdoctoral de Watson. Tal vez no fue del todo casual que Perutz y Kendrew compartieran el premio Nobel de Quí-mica en 1962 por su descubrimiento de las primeras estructuras proteínicas el mismo año en que Watson y Crick compartieron el de fisiología y medicina con Maurice Wilkins por su trabajo con el ADN. Ese mismo año, Perutz mudó su laboratorio, del cobertizo de bicicletas que habían adaptado detrás del laboratorio Cavendish en medio de la ciudad, donde fue tolerado durante muchos años por los físicos “de verdad”, a su nuevo hogar en un edificio de cuatro pisos en las afueras, al sur de Cambridge: el Laboratorio de Biología Molecular del MRC. Con cuatro premios Nobel en su primer año, el LMB se estrenó a lo grande.

4. Los primeros cristales de la máquina

Gracias al heroico empeño de Max Perutz y John Kendrew, pudimos ver por primera vez cómo se unen los miles de átomos de una proteína para formar estructuras precisas. En su caso, incluso pudieron ver el átomo de hierro que liga la molécula de oxígeno en la mioglobina y la hemoglobina.

Los cristales son, básicamente, arreglos tridimensionales y ordenados de moléculas idénticas. Si una molécula sólo tiene un átomo, resulta bastante fácil hacer un cristal con ella, como si se armara un arreglo regular de esferas parecidas a bolas de billar. Pero una molécula grande e irregular, hecha de miles de átomos, no se acomoda tan fácilmente, porque todas las moléculas tienen que alinearse exactamente en la misma orientación. La más pequeña irregularidad interrumpe el patrón. Sería como tratar de apilar trenecitos de juguete en un arreglo perfectamente alineado y regular. El problema es aún más complicado porque las moléculas de gran tamaño, como las proteínas, no son totalmente rígidas: suelen ser flexibles, con pequeños bucles y prolongaciones que se agitan a su alrededor. Ya es sorprendente que puedan cristalizarse y, mientras más grandes son, más difícil es hacer cristales con ellas. Nadie puede predecir exactamente, incluso hoy, cómo va a cristalizarse una proteína, o incluso si puede formar cristales. El proceso es tan incierto que no estaba nada claro que algo como el ribosoma, que tiene no miles sino cientos de miles de átomos, pudiera siquiera formar cristales.

Para que las moléculas formen un cristal bien ordenado, tienen que ser casi idénticas, de modo que puedan acomodarse del mismo modo en un arreglo tridimensional. Al principio, los científicos no sabían si todos los ribosomas de una fuente particular, como una bacteria o el tejido de un animal en concreto, tenían la misma estructura o incluso el mismo grupo de proteínas. Si éste no era el caso, habría sido muy improbable que formaran cristales. La primera pista de que los ribosomas debían tener una estructura definida llegó más o menos una década después del descubrimiento de los propios ribosomas, cuando Breck Byers, en Harvard, observó lo que sucedía al enfriar células de un embrión de pollo. Al principio no buscaba ribosomas; le interesaba estudiar unos largos filamentos celulares llamados microtúbulos, involucrados en muchos procesos, como la división celular. Mientras los estudiaba en 1966, notó que los ribosomas en estas células se agrupaban en forma de láminas regulares. Estas láminas tenían sólo un ribosoma de grosor y formaban cristales bidimensionales, en vez de las tradicionales estructuras tridimensionales. Max Perutz invitó a Byers al LMB para trabajar en sus cristales bidimensionales. Byers fue dos veces, en las décadas de 1960 y 1970, pero al pare-cer no obtuvo resultados.

Mientras tanto, dos jóvenes científicos del LMB, Nigel Unwin y Richard Henderson, estaban descubriendo formas diferentes de determinar la estructura de las moléculas biológicas. Unwin era alto y delgado, con un fleco que le daba un aspecto de Beatle; Henderson, por su lado, se veía tan joven que uno podía confundirlo con un adolescente, aspecto exacerbado por su predilección por la ropa informal. Ambos estaban llenos de energía y empeñados en dejar su huella en la ciencia. Unwin y Henderson buscaban la forma de determinar la estructura de la bacteriorrodopsina, una proteína que se encuentra en la membrana de una bacteria que prospera en medios ricos en sal y que genera energía a partir de la luz. Por entonces, no se conocía ningún método para producir cris-tales tridimensionales a partir de las proteínas de las membranas. Estas proteínas se encuentran en el entorno aceitoso de la membrana lipídica que envuelve a todas las células y por lo tanto no son solubles en agua, de modo que los métodos tradicionales para cristalizar proteínas no servían con ellas. Unwin y Henderson decidieron trabajar con cristales bidimensionales como los que había visto Byers y usar el microscopio electrónico para determinar su estructura.

Como los rayos X, los electrones tienen una naturaleza ondulatoria y una longitud de onda aún menor. Se han empleado para determinar la estructura atómica de minerales y metales, pero las moléculas biológicas tienen muy poco contraste, es decir que, en términos de sus propiedades de dispersión, no destacan mucho del agua o de las membranas lipídicas que las rodean. Para verlas con suficiente detalle, habría que exponerlas a una cantidad tan alta de electrones que las moléculas se desintegrarían antes de que su estructura pudiera verse. Sin embargo, usando cristales bidimensionales Unwin y Henderson desarrollaron métodos para obtener la estructura mediante cristalografía con una baja dosis de electrones.

En 1972, cuando apenas acababan de empezar a desarrollar sus métodos, Unwin encontró un artículo que reportaba que los ribosomas forman conjuntos bidimensionales parecidos a los que había observado Byers, pero esta vez a partir de los oocitos (células que dan origen a los óvulos) de cierta especie de lagarto. Le escribió al autor, Carlos Taddei, para preguntarle por estos cristales, pero no obtuvo respuesta, ni siquiera tras varios intentos. Con lo que sólo puede describirse como una inflexible determinación, Unwin tomó un tren de Cambridge a Nápoles, encontró el laboratorio de Taddei y tocó a su puerta. Finalmente Taddei pasó una temporada en el LMB trabajando para Unwin. Además de su curiosa reticencia a responder las preguntas originales de Unwin, también resultó ser un antisocial excéntrico en otros sentidos. En el LMB se volvió célebre por fumar despreocupadamente su pipa en el laboratorio y disparar con frecuencia las alarmas contra incendios.

Unwin trabajó en el problema por unos cuantos años y, aunque obtuvo algo de información, terminó por entender que estos cristales bidimensionales de ribosomas de oocito de lagarto no eran suficientemente buenos para obtener una estructura atómica detallada. Así que terminó renunciando a su búsqueda y pasó a otros asuntos. Tanto él como Henderson serían pioneros en la investigación de la estructura de las proteínas de la membrana. Los lagartos de Unwin, a los que mantenía en el sótano del edificio, se escaparon y multiplicaron, y durante años uno podía verlos pasear de vez en cuando por los alrededores del lugar.

Aunque los cristales bidimensionales de ribosomas provenientes de embriones de pollo y oocitos de lagarto resultaron un callejón sin salida, fueron importantes porque demostraron que en efecto los ribosomas podían cristalizarse, aunque fuera en dos dimensiones, lo cual sugería que al menos poseían una estructura definida. ¿Realmente podrían formar cristales tridimensionales como los que se habían usado para encontrar la estructura de proteínas como la hemoglobina? Hacia media-dos de la década de 1970 ya se habían cristalizado moléculas de proteínas mucho más grandes que la hemoglobina, entre ellas grandes conjuntos de proteínas y virus enteros. Así que, aunque las subunidades riboso-males eran diez veces mayores que la molécula más grande cristalizada hasta el momento, no parecía absurdo tratar de convencerla de que formara el tipo de cristal a partir del cual algún día podría determinarse su estructura.

Uno de los que confiaba en ello era Heinz-Günter Wittmann, que con su esposa, Brigitte Wittmann-Liebold, había trabajado en el código genético empleando virus del mosaico del tabaco, que usa una sola molécula de ARN, en vez de ADN, para almacenar sus genes. En 1966, a Wittmann le otorgaron una dirección en el Instituto de Genética Molecular Max Planck en Berlín. Esto lo dotaba de una enorme cantidad de recur-sos y lo ponía a cargo de la supervisión de un departamento (Abteilung, en alemán). Los artículos que se producían en ese departamento incluían “Abteilung Wittmann” como parte de la dirección (hoy en día, los directores del Max Planck rara vez bautizan sus departamentos con su nombre y prefieren darle el de su área de investigación).

Una vez que la organización Max Planck te contrataba como director, era inaudito que te despidiera. Esto le daba a Wittmann la libertad de intentar cosas que podían tardar mucho tiempo en dar frutos. De forma casi estereotípicamente alemana, Wittmann organizó de manera sistemática su departamento para estudiar cada aspecto de los ribosomas. Algunas actividades eran importantes en ese momento pero soporíferas, como purificar proteínas ribosomales a partir de muchas especies distintas y secuenciar trabajosamente cada una. La secuenciación de ADN, desarrollada por Frederick Sanger en 1977, sustituyó mucho de este trabajo, porque era mucho más rápido secuenciar el gen para hacer una proteína que secuenciar la proteína misma. Pero Wittmann también era lo suficientemente listo como para saber que la estructura era la clave del funcionamiento del ribosoma.

Unos años después de que Wittmann abriera su departamento, apareció en el mundo de la cristalografía un curioso personaje. Se trataba de un alemán de nombre Hasko Paradies y, aunque era pediatra por formación, se había dedicado a cristalizar moléculas importantes. Al parecer no existía nada que no hubiera cristalizado. Cristalizó el ARNt antes que nadie, así como muchos grandes complejos de proteínas. El único problema era que su trabajo no se sostenía ante el escrutinio de otros científicos. Cuando David Blow, un pionero de la cristalografía de enzimas, vio una imagen de difracción de rayos X de uno de los supuestos cristales de ARNt de Paradies durante una conferencia que éste dictó en el King’s College de Londres, la reconoció de inmediato: era quimotripsina, una proteína cuya estructura Blow había descubierto años atrás. Confrontó a Paradies, quien poco después dejó la universidad.

Pero, puesto que Paradies había “cristalizado” tantas moléculas importantes, se le ofreció un puesto en el departamento de Wittmann, a pesar de que éste parecía conocer las circunstancias de su salida de Londres. Permaneció en el instituto hasta 1974, año en que publicó un artículo sobre la cristalización de ribosomas y obtuvo una plaza de profesor en la Universidad Libre de Berlín. Unos años después, en 1983, Wayne Hendrickson y varios otros cristalógrafos importantes enviaron una carta a Nature exponiendo las razones por las que estaban convencidos de que partes clave de la investigación de Paradies representaban “falsificaciones deliberadas” y debían “descartarse”. Aunque respondió a la carta para defender su trabajo, Paradies abandonó su puesto en Berlín poco después por razones que, aseguró, no estaban relacionadas con la denuncia y desapareció del mundo de las estructuras biológicas.

Con frecuencia, el solo hecho de escuchar que algo es posible derriba una enorme barrera psicológica e impulsa a la gente a intentar cosas nuevas. Así, aunque los cristales de ARNt de Paradies fueron ampliamente rechazados, Brian Clark, que por entonces trabajaba en el mismo problema, cuenta que las afirmaciones de Paradies lo estimularon y que algunas de sus sugerencias incluso lo ayudaron a producir genuinos cristales de ARNt. Algo similar ocurrió con Wittmann, quien sin conocer (o sin creer del todo) los errores de Paradies, y al considerar prometedores sus “resultados” iniciales, siguió interesado en encontrar a alguien que cristalizara el ribosoma.

Otro entusiasta era Bob Fletterick, un cristalógrafo que se encontraba en la Universidad de Alberta en Edmonton, Canadá. Estaba por obtener allí su definitividad, pero su novia de entonces había nacido en Ale-mania y Fletterick pensó que sería bueno que ambos pasaran algunos años en ese país. Así, a principios de 1978 se puso en contacto con Witt-mann para discutir la posibilidad de trabajar en la cristalización del ribosoma. A Wittmann le pareció que era buena idea y lo propuso para una beca Humboldt, que le concedieron unos meses después. Fletterick recuerda que su salario era aún mayor que el de la plaza de profesor que tenía en Canadá. Sin embargo, su estadía con Wittmann nunca se mate-rializó, porque su novia de pronto “cambió de parecer” y ya no quiso ir a vivir a Alemania. Por entonces, él recibió muchas ofertas laborales en Estados Unidos y terminó pasando el resto de su carrera en San Francisco, como profesor titular de la Universidad de California en San Francisco.

Las malas experiencias con Paradies y Fletterick pueden haber desanimado un poco a Wittmann, pero la tercera fue la vencida cuando una científica israelí, Ada Yonath, le preguntó si podía trabajar con él. Yonath tenía la combinación precisa de ambición y tenacidad que el proyecto requería.

En ese entonces, Yonath era profesora del Instituto Weizmann en Israel. En algún momento, tras haber conocido a Wittmann en una conferencia, le propuso la idea de pasar una temporada en su instituto en Berlín. Por suerte, Wittmann aún tenía la beca Humboldt que Fletterinck no aprovechó y pronto dispuso que se la concedieran a Yonath en su lugar.

FIGURA 4.1. Heinz-Günter Wittmann (cortesía de Brigitte Wittmann-Liebold) y Ada Yonath (cortesía de William Duax).

El camino de Yonath a Berlín no fue sencillo; más aún, tuvo que superar algunos obstáculos formidables. Creció en Jerusalén, en el seno de una familia ortodoxa pobre cuyas circunstancias se volvieron aún más difíciles por la muerte prematura de su padre, con tan sólo 42 años. Los padres de Yonath apoyaban su educación, aunque sus duras circunstancias la obligaron a trabajar desde muy joven para ayudar a su familia. En uno de los primeros atisbos de su férrea determinación, logró graduarse en la Universidad Hebrea de Jerusalén y obtener un doctorado en el Instituto Weizmann. Tras una estancia posdoctoral en Estados Unidos, regresó al instituto a incorporarse como profesora.

Yonath comenzó su trabajo con el ribosoma tratando de cristalizar uno de los factores proteínicos que le ayudan al ribosoma a comenzar en el punto correcto del ARNm, pero a un año de empezar había hecho pocos progresos. Sufrió un revés cuando un accidente de bicicleta la obligó a pasar varios meses convaleciente. Durante este tiempo, según una entre-vista con Elizabeth Pennisi en Science en 1999, descubrió que el laboratorio de Wittmann estaba purificando grandes cantidades de ribosomas de distintas especies y le preguntó a Wittmann si podía tratar de cristalizarlos.

La experiencia cristalográfica de Yonath se limitaba a un par de proteínas pequeñas y no tenía ninguna publicación sobre ribosomas. Pero tras sus dos salidas en falso con Paradies y Fletterick, Wittmann seguramente estaba encantado de encontrar alguien dispuesto a hacerse cargo de un proyecto tan desafiante. En el mismo artículo de Pennisi, Yonath recuerda: “Me dijo que éste era el sueño de su vida y me dio todo lo que necesitaba.”

Los avances en biología muchas veces dependen de elegir el organismo correcto para trabajar. Por ejemplo, el estudio de la transmisión nerviosa fue posible gracias a los axones gigantes de los calamares, porque son suficientemente grandes como para que uno los vea y les inserte electrodos. Los primeros genetistas usaron moscas de la fruta porque se reproducen rápidamente y es fácil seguir diversos marcadores visuales, como el color de los ojos, para deducir cómo se heredan varios rasgos. En el caso de las bacterias, el organismo estándar para los estudios bioquímicos y genéticos de todo tipo es la Escherichia coli, o E. coli, porque es fácil de cultivar, se duplica cada 20 minutos y se puede hacer genética con ella. Su nombre proviene de la persona que la descubrió, Theodor Escherich, y del hecho de que se encuentra en el colon humano. El público en general está familiarizado con ella a causa de los brotes ocasionales de disentería se-vera que pueden causar algunas de sus cepas más virulentas. No es extra-ño que se convirtiera en la fuente principal de ribosomas para purificar y estudiar; el laboratorio de Wittmann tenía un generoso suministro de ese microorganismo. Los primeros intentos por obtener cristales de ribosomas de E. coli sólo produjeron diminutos microcristales, tan pequeños que no resultaban más útiles que los cristales bidimensionales que ya estaban estudiando otros mediante microscopía electrónica. Necesitaban un nuevo organismo y por suerte su colega Volker Erdmann tenía uno perfecto para comenzar.

A la edad de 15 años, Erdmann emigró de Alemania a New Hampshire, Estados Unidos, donde asistió a la preparatoria y la universidad. Tenía curiosidad por volver a su lugar de origen, así que regresó a Alemania a hacer su doctorado, tras lo cual comenzó a trabajar en el laboratorio de Masayasu Nomura en Wisconsin. Había escuchado sobre el trabajo de Nomura, que podía desarmar y volver a armar entera la subunidad menor, o 30S, del ribosoma, y quería descubrir si podía hacer lo mismo con la unidad mayor, o 50S. Los nombres 30S y 50S para las subunidades de los ribosomas bacterianos indican qué tan rápido se sedimentan en un tubo de ensayo cuando se lo hace girar a gran velocidad en una centrifugadora. La S significa unidad de Svedberg, bautizada así en honor del científico sueco Theodor Svedberg, que describió cómo se sedimentan las moléculas en una ultracentrífuga. Curiosamente, el ribosoma bacteria-no completo es 70S y no 80S, porque la velocidad con la que se sedimenta una partícula depende no sólo de su masa sino de su forma general.

Al principio, Erdmann trató de reensamblar subunidades 50S de E. coli, que es, naturalmente, lo que Nomura había usado para la subunidad 30S, pero fracasó por completo. Así que cambió a una bacteria llamada Bacillus stearothermophilus. La palabra thermophilus significa “amante del calor” y la bacteria prospera naturalmente en fuentes termales a alrededor de 60 °C. Cuando desarmó unidades 50S de estas bacterias termófilas, pudo repetir el truco que Nomura había hecho con la subunidad menor. Al terminar su beca, en su última oscilación entre Alemania y Estados Unidos, se trasladó al departamento de Wittmann en Berlín, donde montó su propio laboratorio y llevó sus muestras de subunidades 50S consigo.

Un día, a finales de la década de 1970, Yonath y Wittmann le contaron a Erdmann sobre sus planes de cristalizar ribosomas y le preguntaron si querría ayudarlos. Erdmann respondió que podía ayudar si trabajaban con ribosomas de B. stearothermophilus, puesto que eran con los que estaba familiarizado. Se cree que, puesto que las moléculas de las bacterias termófilas son resistentes al calor, son más estables y es más probable que se cristalicen. Decidieron reunirse el siguiente domingo por la mañana. Erdmann le pidió a su esposa, Hannelore, que trabajaba con él, que lo acompañara, porque ella sabía en qué parte del congelador se encontraban las viejas muestras de la subunidad mayor. Con Erdmann y su esposa, Yonath preparó pruebas de cristalización de esas muestras. Erdmann recuerda que apenas tres días más tarde, el miércoles, Wittmann les informó que tenían cristales. Barendt Tesche, un microscopista electrónico, confirmó que en efecto tenían cristales de la subunidad 50S.

El equipo trató de mejorar los cristales originales, muy pequeños. Cuando se acabó el material original de Erdmann, tuvieron que hacer subunidades mayores a partir de ribosomas nuevos. Hubo un periodo durante el cual no pudieron reproducir los cristales originales. Erdmann me contó, divertido, que les preocupaba que, puesto que los cristales originales provenían de subunidades que se habían almacenado en un congelador a –80 °C por cuatro años, ¡tendrían que esperar el mismo lapso, tras purificar los ribosomas, para producir cristales! Por suerte, terminaron aprendiendo a obtenerlos de forma sistemática.

Obtener cristales reales, tridimensionales, de una molécula con varios cientos de miles de átomos era un logro notable, pero, en vez de anunciarlo con bombo y platillo en una de las revistas más importantes, los resultados se publicaron en una revista nueva, ahora extinta, llamada Biochemistry International. Wittmann era editor fundador de esta revista, cuyo nombre contrastaba con la escasa cantidad de lectores que tenía. Le pregunté a Erdmann por qué Wittmann eligió una plataforma relativamente desconocida para publicar un resultado tan importante, en vez de una revista de alto perfil como Nature o Science. Erdmann especuló que Witt-mann era bastante conservador y también un poco reticente y cauto después del episodio de Paradies, así que no quería hacer mucho escándalo pero sí al menos dejar registro.

Animado por este primer éxito, Wittmann hizo lo que pudo por garantizarle a Yonath un apoyo de largo plazo para que siguiera trabajando en el problema. Trató de conseguirle un puesto de directora como el suyo, pero la prestigiosa Sociedad Max Planck, al parecer no muy impresionada por las credenciales de Yonath en ese momento, lo rechazó. Finalmente, convenció a la sociedad de mantener un laboratorio especial para ella en Hamburgo, justo al lado del sincrotrón alemán, cuyos poderosos haces de rayos X se necesitarían para estudiar los cristales. Y, lo que es igual de importante, le proporcionó el generoso apoyo de su propio departamento para fabricar y estudiar los ribosomas. Con los años, él y Yonath se hicieron muy buenos amigos.

Su éxito motivó a otros a entrar al ruedo. La Unión Soviética construyó el pueblito de Púshchino como un centro científico que albergaba varios institutos bien financiados, entre ellos el que encabezaba el brillante bioquímico experto en ribosomas Alexander Spirin. Como Wittmann, Spirin dirigía a un numeroso grupo de científicos que estudiaban casi todos los aspectos de los ribosomas. No era tan sistemático como Witt-mann, pero sí un científico con una gran imaginación, que publicaba ideas muy osadas porque no tenía miedo de equivocarse de vez en cuando. Spirin también era un hombre muy independiente al que no le gustaba someterse a la autoridad. Por ejemplo, una vez le pidieron que firmara una petición para expulsar a Andréi Sájarov, el físico nuclear disidente y padre de la bomba de hidrógeno soviética, de la Academia de Ciencias de la URSS. Negarse abiertamente a firmar la solicitud habría sido una incómoda decisión política para un miembro destacado de la academia que también era director de uno de sus institutos principales, así que Spirin decidió hacerse tonto embarcándose en un largo “viaje de caza” en unos bosques lejanos en las afueras de Púshchino.

El instituto de Spirin también se interesaba por la estructura del ribosoma y uno de sus miembros, Maria Garber, dirigía un grupito que buscaba cristalizar proteínas individuales del ribosoma o bien los factores proteínicos que ayudaban al ribosoma a desempeñar diversas tareas. Como todos los demás, ella también lo intentó con proteínas de ribosomas de E. coli.

FIGURA 4.2. Maria Garber con su grupo en Púshchino, Rusia. Marat Yusupov está en el extremo superior derecho (cortesía de Maria Garber).

Garber cambió el rumbo de la investigación del ribosoma en 1978, cuando leyó un informe japonés que describía el uso de una nueva bacteria que crecía a temperaturas aún más elevadas que B. stearothermophilus como fuente para cristalizar dos proteínas importantes que actuaban sobre el ribosoma. La aisló en 1971 Taro Oshima a partir de las fuentes hidrotermales de la península de Izu en Japón; crecía óptimamente a la abrasadora temperatura de 75 °C (si alguien metiera la mano en una fuente hidrotermal a esa temperatura, se quemaría en segundos). Bautizaron la nueva bacteria con el inconfundible, si bien tautológico, nombre de Thermus thermophilus.

Garber decidió que esta nueva bacteria era la respuesta. Pasó unos meses en Japón y en diciembre de 1979 llevó de vuelta a su laboratorio algunas cepas de la bacteria, pero desafortunadamente murieron en el camino. Le pidió a Oshima que mandara células frescas por correo, que llegaron sanas y salvas. A finales de 1980, Garber y sus colegas habían conseguido usar estas bacterias para obtener hermosos cristales de una proteína, o factor, de gran tamaño, llamado factor de elongación g, que ayuda al ribosoma a moverse a lo largo del ARNm.

Este primer éxito con las proteínas de T. thermophilus animó a Garber y a sus colegas a intentar otras cosas con el mismo organismo. Dados los pocos recursos de los que por entonces se disponía en la Unión Soviética, resultaba muy caro cultivar grandes cantidades de T. thermophilus y Garber no quería desperdiciar nada. Invitaron a otros científicos de la URSS a tomar todas las proteínas de las bacterias que quisieran, como si fueran un matadero que emplea todas las partes de un animal sacrificado.

Uno de los colegas de Garber era Igor Serdyuk, un miembro del Partido Comunista que se ocupaba de la “comunicación con países extranjeros” y que no tenía problemas para viajar con frecuencia a Occidente, ni siquiera durante el punto más álgido de la Guerra Fría. Antes había usado técnicas de baja resolución para caracterizar la forma general de los ribosomas, así que tenía un interés natural por comprobar si podía cristalizarlos con el material del laboratorio de Garber. Él y su alumna Liza Karpov purificaron ribosomas de T. thermophilus y obtuvieron cristales muy pequeños, como los primeros que se lograron en Berlín. Este éxito inicial llevó a Garber a pedirle a Spirin que financiara un grupo para tratar de cristalizar ribosomas de este nuevo organismo.

Spirin accedió y se conformó un grupo de varias personas, de las cuales la más notable era Marat Yusupov, un alumno de Spirin. Puesto que no tenían mucha experiencia en cristalización, le pidieron ayuda a dos personas del Instituto de Cristalografía de Moscú, Vladimir Barynin y Sergei Trakhanov. Para 1986, ya tenían cristales de la subunidad menor y, usando un truco de Trakhanov para purificar los ribosomas, del ribosoma completo. Con los cristales de 50S fruto del esfuerzo de Yonath y Wittmann, esto significaba que tanto ambas subunidades como el ribosoma completo habían logrado cristalizarse.

En julio de 1987, Yusupov presentó sus resultados en un cartel durante un encuentro en Le Bischenberg, cerca de Estrasburgo, Francia, y un mes después el trabajo se publicó en la revista europea FEBS Letters. Pocos meses más tarde, Yonath y Wittmann informaron que también ellos tenían cristales de la subunidad menor y de ribosomas completos a partir de la misma especie, T. thermophilus, que fue la que usaron los rusos. Publicaron sus resultados en la misma revista desconocida, Biochemistry International, en la que habían informado varios años antes sobre sus cristales originales. Al año siguiente, Yonath reportó mejores cristales de la subunidad menor o 30S que se veían al menos tan bien como los de los rusos.

Esto podría haber conducido a una competencia frontal entre los grupos ruso y alemán pero no sería así. En comparación con los alemanes, los rusos estaban muy mal financiados y equipados, especialmente para la cristalografía de moléculas grandes. En un esfuerzo por llevar el trabajo hacia la siguiente etapa, Marat Yusupov y su esposa, Gulnara, viajaron a Estrasburgo para continuar el trabajo de cristalografía del ribosoma en colaboración con Jean-Pierre Ebel y Dino Moras. Por razones desconocidas para Yusupov, llegó un momento en el que Ebel decidió interrumpir la colaboración. Por su lado, Spirin creía que Yonath y Wittmann habían convencido a Ebel de que no compitiera con ellos.

Fuera cual fuera la razón, todo el proyecto ruso de cristalización de ribosomas se marchitó y Maria Garber volvió a su trabajo original con las proteínas y los factores individuales del ribosoma. Al ver frustrados sus esfuerzos, algunos de los principales protagonistas del proyecto ruso se dispersaron por el mundo. Unos años después, a mediados de la década de 1990, Yusupov le escribió a Harry Noller, un importante bioquímico de ribosomas en la Universidad de California en Santa Cruz para pedirle que le permitiera trabajar en la estructura del ribosoma en su laboratorio, pero ésa es una historia que conviene contar después. Sergei Trakhanov parece haber llevado una vida peripatética: trabajó en diversas cosas en Japón y Estados Unidos por casi dos décadas. También estuvo un tiempo en el laboratorio de Noller después de que Yusupov se fuera, antes de volver a Europa.

Con el proyecto ruso esencialmente desmantelado, Yonath dirigía el único grupo que trabajaba en cristalografía del ribosoma. Hacia finales de la década de 1980, ninguno de los cristales tenía la calidad necesaria para revelar la estructura atómica de alguna de las subunidades del ribosoma y mucho menos el objeto entero, pero en principio podrían haber sido suficientes para mostrar algo sobre cómo se organizan las proteínas y el ARN.

En cambio, los avances en la estructura del ribosoma iban emergiendo lentamente a partir de las borrosas imágenes que aparecían en el micros-copio electrónico. Parte del trabajo tenía que ver con anticuerpos, que son proteínas que produce nuestro sistema inmunitario y que pueden unirse a blancos muy específicos. En un astuto experimento, Jim Lake, de la Universidad de California en Los Ángeles, uno de los científicos que estudiaba ribosomas usando microscopios electrónicos, fabricó anticuerpos que reconocían las primeras etapas de una proteína recién hecha. En 1982, demostró que estos anticuerpos estaban unidos a la parte posterior de la subunidad mayor. Es decir, se encontraban en el extremo opuesto al sitio en el que el nuevo aminoácido del ARNt se unía a la cadena de proteínas en construcción. Esto sugería que debía haber un túnel en la subunidad mayor: un canal de parto por el que la nueva cadena de proteína debía pasar antes de salir por el otro lado. Unos años después, en 1986, Nigel Unwin confirmó la presencia de este túnel analizando sus cristales bidimensionales de ribosomas de lagarto en el microscopio electrónico. Al año siguiente, Yonath y Wittmann también informaron que podía verse un túnel al analizar secciones bidimensionales de sus cristales de ribosoma en el microscopio electrónico. Ambos informes se basaban en estructuras borrosas o de baja resolución. Además, ni los ribosomas ni el túnel en estas estructuras se parecen mucho al ribosoma que conocemos hoy. No está claro que cualquiera de los dos grupos hubiera estado suficientemente seguro de haber identificado elementos en sus mapas que fueran el túnel a través del cual emergían las proteínas recién hechas si Lake no hubiera demostrado ya que existía.