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Las piezas de cristal han sido parte de los tesoros más preciados de las monarquías europeas, símbolos de poder para los aristócratas, y objeto deseado para buena parte de los mortales a lo largo de la historia. Pero la palabra cristal no sólo tiene que ver con piezas de ornamentación o bisutería, sino con estructuras menos visibles pero fundamentales para que la vida sea posible, como la de las proteínas.

Suena fácil definir la cristalografía como la ciencia de los cristales. Pero esta aparente simpleza oculta la complejidad de una disciplina de importancia creciente que a lo largo de los siglos ha cambiado al ritmo de la tecnología, y su aporte de herramientas analíticas cada vez más sofisticadas. Tanto que hoy en día las técnicas cristalográficas han llegado a ser de aplicación corriente en el análisis de proteínas y otras macromoléculas biológicas. Lo cierto es que a la cristalografía, famosa entre los científicos pero poco conocida para el resto de los mortales, le llegó por fin su merecido año de gloria.

En 2012 la Asamblea General de las Naciones Unidas proclamó a 2014 como Año Internacional de la Cristalografía. Reza la resolución que “la educación en materia de cristalografía y su aplicación son fundamentales para hacer frente a desafíos como las enfermedades y los problemas ambientales, ya que determinan las estructuras proteicas y de moléculas pequeñas utilizadas en el diseño de medicamentos esenciales para la medicina y la salud pública, así como las soluciones para la contaminación de las plantas y del suelo”.

Claro que no siempre esta disciplina se ocupó de los asuntos que explicita la resolución. Como la química, dio sus primeros pasos emparentada con la mineralogía, y con propósitos lisa y llanamente descriptivos. A falta de instrumentos potentes, los primeros curiosos de las propiedades de los cristales debieron apelar a la observación, la matemática y una indispensable dosis de ingenio.

COMO LA NIEVE A MI ALREDEDOR

Cuando hablamos de formas cristalinas, no sólo hablamos de minerales. Pero seguramente la llamativa regularidad en la apariencia externa de ciertos cristales de origen mineral hizo pensar a los pioneros de la cristalografía en que esas regularidades podrían trasladarse a su estructura interna. A principios del siglo XVII, al polifacético matemático y astrónomo alemán Johannes Kepler se le ocurrió observar la simetría perfecta de los copos de nieve, que invariablemente presentan seis puntas. Valiéndose de sus conocimientos matemáticos, escribió un ensayo con un nombre que le iría muy bien a una novela de misterio o a un cuento de aires borgeanos. El Copo de Nieve de Seis Esquinas es un tratado en el que Kepler explicó detalladamente la estructura cristalina de los cristales de nieve, desplegó una batería de ideas y constataciones matemáticas que sirvieron para que otros trabajos posteriores profundizaran en el asunto.

Niels Steensen fue un científico y obispo dinamarqués que es más conocido por su nombre latinizado de Nicolaus Steno. Tan polifacético como Kepler y muchos otros científicos de la época, Steno se ganó el reconocimiento de la historia por sus trabajos sobre la glándula parótida y por sus estudios basados en observaciones de cristales de cuarzo y de hematita, según se sabe hoy constituidos por óxidos de silicio y de hierro.

Estos cristales parecían totalmente alejados de los principios de regularidad que Kepler había planteado en su ensayo sobre la nieve, ya que aparecen en múltiples formas y tamaños. Pero Steno no se conformó con esa primera apreciación. En base a observaciones y mediciones, explicó en un trabajo profusamente que, cuando están a una misma temperatura, los ángulos entre las caras de cristales similares permanecen constantes, por más variadas que sean las formas y tamaños de esos cristales. No conforme con esto, siguió metiéndose en el tema hasta explicar los mecanismos que llevan al crecimiento de los cristales en su libro ¿Cómo se forman los sólidos? Por cierto un título mucho más despojado de fantasía que el de Kepler, por el cual se considera a Steno el padre de la cristalografía.

Steno no sólo se ganó el reconocimiento científico. También se destacó como obispo de la Iglesia Católica. En 1988 fue beatificado por el papa Juan Pablo II por su labor sacerdotal en las difíciles condiciones que le deparaban una vida pobre y ascética y su misión en un medio mayoritariamente luterano.

DE RUSIA CON AMOR

En el siglo XVIII el francés Jean-Baptiste Louis Romé de l’Isle escribió un amplísimo tratado considerado como el puntapié inicial de la cristalografía moderna y de paso le otorgó estatus de ley a las observaciones de Steno, enunciando sus principios en lo que hasta hoy se conoce como la ley sobre la constancia de ángulos interfaciales.

A partir de allí, los trabajos sobre cristalografía disfrutaron en el siglo XIX de un tiempo de gloria que se extendió a la inmensa Rusia. No era casual que en aquel país pródigo en riquezas minerales muchos investigadores se abocaran a desentrañar los secretos de la estructura cristalina.

El interés por dilucidar la estructura de los minerales llevó a Evgraf Stepanovich Fedorov (1853-1919) a generar un nuevo instrumento que le permitiera avanzar en el conocimiento de su área de investigación en el Instituto de Minas de Gorny, en San Petersburgo, donde había comenzado a trabajar en 1880. Allí construyó, en base a una serie de experiencias anteriores, creó y perfeccionó una herramienta formidable para la investigación microscópica de los cristales, conocido como la Platina Universal de Cuatro Ejes. La platina es una parte del microscopio óptico en la cual comúnmente se coloca el objeto que se quiere mirar. Esta adaptación de la platina fue construida con un mecanismo que permitía desplazar unas piezas ópticas a partir del movimiento de unos anillos que giraban sobre distintos ejes y le permitió a Fedorov hacer descubrimientos variopintos sobre la geometría y la composición de los cristales. Fedorov murió poco después de la caída de los zares y se lo recuerda por un instituto de investigación que lleva su nombre y en la fedorita, un mineral hallado en 1965 en la helada península de Kola, cerca del Artico ruso y bautizado en su honor.

ESTAR EN ONDA

Ya en el siglo XX, el primer gran momento de la cristalografía estuvo dado por la aplicación de las técnicas de difracción de rayos X al estudio de los cristales. Estos rayos, tan conocidos para cualquiera que haya tenido la necesidad de realizarse una placa radiográfica, fueron descubiertos por el alemán Wilhelm Conrad Röntgen en 1895. En medio de los experimentos que buscaban determinar la naturaleza de estos rayos se le ocurrió a un físico alemán, Max von Laue, la idea de utilizar con tal fin cristales de sulfato de cobre. En 1912, Von Laue y sus colaboradores demostraron la presencia de difracción cristalina y la naturaleza de onda de los rayos X.

De ahí a encontrar a estas propiedades de los rayos X una aplicación práctica para la cristalografía había un solo paso. Y lo dieron dos investigadores británicos, de apellido Bragg, que además eran padre e hijo. El Premio Nobel de Física de 1915 quedó en familia, más específicamente en la familia Bragg, por sus aportes a la aplicación de los rayos X a los estudios cristalográficos. El Premio Nobel de Física familiar parece una curiosidad, pero no lo es tanto. Basta recordar que en 1903 el matrimonio Curie había tenido una experiencia parecida, aunque compartido con un tercero. El integrante de este (científico) trío era Henri Becquerel.

ESTACION BERNAL

En los años siguientes fue la teoría cuántica la que abrió el juego para entender más claramente la interacción entre los rayos X y los átomos de los cristales. En base a estos estudios comenzaron a aparecer unas tablas que se hicieron muy populares en los laboratorios, que permitían caracterizar sustancias por sus patrones de difracción.

Hacia 1924 un cristalógrafo llamado John Desmond Bernal logró determinar la estructura molecular del grafito, una forma del carbono. En la Universidad de Cambridge, y junto con su discípula y futura ganadora del Premio Nobel Dorothy Crowfoot Hodgkin, tomó las primeras fotografías de rayos X de cristales proteicos, dando uno de los primeros pasos para los estudios de las macromoléculas orgánicas basados en cristalografía.

Pero Bernal también tenía otras inquietudes. Preocupado tempranamente por la conquista del espacio exterior, en 1929 propuso la construcción de una estructura que hoy podría pensarse como una estación espacial en forma de asteroide hueco y esférico, que se conoció como la Esfera de Bernal. Más cercano a los problemas terrestres, simpatizó con el comunismo y en 1939 escribió un libro que para muchos es el puntapié inicial de los estudios sociales de la ciencia y la tecnología, llamado La función social de la ciencia.

Por esas cosas de la Guerra Fría, el bueno de John Desmond no pudo participar del furor cristalográfico que pareció apropiarse de los premios Nobel durante la década del sesenta y nunca fue reconocido por la Real Academia Sueca de Ciencias. Justo por entonces la cristalografía de proteínas se convertía en una herramienta clave para el avance de la muy actual biología molecular. Tanto es así que en 1962 sus colegas Max Perutz y John Kendrew se llevaron el Nobel de Química por sus estudios cristalográficos de las proteínas hemoglobina y mioglobina, y Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins obtuvieron el de medicina por sus descubrimientos sobre la estructura de la doble hélice del ADN.

Aunque, pensándolo bien, quizá Bernal se habrá sentido más halagado cuando se alzó en 1953 con un premio Lenin de la Paz, que le otorgaron las autoridades soviéticas por su contribución a la cooperación entre las naciones. Sobre todo cuando se trataba de alguien que defendió sus ideas políticas a capa y espada hasta su muerte, ocurrida en 1971.

NOS VAMOS PONIENDO TECNOS

Así como la platina de cuatro ejes y la aplicación de los rayos X constituyeron formidables herramientas para el avance de la cristalografía, en las últimas décadas del siglo XX los vertiginosos avances de la informática y la capacidad de cálculo hicieron las delicias de los investigadores. Se pudo generar un muy nutrido banco de datos sobre la estructura de las proteínas y se facilitó enormemente su caracterización.

Las modernas y refinadas técnicas de cristalización y purificación de proteínas asociadas al estudio cristalográfico permiten entender actualmente aspectos cruciales de sus funciones y observar la aparición de mutaciones en la información genética. Hoy se cuenta con capacidades que permiten analizar desde moléculas tan simples como el cloruro de sodio hasta otras muy complejas como la de los ribosomas, una especie de fábrica de proteínas celulares que trabaja de acuerdo con instrucciones presentes en la información genética. Caprichosos y cambiantes virus que de tanto en tanto parecen amenazar a la humanidad también están bajo la lupa de la cristalografía, que busca entender, predecir y contrarrestar una asombrosa capacidad de adquirir mutaciones en su genoma.

Pero además la cristalografía del siglo XXI nos promete colaborar con la generación de enzimas artificiales. Las enzimas son unas proteínas catalizadoras de una multitud de reacciones químicas que están siendo conocidas en su estructura tridimensional, crucial para su actividad biológica. No se está muy lejos de lograr enzimas de diseño, aplicables en el campo de la salud y de la descontaminación, a partir de iniciativas como el Proyecto Artizymes, que requiere de la participación de laboratorios de investigación pertenecientes a varios países europeos.

Muy lejos de aquella individual y poética observación de Kepler, la cristalografía tiene todavía mucho para aportar a la Humanidad.