La mayor infraestructura científica de España, con permiso del Gran Telescopio de Canarias, es un generador de luz gigantesco. Su nombre es Alba y es un sincrotrón de 30.000 metros cuadrados que produce rayos X millones de veces más potentes que las fuentes convencionales. Un haz constante que ilumina distintos puntos de observación, algunos de ellos únicos en el mundo, para desnudar la materia hasta dejar visible su estructura molecular y atómica. El resultado son imágenes del minúsculo mundo nanométrico (un nanómetro es una millonésima de un milímetro) nítidas, en 3D y obtenidas en minutos –en lugar de meses– que han revolucionado muchos campos de la ciencia, desde la biología y la medicina hasta la física de materiales. Este acelerador de partículas tan especial, el único en nuestro país, cumple 10 años con más del doble de peticiones para usar sus instalaciones de las que puede atender, y con una remodelación profunda, el Alba II, puesta en marcha en diciembre pasado para continuar perteneciendo a la élite de Europa.

Texto: Elvira del Pozo | Periodista de ciencia

Diez años llevan los vecinos de Cerdanyola del Vallès (Barcelona) conviviendo con lo que a vista de pájaro es un gran platillo volante aterrizado en un claro entre sus carreteras y edificios, que parecen diminutos a su lado. Solo que de sus puertas no salen amenazantes alienígenas, sino “conocimiento y datos útiles que ayudan a resolver retos de la sociedad”. La que habla es Caterina Biscari, la comandante en jefe de esta mole de hormigón de 22.870 metros cuadrados, bajo la que se encuentra el único sincrotrón de España.

Se trata de un acelerador de partículas muy especial. Es circular, como su hermano mayor, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), pero sus funciones son completamente distintas. El suizo acelera protones e iones pesados para que choquen entre ellos y la energía generada produzca nuevas partículas que permitan estudiar el mundo cuántico. El objetivo del sincrotrón es producir luz. No cualquier tipo, sino una invisible a nuestros ojos: un haz de rayos X tan intenso y constante que, acoplado a aparatos de observación de última generación instalados en la propia infraestructura, es capaz de iluminar con nitidez lo pequeñísimo: la estructura básica de la materia y sus ladrillos, las moléculas y átomos de los que está compuesta. Así se consigue determinar su forma, estructura y comportamiento. 

Por eso se le bautizó con el nombre de Alba. “La primera luz del día antes de salir el sol”, según la Real Academia Española. Unos fotones que emiten los electrones cuando se aceleran, más energéticos cuanto más deprisa van. En este caso, se fuerza a que giren a casi 300.000 km/s, la velocidad de la luz, por un anillo de 270 metros en el que reina el vacío. De esta manera, las partículas cargadas alcanzan una energía inusual, 3 GigaelectronVoltios (mil millones de veces más energético que la luz visible), cifra que sólo se consigue en apenas una treintena de sincrotrones diseminados por el planeta.

Aunque no es sólo su “corazón de luz”, sino también lo que los equipamientos permiten hacer con ella lo que convierten al Alba “en un sincrotrón por encima de otros europeos y, desde luego, a la cabeza de la región mediterránea”, según Biscari. Las 6.000 horas de luz sincrotrón al año iluminan ocho laboratorios (llamados líneas de luz), cada uno con equipos de observación especializados en ver cosas distintas. Algunos son únicos en el mundo y atraen a científicos de todos los confines para estudiar superconductores y materiales electrónicos. Otros son referentes internacionales pues trabajan como los TAC médicos, aunque radiografían objetos 100.000 veces más pequeños. Permite obtener imágenes en 3D de células y moléculas, muy útil en medicina y ciencia de materiales magnéticos. Medio ambiente, biomedicina, alimentación, patrimonio cultural... “Las aplicaciones son infinitas”, añade la investigadora. Veamos algunas.

Frenar al SARS-CoV-2

“La vida es química: nada más y nada menos”, dijo en una ocasión Roger Kornberg, que recibió el Premio Nobel de Química en 2006 por descifrar la estructura tridimensional de la proteína ARN polimerasa, pieza clave en la transcripción de la información genética. Lo consiguió gracias a la luz sincrototón. La misma fuente de radiación que se está utilizando ahora para buscar los puntos débiles del SARS-CoV-2. El objetivo es encontrar fármacos eficaces que inutilicen sus proteínas diana —las llaves que le permiten introducirse dentro de la célula—, o que alteren alguno de los parámetros clave en su ciclo de vida para impedir su crecimiento exponencial.

En el Alba un equipo del Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas (CIB) ha demostrado que algunos de los antitumorales más utilizados, como el paclitaxel, bajan la replicación del coronavirus. Estos fármacos son conocidos por afectar a la estructura de los microtúbulos, unos biopolímeros en forma de filamentos que se encuentran dentro de las células a modo de esqueleto interno. “También son las carreteras celulares por las que se mueven los virus”, cuenta Fernando Díaz, responsable del Grupo de Agentes Estabilizantes de Microtúbulos del CIB. Gracias a la luz sincrotrón, pudieron observar que al alterar estas fibras se retrasaba el movimiento viral y, en consecuencia, la infección.

Pese a que no han encontrado un candidato que anule completamente el desplazamiento del coronavirus -como sí parece que lo hace el plitidepsin descubierto hace pocas semanas por la farmacéutica PharmaMar-, sí sería eficaz si se suministra junto con antivirales conocidos, como el remdesivir (primer fármaco autorizado para el tratamiento de la covid-19). Todavía hay que investigar más, pero se trata de una línea prometedora que podría lograr “un antiviral de amplio espectro”, ya que este mecanismo no es exclusivo del SARSCoV-2, puntualiza el científico.

“Con el sincrotrón hemos podido visualizar cambios sutiles de décimas de angstrom (en un centímetro caben 100 millones de angstroms) en los microtúbulos. Inapreciables con otras técnicas salvo con microscopios electrónicos de última generación, pero eso nos hubiera retrasado enormemente”, señala. Se refiere al hecho de que con estos aparatos se necesitan días para procesar una sola muestra, “mientras que con el sincrotrón se analiza una cada 15 minutos”. Cuanta más luz se ponga en una muestra, más rápido se mide. “En un día hemos evaluado 50 variantes de un fármaco prometedor, al que le vamos introduciendo pequeños cambios químicos”. Así, “los resultados se obtienen en ocho meses en lugar del par de años que hubiéramos tardado normalmente”, concluye.

Otra de las ventajas del sincrotrón es que la degradación de las muestras es muchísimo menor, según este investigador. Se han podido estudiar las fibras en condiciones casi fisiológicas, sin necesidad de congelarlos, teñirlos, fijarlos o cristalizarlos. Este también fue uno de los alicientes para que científicos del Centro Nacional de Biotecnología optaran por el sincrotrón Alba para obtener el primer mapa tridimensional de células infectadas con hepatitis C, la causa más común de trasplante de hígado en el mundo. También gracias a su luz observaron las alteraciones provocadas por el virus y cómo se recuperaban después de tratarla con fármacos.

Contra el cambio climático

Aunque parece que la pandemia que vivimos es la peor amenaza que tenemos, todavía queda enfrentarnos al cambio climático, según alerta la comunidad científica en un artículo de Nature. Uno de sus precursores es el plástico, responsable de emitir 1,34 gigatoneladas de gases de efecto invernadero al año, lo mismo que 300 centrales eléctricas de carbón de 500 megavatios, según un reciente estudio del Centro para el Derecho Ambiental Internacional. Además, está presente en los ecosistemas acuáticos más recónditos. En septiembre de 2020, un estudio realizado en el sincrotrón Alba reveló por primera vez la existencia de microplásticos en el agua dulce del Ártico. En su mayoría, se trataba de fibras de poliéster sintético, un tipo de tereftalato de polietileno (PET), con el que están hechas botellas de bebida y ropa, entre otros.

Aunque, este parece un peligro “indirecto y lejano, acaba afectando de forma directa y cercana a nuestras vidas”, explican en una nota de prensa los autores del estudio, Francisca Fernández-Piñas, de la Universidad Autónoma de Madrid, y Roberto Rosal, de la Universidad de Alcalá. Se refieren al hecho de que estos pequeños fragmentos de menos de cinco milímetros son ingeridos por los animales, y van trasmitiéndose de unos a otros a lo largo de la cadena trófica. Hasta llegar a nosotros. Y dentro del organismo van liberando continuamente compuestos químicos que pueden tener un impacto potencial en la salud. Por ello, animan a “tomar conciencia sobre el reciclaje, la reutilización de los plásticos y el peligro medioambiental, sobre todo de los plásticos de un solo uso”, enfatizan.

Como si la ciencia se hubiera hecho eco de la petición, tan solo un mes más tarde, en octubre de 2020, de nuevo la revista Nature publicó en su portada el descubrimiento de una nueva enzima que descompone biológicamente los PET, con una eficacia sin precedentes. Gracias al Alba, investigadores del Toulouse Biotechnology Institute y Carbios, una compañía francesa de química verde que diseña bioplásticos, dieron con la estructura de una depolimerasa capaz de degradar el 90 % de PET en solo 10 horas. Esto supone multiplicar por 100 el rendimiento de procesos estudiados hasta el momento. El resultado son monómeros, que son los ladrillos básicos para crear nuevos envases y textiles, esta vez reciclados.

La ciencia del arte

Para coger algo de aire ante tanta amenaza, podemos abstraernos con un poco de arte, un campo en el que el sincrotrón también tiene mucho que decir. El grupo de investigación de Materiales Metaestables y Nanoestructurados de la Universidad Politécnica de Cataluña lleva años apostando por la tecnología del Alba para analizar materiales de interés histórico-artístico. “Necesitábamos la calidad y resolución de los datos obtenidos con su luz para resolver los problemas que teníamos, obviamente en combinación con otras técnicas de análisis microanalíticas”, explica una de sus catedráticas, Trinitat Pradell.

El haz del sincrotrón penetra en la materia —un lienzo, un esmalte de una tinaja de barro, vidrieras...— y desvela la estructura molecular de las capas que la componen. A veces, esos estratos son muy delgados, de unas decenas de micras de grosor, de diferentes materiales, algunos vítreos con iones metálicos que sirven de colorantes, y otros que se han ido formando con el paso del tiempo. Se desvela así su naturaleza profunda, su origen y los métodos utilizados para su creación. También si hay suciedad y de qué tipo.

Los sucesivos estudios llevados a cabo por Pradell confirmaron que algunas de las manchas presentes en las pinturas murales del siglo XIV de la capilla de San Miguel del Monasterio de Pedralbes de Barcelona se debían a la presencia de hongos. También, desvelaron las técnicas y sustancias con las que se elaboraron los vitrales de las Catedrales de Toledo y Segovia, de los siglos XVI, XVII y XX. Toda esta información facilita las tareas de conservación y restauración.

“Disponer de instalaciones de altas prestaciones es muy importante en cualquier campo. En ciencia lo es todavía mas, si pretendemos abordar determinados problemas”, señala Pradell. A lo que añade Díaz, que “era un polo científico del que España carecía totalmente: no sólo es la tecnología que adquirimos sino la capacidad de implementarla, que requiere formación de ingenieros y científicos”.

Nuevas placas solares

En la misma línea argumenta Julian Steele, científico de la Universidad KU Leuven (Bélgica). La valía de una gran infraestructura científica como ésta va más allá de la calidad del haz que genera y de los aparatos de observación de los que dispone. “La disponibilidad y flexibilidad para adaptarse a los imprevistos del Alba, su capacidad de improvisar nuevos experimentos sobre la marcha según los resultados, y la predisposición y experiencia del personal” son, en su opinión, superiores a otros sincrotrones gemelos. Además, en su caso, fueron “claves” para que su artículo se publicara finalmente en la revista Science, el pasado julio.

Steele es el investigador principal de un estudio sobre el llamado silicio del futuro: la perovskita, un material que promete placas solares más baratas, que requieren menos energía para su fabricación y con una eficiencia muy superior al 20 % de las células fotovoltaicas actuales. Tal es su relevancia que el Foro Económico Mundial las incluyó en su lista de las 10 tecnologías emergentes de 2016 y se consideran entre las posibles candidatas al Premio Nobel. El talón de Aquiles es que es inestable cuando está a la intemperie, por lo que sus paneles tienen una vida de unos pocos meses, frente a los 30 años de las convencionales.

El equipo internacional liderado por Steel descubrió una innovadora solución a este problema, “diferente de otros métodos que normalmente implican una alteración química y morfológica del material”, explica el investigador. La luz del Alba reveló que la perovskita se estabiliza cuando se la fija (con una unión fuerte) al sustrato de cristal que hace de basamento del panel solar, lo que se consigue calentándolos primero a 300 grados centígrados y luego enfriándolos. Otro elemento al que la ciencia quiere encontrar sustituto es el cobalto, que forma parte de los cátodos de muchas de las baterías de ion-litio que usamos en móviles, portátiles y coches, entre otros. Este componente es difícil de obtener, altamente tóxico y la materia prima más cara de estos dispositivos. La dificultad reside en desarrollar cátodos sin cobalto, pero con litio. Cuanto más mejor, porque mayor será su capacidad de almacenamiento.

En 2019, unos experimentos en el Alba contribuyeron a desarrollar una tecnología para sintetizar óxidos laminares ricos en litio. Además, demostraron que los materiales fabricados con este método pueden acumular mucha más energía y liberarla 10 veces más rápido que las baterías convencionales, lo que ayudaría a los vehículos eléctricos cuando aceleran.

“La luz de sincrotrón ha sido muy útil para seguir la reacción en tiempo real y determinar cómo cambia su estructura”, explica Aleksandr Missiul, investigador postdoctoral del sincrotrón Alba y coautor de la publicación en la que han participado el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, el Centro de Investigación Jülich, la Universidad Técnica de Munich (Alemania), la Universidad de Sichuan (China), la Universidad de Wollongong (Australia) y del sincrotrón DESY (Alemania).

Alba II en el horizonte

Lejos queda ya el primer gran experimento que se realizó en el Alba, en 2012, con superconductores a los que se les incorporaban nanopartículas de óxidos metálicos para transportar corriente eléctrica de manera más eficiente. Entonces, el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona y otros organismos científicos españoles formaban el 80 por ciento de los usuarios del sincrotrón. Ahora, cuatro de cada diez provienen de instituciones de otros países.

En estos diez años, la participación del sector industrial no ha variado mucho, sigue siendo anecdótica: 50 empresas en total. Éstas son las únicas que deben pagar por usar el preciado haz de luz, mientras que los académicos tienen acceso libre siempre que se comprometan a hacer públicos sus resultados. En opinión de Caterina Biscari no se trata de un problema económico —cada hora de sincrotrón cuesta 500 euros—, sino más bien “un problema de que las compañías desconocen la existencia de esta tecnología y cómo utilizarla. Porque las pocas que se acercan, repiten”.

También, hace una década, la instalación apenas recibía un millar de usuarios al año; hoy esa cifra se ha doblado, “debido a la alta calidad que ha ido demostrando. Ha crecido tanto la demanda que más de la mitad de las solicitudes se quedan fuera por falta de tiempo”, añade.

Quizás las investigaciones desechadas podrían haberse atendido si Alba trabajara al máximo de su potencial. Ahora lo hace a menos de un tercio de su capacidad. Y aunque de las 33 líneas de luz que puede albergar sólo tiene operativas ocho, el sincrotrón produce diariamente fotones para iluminar incluso a las que no existen. “Con más líneas no se desperdiciarían fotones y se sacaría más provecho a la gran inversión que se hizo”, reconoce Biscari. El problema es, como casi siempre, económico: abrir un laboratorio más supone mucho dinero. “De momento, en los próximos tres años, tendremos 13 puertos funcionando; además, seguimos optimizando los desarrollos tecnológicos para que se puedan hacer más experimentos en menos tiempo”, añade.

La directora del sincrotrón tiene su mirada puesta en 2030. El pasado diciembre comenzaron los trabajos para cambiar la estructura del acelerador y convertirlo en un sincrotrón de cuarta generación que son los que se están construyendo ahora. El Alba II dispondrá de un haz de fotones con una brillantez muy superior y con mayor capacidad de análisis de la materia ahora inaccesibles en términos de resolución, nivel de detección y de compresión de las propiedades químicas y electromagnéticas. Además, tendrá nueve líneas nuevas más y renovará algunas de las ya existentes. “No se trata tanto de más cantidad (de líneas), sino de dar un salto de calidad, necesario para afrontar los retos científicos del futuro, y que siga situando a España en una posición de vanguardia”, concluye.