Dentro del Año Internacional de la Cristalografía (IYCr) ayer se celebró la jornada “Matemáticas, cristalografía y química: ¡Una relación necesaria y apasionante!”, con conferencias y una visita a los laboratorios del Instituto de Química Física Rocasolano (CSIC). Las matemáticas de Kepler se sitúan en el origen de esta ciencia, y también subyacen en las técnicas de reconstrucción de imágenes obtenidas mediante difracción de rayos X.
La cristalografía es hoy una pieza clave en la bioquímica y, en concreto, en el desarrollo de nuevos fármacos, y en ciencia de los materiales, en la creación de materiales innovadores.
Alumna del IES Alameda de Osuna en el laboratorio de cristalización del IQFR.
Ayer un centenar de estudiantes de 4º de la ESO y 1º de Bachillerato de centros de la Comunidad de Madrid participaron en la jornada “Matemáticas, cristalografía y química: ¡Una relación necesaria y apasionante!”, en el Instituto de Química Física Rocasolano del CSIC, donde han podido asistir a las conferencias ‘Historia de la cristalografía’ y ‘Kepler y la simetría de los copos de nieve’. Por último, el alumnado visitó los laboratorios de este centro de investigación.
La jornada, que fue organizada por el Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT), el Instituto de Química Física Rocasolano y el Instituto de Química Orgánica General, en colaboración con la Vicepresidencia Adjunta de Cultura Científica del CSIC, tenía como objetivos mostrar la relevancia de la cristalografía en el marco de su Año Internacional, llevar la ciencia en un formato asequible a estudiantes en torno a los 16-17 años, y enseñarles el trabajo cotidiano de los investigadores en esta área, así como su impacto en la sociedad. Los alumnos pudieron seguir el proceso de cristalización de proteínas que siguen los investigadores: primero en el laboratorio en el que se crean los cristales, después en el difractónomo, donde se genera el patrón de difracción y por último en el ordenador, que gracias a las matemáticas es capaz de reconstruir la estructura 3D de la proteína. “Me ha gustado mucho la jornada, no lo es lo mismo estudiar estas cosas en un libro que ver cómo lo hacen quien se dedica a ello”, aseguraba Nadia González, estudiante de 4º de la E.S.O. en el IES Alameda de Osuna de Madrid.
La investigadora predoctoral Teresa Dominguez-Gil (IQFR) muestra el difractómetro a los estudiantes de 4º de la E.S.O.
Una ciencia fundamental
Fue una cristalógrafa, Rosalind Franklin, la que logró conseguir las imágenes que permitirían desentrañar la estructura de la ‘molécula de la vida’, el ADN. Se trata de una de las historias más oscuras de la ciencia –el Nobel se lo llevaron sus colegas Watson, Crick y Wilkins, que más adelante admitieron haber utilizado su trabajo sin su permiso-. Sin embargo, ilustra la relevancia de una disciplina que, si bien desconocida para el gran público, es fundamental para el avance de las ciencias. No en vano, la cristalografía, que nació para estudiar la morfología de los cristales, se ocupa hoy de desvelar la estructura atómica y molecular de la materia, lo que abre la puerta a modificarla y utilizarla en nuestro beneficio.
Conferencia de Manuel de León en el Salón de Actos del IQFR.
“La cristalografía nació de las matemáticas, se desarrolló con la física, y ahora retroalimenta a campos tan diversos como la mineralogía, la química, la física, la ciencia de los materiales, la biología y la biomedicina”, ha explicado Martín Martínez Ripoll, cristalógrafo, Profesor de Investigación del Instituto de Química Física Rocasolano y uno de los participantes en la jornada. “Se trata de una disciplina frontera que une áreas de la ciencia dispares, pero que resuelve problemas graves e importantes”.
Es, por tanto, de un área transversal que toca prácticamente todas las ciencias naturales. La relación con la química y las matemáticas es, sin embargo, especialmente intensa y, además, viene de lejos. La química ha estado unida a la cristalografía desde sus comienzos ya que, como señala Bernardo Herradón, Investigador Científico del Instituto de Química Orgánica General (IQOG) y director del centro hasta el año 2010, “lo que se estudia, al final, es la estructura de sustancias químicas y, por lo tanto, la relación entre ambas disciplinas es muy estrecha”.
Conferencia de Martín Martínez Ripoll durante la Jornada de “Matemáticas, cristalografía y química: ¡Una relación necesaria y apasionante!”
En cuanto a las matemáticas, están muy presentes en los hitos históricos que precisamente conmemora el Año Internacional de la Cristalografía: el 400 aniversario de la observación de simetría en los cristales de hielo, lo que se señala habitualmente como el nacimiento de la cristalografía; y el centenario de la difracción de rayos X como herramienta para el estudio de la materia cristalina.
Manuel de León, director del Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT) y también participante en la jornada, lo ha explicado así: “Tras observar cómo los copos de nieve que caían sobre su gabán tenían forma hexagonal, el matemático, físico y astrónomo Johannes Kepler empieza a pensar por qué esto es así. Escribe un tratado en el que hace algunas hipótesis, y esto dio lugar a muchas cosas. En matemáticas, en particular, ahí estaba contenida la conjetura de Kepler, que se resolvió hace poco”.
Y, ¿qué tienen que ver las matemáticas con el estudio de la materia mediante difracción de rayos X? “Las matemáticas permiten reconstruir la estructura de la materia a partir de las imágenes obtenidas por la difracción”, ha señalado De León. En concreto, se emplean las llamadas ‘transformadas de Fourier’, que convierten funciones que dependen del tiempo o del espacio en funciones que dependen de la frecuencia. Además, la cristalografía está muy relacionada con una parte de las matemáticas, la teoría de grupos, que nació con las denominadas ‘clases cristalinas’ o ‘grupos puntuales cristalográficos’, que describen la forma en la que cristaliza la materia, y que aparecen representados en la decoración de suelos y paredes de la Alhambra.
Alumnos de 4º de la E.S.O. y 1º de Bachillerato en la entrada del IQFR.
29 premios Nobel
Las contribuciones de la cristalografía al avance de la ciencia son tantas que han dado lugar a 29 premios Nobel con trabajos directamente relacionados con esta disciplina. Su desarrollo tiene aplicaciones en productos tan diversos y de uso tan cotidiano como la pasta de dientes, los materiales ultraligeros de las aeronaves, las pantallas líquidas e incluso los antibióticos.
“Se trata de una disciplina en la frontera –ha señalado Martínez Ripoll-. Lo importante es cazar un problema científico abordable en función de la estructura de la materia”. Y eso sucede muy a menudo ya que, como ha destacado Herradón, “la mayoría de las sustancias que manejamos son cristalinas” o, dicho de otra forma, pueden convertirse en cristales o ‘materia ordenada’ tras un proceso químico que logra llegar a “una estructura estable”.
Precisamente la cristalografía tiene mucho que decir en el campo de los antibióticos. Como ejemplo, baste citar el premio Nobel de Química 2009, otorgado a los investigadores estadounidenses Venkatraman Ramakrishnan y Thomas A. Steitz, junto a la israelí Ada E. Yonath, por el estudio del ribosoma. “El ribosoma es la fábrica de proteínas de la célula, cualquier tipo de célula, también de las bacterias. Si conseguimos parar su fábrica de proteínas, las bacterias acaban muriendo y se terminó la infección. Y ese es el quid de la cuestión del diseño de algunos de los nuevos antibióticos”, crucial para afrontar la creciente resistencia de las bacterias a los antibióticos, un problema cada vez mayor que Martínez Ripoll ha calificado de “acuciante”.
Año Internacional de la Cristalografía
Como conmemoración del 400 aniversario de la observación de simetría en los cristales de hielo por Kepler, la Asamblea General de Naciones Unidas proclamó 2014 como Año Internacional de la Cristografía (IYCr2014). Además, también se celebra el centenario de la difracción de rayos X como herramienta para el estudio de la materia cristalina. En la difracción de rayos X, de nuevo, subyacen las matemáticas: la transformada de Fourier desempeña un papel fundamental en los en los procesos de difracción por rayos X y su aplicación a la resolución de estructuras cristalinas. Durante el IYCr2014 se pretenderá destacar la importancia de esta ciencia en la comprensión material de nuestro mundo.
Enlaces de interés:
Jornada “Matemáticas, cristalografía y química: ¡Una relación necesaria y apasionante!” http://www.icmat.es/mates-quimica-cristalografia
Año Internacional de la Cristalografía http://www.iycr2014.info/ano-internacional-cristalografia/
Enseñanza de la Cristalografía http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia
Más información:
El ICMAT
El ICMAT es un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y tres universidades de Madrid: la Autónoma (UAM); Carlos III (UC3M); y Complutense (UCM). Su principal objetivo es el estímulo de la investigación matemática de alta calidad y de la investigación interdisciplinar. Es uno de los trece centros españoles del programa de excelencia Severo Ochoa, lo que acredita la alta calidad de su proyecto investigador. Además, sus investigadores han obtenido ocho de las prestigiosas ayudas del Consejo Europeo de Investigación, en las modalidades ‘Starting’ y ‘Consolidator’.
El Instituto de Química Física Rocasolano (IQFR)
El Instituto de Química Física Rocasolano se encuentra en el edificio del antiguo Instituto Nacional de Física y Química, que en el periodo 1932-1936 fue punta de lanza de la ciencia española. Hoy en día la investigación realizada en el IQFR abarca desde aspectos fundamentales en Química Física hasta nanociencia o la aplicación de técnicas químico-físicas a problemas de interés biológico. Nuestras líneas prioritarias de investigación incluyen campos tales como la biología estructural, la biofísica funcional, cinética y reactividad químicas, química y física computacionales, diseño de materiales y nuevas aplicaciones láser, o la química de superficies, todo ello junto con otras temáticas relacionadas con la investigación interdisciplinar en el campo de la ciencia de materiales y nanociencia, así como en el estudio de las bases moleculares de los procesos biológicos.
El Instituto de Química Orgánica General (IQOG)
El Instituto de Química Orgánica General es un centro del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en el que se realiza investigación en distintas temáticas del área de Química, muy frecuentemente en la interfase con otros campos como biomedicina, ciencias medioambientales y ciencia de materiales, entre otros. El IQOG contribuye a la sociedad del conocimiento, desarrollando investigación básica y aplicada de calidad, formando especialistas e investigadores, transfiriendo tecnología al mundo productivo y divulgando ciencia a la sociedad.
Vicepresidencia Adjunta de Cultura Científica del CSIC
La vicepresidencia Adjunta de Cultura Científica del CSIC impulsa, organiza y difunde las actividades de comunicación social y didáctica de la ciencia de los centros e institutos de investigación de la institución. El CSIC quiere ser un elemento clave en el desarrollo de programas de participación ciudadana y fomento de la cultura científica y de nuevas vocaciones científicas.
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