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El conocimiento científico crece gracias a la labor de miles de personas que se esfuerzan, hasta el agotamiento, por encontrar respuestas a los enigmas que plantea la Naturaleza. En cada programa un científico conversa con Ángel Rodríguez Lozano y abre para nosotros las puertas de un campo del conocimiento.

Luz, materia y espectroscopía fluorescente. Hablamos con Andrés Garzón Ruiz

Espectroscopía fluorescente - Hablando con Científicos podcast - CienciaEs.com

Nuestro invitado hoy, Andrés Garzón Ruiz, nos invita a comprender el complejo juego que existe entre la radiación y la materia. Es Profesor en la Facultad de Farmacia de la Universidad de Castilla La Mancha en Albacete donde investiga las propiedades e interacciones entre ciertas moléculas mediante espectroscopía de fluorescencia.

La luz, fuente de información.

Ministerio de Ciencia e Innovación

Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología

Universidad de Castilla - La Mancha

La luz, esa radiación familiar con la que se ilumina el mundo que nos rodea, se ha revelado, gracias a la Ciencia, como el más preciado de los tesoros. Un rayo de luz cualquiera es un regalo de la naturaleza que llega a nuestros ojos cargado de información. La cara conocida que nuestro cerebro identifica rápidamente, el paisaje que nos sorprende por su belleza o la imagen esperpéntica que provoca nuestro rechazo son, en el fondo, solamente sensaciones que se disparan en nuestro cerebro como repuesta de átomos y moléculas ante la luz. Aunque la evolución nos ha preparado para interpretar la información luminosa en aras de la supervivencia, lo cierto es que la luz en sí misma contiene mucha más información, una información que está lista para ser interpretada por aquellos que la puedan y sepan leer.

Ahora sabemos que hay mucha más luz de la que vemos, por eso hemos ampliado el concepto a otro más amplio que se conoce como “radiación electromagnética”. Nuestros ojos son solamente receptores limitados, modelados por la evolución para sobrevivir en un mundo cambiante y, a veces, amenazador. Más allá de esa interpretación, los científicos han desarrollado detectores capaces de recibir y analizar la luz que no vemos por la sencilla razón de que nuestros ojos no están preparados para ello. Hablamos entonces de ondas electromagnéticas que vibran a distintas frecuencias, como las emisoras de radio ofrecen distintas informaciones cuando sintonizamos las frecuencias con el dial del aparato receptor. Nuestros ojos solamente distinguen algunas de ellas y, una vez detectadas, nuestro cerebro les asigna un color, así es como distinguimos los colores del arco iris.

Sin embargo, la radiación de frecuencias más altas que el violeta y más bajas que el rojo no la podemos detectar. Las ondas electromagnéticas de frecuencia más alta que el violeta, la radiación ultravioleta, los rayos x y los rayos gamma tienen la misma esencia que la luz visible pero nuestros ojos son ciegos ante todas ellas, aunque sí podemos detectarlas por otros medios que la ciencia ha desarrollado. Lo mismo sucede con las radiaciones de una frecuencia que se sitúan “por debajo” del rojo – la radiación más baja que nuestros ojos pueden detectar- nos encontraremos con radiación “infrarroja”, las microondas y ondas de radio, todas ellas igualmente invisibles para nosotros.

¿Cuál es el origen de esa radiación?.

La luz, es decir, la radiación electromagnética, tiene su origen en la materia. Los átomos están formados por partículas cargadas, protones y electrones, que se conectan entre sí mediante fuerzas eléctricas y magnéticas. Cuando una partícula cargada se mueve, otra situada en la distancia detecta el movimiento y se mueve también. Pero la comunicación entre ambas no es instantánea, se transmite en el vacío a la velocidad de la luz. Podemos decir que cuando una partícula cargada se mueve, el espacio a su alrededor se estremece, como se estremece la superficie de un estanque cuando lanzamos una piedra al agua. Si esa onda encuentra otras partículas en su camino, éstas bailan a su son y responden ante ella. Éste es, básicamente, el juego entre la radiación y la materia.

Lo que sucede después, depende de muchos factores. Un electrón que se mueve alrededor del núcleo de un átomo puede ser forzado por la onda que llega a ocupar una posición diferente, adquiriendo una energía superior. Cuando esto sucede, el electrón tiende a perder esa energía volviendo a su lugar, un cambio que se traduce en una nueva perturbación del medio, una nueva onda que viaja por el espacio a la velocidad de la luz. Por otro lado, la energía absorbida desaparece del medio y ya no se transmite dejando un hueco en la emisión original. Así, en ese juego de emisiones y absorciones, la energía electromagnética va cambiando a medida que avanza por el espacio y va cargándose de historia.

Un rayo de luz no está compuesto normalmente por ondas electromagnéticas de una única frecuencia, – eso sería luz láser- suele ser la mezcla de muchas radiaciones de frecuencias distintas. Lo observamos continuamente en el arco iris, la luz blanca del Sol es descompuesta por las gotas de agua de tal forma que los colores se separan unos de otros dando la secuencia que va del rojo hasta el violeta. Los científicos han aprendido a hacer lo mismo, es decir a separar las distintas frecuencias de una radiación electromagnética de forma controlada y sin las limitaciones que tienen nuestros ojos. A ese conjunto de “colores”, en el sentido amplio, se le llama “espectro electromagnético”.

Cualquier cuerpo caliente produce energía electromagnética. Nuestro cuerpo, que se encuentra a una temperatura de 36 º Celsius, emite en el infrarrojo, el Sol cuya temperatura superficial alcanza los 5.000 º Celsius, emite en el visible. Pero si la luz emitida por el Sol atraviesa en el camino una nube, algunos de sus átomos y moléculas absorberán ciertas frecuencias y serán transparentes a otras dejando así su firma en la radiación que la atraviesa. Si un científico analiza su espectro, podrá determinar la composición de la nube en función de la radiación que se ha perdido.

Este juego entre la materia y la radiación ha demostrado ser una verdadera fuente de conocimiento que nos permite averiguar tanto la composición de estrellas lejanas, como identificar muestras químicas cuya composición y propiedades desconocemos, gracias a su forma particular de responder ante la luz. El campo de investigación que ofrece esta rama del conocimiento es la espectroscopía, un campo en el que trabaja nuestro invitado de hoy, Andrés Garzón Ruiz.

En su laboratorio de la Facultad de Farmacia de la Universidad de Castilla La Mancha, en Albacete, Andrés Garzón investiga las interacciones de la radiación electromagnética con moléculas complejas, como las que tienen lugar entre proteínas y fármacos. Si un fármaco se une a una proteína, el conjunto de ambas unidas se comportará respecto a la luz de manera diferente a como lo hace la proteína o el fármaco por separado. Una proteína que esté sobreexpresada, es decir, que abunde más de lo normal debido a algún tipo de enfermedad, como el cáncer por ejemplo, podría ser inactivada con un fármaco que se una a ella e impida su función. La inmensa cantidad de posibles combinaciones entre proteínas y fármacos obliga a estudiar esa interacción utilizando métodos computacionales y técnicas de espectroscopia de fluorescencia para reducir las posibles soluciones y, posteriormente, utilizar ese conocimiento para elaborar un fármaco real, en laboratorio.

Los métodos de investigación empleados por Andrés Garzón Ruiz y su equipo utilizan técnicas de dinámica molecular o “docking” con las que se estudia una proteína diana para localizar algún hueco en su estructura a la que se pueda acoplar un fármaco. Las proteínas son moléculas muy largas que se pliegan en las tres dimensiones del espacio formando una maraña, a modo de ovillo, que deja huecos en los que se puede acoplar un posible fármaco que, como una llave y una cerradura, desactive la proteína y limite su actuación. Una vez seleccionada la proteína diana, utilizando técnicas computacionales, se estudian las posibilidades de acoplamiento con miles de moléculas de una base de datos para detectar, entre ellas, aquellas que interaccionan con la proteína de la manera adecuada.

Una vez seleccionadas las moléculas que pueden funcionar bien, hay que pasar al laboratorio y comprobar que realmente es así. Se puede dar el caso que el fármaco funcione, es decir se acople a la proteína y la inactive, pero a la hora de probarla en un sistema biológico real, el fármaco puede que no sea capaz de atravesar la membrana de las células y alcanzar su objetivo. La espectroscopía de fluorescencia es una técnica que permite hacer un seguimiento de la interacción entre la molécula en estudio y la proteína. La muestra se coloca en un haz de luz y se analiza la respuesta. La radiación que la molécula absorbe, la radiación que emite y el tiempo de respuesta, esos tres parámetros permiten identificar la interacción entre las ellas.

Hablamos de este y otros temas con Andrés Garzón Ruiz, Profesor en la Facultad de Farmacia de la Universidad de Castilla La Mancha en Albacete.


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