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Luz sincrotr

Una zambullida en el universo invisible

El acelerador de partículas cumple diez años, aumenta el número de equipamientos y amplia alianzas con empresas

Dos nuevas líneas de luz más potentes, destinadas a experimentos en el área ambiental, de evaluación de eficacia de catalizadores, indispensable para acelerar determinadas reacciones químicas en los procesos industriales, y de investigaciones sobre estructuras de proteínas son algunas de las novedades del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), de Campinas, en el interior paulista, al completar diez años de actividades en este mes de julio. Esos dos equipamientos se suman a 11 más ya instalados, totalizando 13 estaciones de trabajo. Además de las instituciones de investigación y universidades, varias empresas también se utilizan dos sofisticados equipamientos del laboratorio, por medio de convenios o de investigaciones a pedido. A finales de junio, surgió otro anuncio importante para el LNLS. El Diamond Light Source, del Reino Unido, formalizó una alianza con el laboratorio para el desarrollo de investigaciones con luz sincrotrón. Esta sociedad abre la posibilidad para la realización de programas de investigación y desarrollo técnicos conjuntos, además de intercambio entre los investigadores de los dos laboratorios.

Los objetos de estudio de la luz sincrotrón son los más variados, desde estructuras orgánicas, como proteínas, hasta sistemas inorgánicos de dimensiones nanométricas (medida que corresponde a 1 milímetro dividido por 1 millón de veces), examinadas en detalles con el auxilio de un acelerador de partículas capaz de producir luz en un amplio espectro electromagnético, incluyendo la luz visible, los rayos X, el ultravioleta y el infrarrojo. La luz sincrotrón es emitida por electrones altamente energéticos que circulan en un acelerador circular, o anillo de almacenamiento, de donde ella es distribuida para las 13 estaciones de trabajo donde los investigadores hacen los experimentos.

Concebido en 1987 para actuar como una institución abierta y multidisciplinar, el laboratorio, vinculado al Ministerio de la Ciencia y la Tecnología, fue construido por los propios investigadores brasileños. Para eso, ingenieros e investigadores hicieron varias visitas técnicas de corta duración a laboratorios en el exterior y también recibieron visitas de colegas extranjeros. Fueron necesarios diez años de trabajo para proyectar y construir la fuente de luz sincrotrón, el corazón del laboratorio. El equipamiento estuvo listo al final de 1996, y en julio de 1997 el laboratorio comenzó a recibir los primeros usuarios. “En el 2006, más de mil investigadores trabajaron en el laboratorio en 683 proyectos de investigación”, dice el físico José Antonio Brum, director general del LNLS. Cinco años antes, en el 2001, eran 267 proyectos. Cerca del 15% de los usuarios son extranjeros, principalmente de la América Latina, pero también de África del Sur y hasta de Europa y de Estados Unidos. Un equipo de 16 investigadores propios, responsables de los equipamientos y por el apoyo a los usuarios externos, desarrolla programas de investigación.

El crecimiento en el número de usuarios es también reflejo de la ampliación en las instalaciones del sincrotrón. Entre 1999 y 2006, por ejemplo, el laboratorio pasó de ocho para 11 líneas de luz y en este año ganó otras dos. Una de ellas es la de absorción de rayos X, destinada principalmente a investigadores del área de ciencias de los materiales. “Nosotros ya tenemos una instalación de ese tipo, pero la demanda llega a ser entre tres y cuatro veces mayor que nuestra capacidad de atención”, dice Brum. La nueva línea tiene un flujo de rayos X más intenso, que permite hacer otros tipos de experimentos en el área ambiental, de estudios de materiales magnéticos y de catalizadores químicos.

La otra línea se destina a estudios de la estructura de proteínas. La diferencia en relación a la fuente de luz también usada para esa finalidad, una de las primeras a ser instaladas en el laboratorio, es que, además de tener un mayor flujo de fotones, posee una instrumentación más sofisticada. Es la primera línea del sincrotrón alimentada por un dispositivo de inserción, llamado wiggler, capaz de emitir mucha más luz. Con un mayor flujo fue posible desarrollar una técnica de difracción para la cristalografía de proteínas que permite estudiar moléculas cuya estructura tridimensional es completamente original. “Es la primera vez que será posible hacer ese tipo de experimento en la América Latina, lo que va a proporcionar un salto cualitativo en la investigación de biología y de biotecnología”, dice Brum.

Además de esas dos, está en fase de finalización una tercera línea, en la del espectro de lo visible y el ultravioleta, que permite mirar para el tiempo de vida de algunos procesos que involucran las proteínas. “Es una línea diferenciada, que consigue mirar para la dinámica de algunos sistemas biológicos y químicos”, dice el director del LNLS. La gran innovación es el hecho de ella ser producida por un ondulador de polarización elíptica (EPU), equipamiento fabricado por los investigadores del LNLS que recibió en mayo el premio Inventor del Mes, concedido por la Autodesk, empresa estadounidense de softwares de ingeniería. El ondulador de 6 toneladas es el primero fabricado en Brasil.

Fuente competitiva
Controlando los diversos tipos de luz, los investigadores pueden “divisar” objetos en escalas invisibles. “Particularmente en la faja de rayos X duros, una luz con longitud de onda más corta, que penetra más profundamente en la materia, somos una fuente muy competitiva en relación a las fuentes convencionales instaladas en los laboratorios de menor porte”, dice el físico Pedro Tavares, director asociado del LNLS y miembro del equipo pionero que desarrolló el sincrotrón brasileño. Eso porque el usuario puede sintonizar exactamente lo que desea, cambiando la longitud de onda. Esa es una característica muy peculiar de los sincrotrones. “Lo que puede demorar dos semanas para ser analizado en otros lugares aquí lo hacemos en minutos u horas”, destaca Tavares.

Como el flujo de luz producido es muy grande en el sincrotrón, es posible ver en nivel atómico tanto materiales orgánicos (proteínas, por ejemplo) como inorgánicos (semiconductores, aleaciones metálicas y otros). “Entendiendo como funcionan sus propiedades, podemos hacer la síntesis del material por cuenta de determinada propiedad que se quiera explotar”, dice Brum. Un convenio firmado con la Petrobras en el final del año pasado, por ejemplo, tiene como objetivo evaluar materiales, con énfasis en catalizadores, indispensables para el refino de petróleo. Eso significa no solamente hacer la caracterización del material listo, sino principalmente entender lo que ocurre durante el proceso de síntesis. “Estamos comenzando a desarrollar experimentos específicos en las líneas de luz para hacer la caracterización in situ. Eso significa que, al mismo tiempo que el material pasa por sus transformaciones, él es también analizado con rayos X, lo que permite correlacionar las modificaciones ocurridas con su eficiencia como catalizador”, destaca el director del laboratorio.

El LNLS también tiene un convenio con la Oxiteno para la caracterización de catalizadores desarrollados por la empresa. El primer contrato fue firmado en el 2005 y renovado en el 2006. “Analizamos varias familias de catalizadores en varios estadios”, dice Daniela Zanchet, investigadora del LNLS. Algunos de ellos aún están en la fase de laboratorio y otros están bien próximos de la etapa final. Uno de ellos ya salió de la escala piloto y fue para la industria. La Oxiteno fabrica catalizadores tanto para uso propio como para otras empresas. “Dentro de esas familias en que estamos trabajando en alianza, la empresa hace la síntesis del material y la catálisis, mientras nosotros hacemos la caracterización”, dice Daniela. La tecnología sincrotrón permite entender con precisión lo que ocurre con las partículas durante la reacción. La generación de conocimiento resultante de esa alianza es importante para que la empresa identifique rápidamente y solucione problemas que puedan surgir en el futuro con el producto. Mientras en la escala inicial de laboratorio las pruebas duran algunas horas y son hechos con reactivos ultra-limpios, en la industria el catalizador funciona en condiciones completamente diferentes y por varios años.

En los casos de muestras muy pequeñas o diluidas, el flujo de luz del sincrotrón es esencial para la obtención de resultados precisos. “Hicimos un estudio de análisis del agua y sedimentos en la represa Billings y constatamos la presencia de cromo, níquel y plomo en concentraciones bien elevadas, encima del límite establecido por la Compañía de Tecnología de Saneamiento Ambiental (Cetesb)”, dice la profesora Silvana Moreira, de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), coordinadora de la investigación. El trabajo fue hecho en la línea de fluorescencia de rayos X, que permite cuantificar los metales aún en cantidades ínfimas.

Otro estudio del mismo grupo evaluó la concentración de metales en los anillos de crecimiento de los árboles, que incorporan la contaminación ambiental a lo largo de los años. “Como las muestras son muy pequeñas, con masa de 20 a 30 miligramos, difícilmente el método convencional conseguiría detectar los metales pesados”, dice Silvana. El estudio comparó árboles en una región con poco flujo de vehículos y otra con tráfico intenso en la región de Campinas. “En ese caso, notamos, además de los contaminantes, que la concentración de plomo disminuyó a partir de 1990, cuando entró en vigor la ley prohibiendo el uso de esa sustancia como aditivo de la gasolina”, relata la investigadora.

Además de la fuente de luz, el LNLS cuenta con un conjunto adicional de infraestructura para investigación, como el Centro de Biología Molecular Estructural (Cebime), que forma parte del Centro de Biotecnología Molecular y Estructural (CBME), uno de los Centros de Pesquisa, Innovación y Difusión (Cepid) de la FAPESP. En el Cebime las investigaciones están concentradas en tres temas. Uno de ellos trata de las proteínas de Trypanosoma cruzi, agente causador de la enfermedad de Chagas, que alcanza cerca de 5 millones de brasileños.

El proyecto, hecho en colaboración con el Instituto de Biología Molecular del Paraná, vinculado a la Fundación Oswaldo Cruz (Fiocruz), y más cinco universidades, además del Instituto Pasteur, en Francia, tiene como objetivo analizar la función y la estructura de las proteínas que son producidas por el protozoario diferencialmente en cada fase del ciclo de vida del parásito. Con eso, los investigadores esperan identificar las proteínas que controlan los cambios de fase. “Posteriormente, explotando el hecho de que algunas proteínas unen a pequeñas moléculas, tendremos la posibilidad de modificarlas para reprimir la función de una proteína que puede llevar a la inhibición de la propagación del parasito”, dice el investigador Nilson Zanchin, del Cebime.

El segundo tema tiene como objetivo identificar, inicialmente, los genes que tienen un papel importante en la generación y el mantenimiento a las leucemias y, en una segunda fase, caracterizar la función de las proteínas codificadas por estos genes, para generar formas de neutralizarlas. El trabajo es hecho en colaboración con el Centro Infantil Boldrini, de Campinas. El tercer tema se refiere a la interacción entre bacterias y parásitos de plantas, como la Xanthomonas axonopodis citri, que provoca el cáncer cítrico, y la Xylella fastidiosa, causadora de enfermedades en los naranjales. Al comprender la forma como las bacterias infectan a las plantas cítricas, los investigadores abren el camino para intentar bloquear la infección provocada por el invasor.

En el sincrotrón están las líneas de luz donde son recolectados los datos de la difracción de los rayos X para la resolución de la estructura. Para eso es necesario primero obtener un cristal de esa proteína. En general, el proceso completo involucra la clonación de la proteína. Después ella es purificada y son hechos ensayos de cristalización, necesarios para organizar las moléculas de las proteínas en tres dimensiones en el cristal. Los cristales, del orden de 100 micrómetros, o un décimo de milímetro, son estudiados con un haz de rayos X de alta intensidad. Pero el proceso para llegar a los cristales no es fácil. “El estudio de una proteína puede ser equivalente a una tesis de doctorado”, dice Zanchin. Algunas proteínas demoran dos años para cristalizar, otras cinco años y para algunas los investigadores no consiguen completar el proceso. Cuando eso ocurre, es posible usar un método alternativo para el estudio de su estructura, basado en equipamientos de resonancia magnética nuclear que tienen centenas de veces el campo magnético de la Tierra.

Procesos industriales
Las investigaciones en el sincrotrón engloban gran diversidad de temas. En el área de nanotecnología, por ejemplo, la microscopia electrónica complementa los estudios hechos en las líneas de luz. En el laboratorio de microscopia son hechos estudios de física y química con nanotubos de carbono, nanopartículas metálicas para catalizadores, semiconductores y células de combustible, además de investigaciones sobre crecimiento de puntos cuánticos en colaboración con otros laboratorios. Uno de los estudios hechos entre 2004 y 2006, por ejemplo, fue encomendado y pago por un conglomerado de empresas estadounidenses y europeas, grandes fabricantes de productos usados en los procesos industriales de soldadura, por intermedio de una oficina de abogacía de Estados Unidos. “Hicimos un estudio de los vapores resultantes de los procesos industriales que involucran la soldadura de materiales. Ellos cargan algunos elementos metálicos que pueden ser perjudiciales a la salud de los trabajadores, como el manganeso, causante de una enfermedad llamada manganismo”, dice Antonio José Ramirez, investigador del Laboratorio de Microscopia Electrónica.

El estudio consistió en la caracterización de los vapores que, al ser expelidos en los procesos industriales, se condensan y forman nanopartículas sólidas. En el caso en estudio, ellas eran compuestas de un núcleo de magnetita (óxido de hierro) dopada con manganeso. “Descubrimos que ellas tenían una capa externa de óxido de silicio que funciona como una cápsula de protección, minimizando el efecto del manganeso, lo que puede explicar la falta de vínculo con la apariciónde la enfermedad”, dice Ramirez. Aún son necesarios otros estudios físicos, químicos y biológicos para entender mejor ese fenómeno.

Los electrones recorren curvas y rectas
La luz sincrotrón es generada en un anillo de almacenamiento con 90 metros de circunferencia, formado por rectas y curvas. Producidos por un acelerador de partículas, haces de electrones se desplazan en un tubo de vacío a velocidades próximas a la de la luz. Los electrones son desviados por imanes bipolares, emitiendo la luz sincrotrón. Ese generador de luz sincrotrón emite una luz blanca, con todas los haces del espectro. Además de la luz visible, agrupa de forma condensada otras ondas electromagnéticas que no son detectadas por el ojo humano, como el rayo X y las radiaciones infrarrojas y ultravioleta. La luz, que sale por diversos puntos distribuidos alrededor del anillo, es distribuida para las estaciones de trabajo. Las 13 líneas de luz son los equipamientos que quedan acoplados al acelerador circular de electrones y reciben la luz sincrotrón de la máquina. Además de 12 imanes bipolares distribuidos alrededor del anillo de almacenamiento, que hacen la luz circular, dos dispositivos de inserción – una serie de imanes que producen desvíos en las rectas del gran tubo – fueron instalados para estimular la emisión de luz.

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