La Universidad de Sevilla participa en el primer experimento en Europa de la mayor fuente de rayos X del mundo

El profesor de la Universidad de Sevilla Alfonso Gañán.

El profesor de la E.T.S. de Ingeniería de la Universidad de Sevilla Alfonso Gañán y uno de sus doctorados participan este jueves 14 de septiembre en Hamburgo en el primer experimento del XFEL, actualmente la fuente de rayos X más potente del mundo en cuyo desarrollo han intervenido expertos de 11 países. La nueva herramienta permitirá analizar la materia a escala atómica como nunca hasta ahora se ha hecho. La participación de la US en este proyecto se centra en el sistema de introducción de las muestras biológicas, que utiliza la tecnología Flow Focusing, patentada en 1996 por el grupo del profesor Gañán, y cuyo uso en sistemas como el XFEL fue también patentado por los profesores Alfonso Gañán y Sebastián Chávez en 2003.

Las muestras biológicas (normalmente microcristales de proteínas) deben estar en un medio acuoso. El reto es presentarlas de un modo adecuado para que puedan ser interceptadas por pulsos de una corriente de rayos X de apenas unas micras de diámetro y duración inferior a 10 femtosegundos (10-15 segundos), y generar un patrón de difracción lo más nítido y coherente posible. “Se trata de fotografiar o “cazar” a las moléculas usando un flash ultra-rápido y ultra-potente”, explica el profesor Gañán.

Para dar una solución a esta necesidad, la tecnología Flow Focusing introduce las muestras en un microchorro con la velocidad y el diámetro adecuados para que su distorsión provocada en el punto de impacto de los rayos X afecte mínimamente al resto. La combinación de la tecnología XFEL (trenes de pulsos ultra-cortos y ultra-potentes de rayos X) con el vehículo Flow Focusing ha dado lugar finalmente a lo que actualmente se conoce como “Serial Femtosecond Crystallography” (SFX), una revolución en biología molecular.

Utilizando la tecnología Flow Focusing, los expertos de la Universidad de Sevilla patentaron en 2003 el procedimiento y el dispositivo para la identificación y caracterización secuencial de unidades discretas en suspensión en un chorro capilar mediante un sensor óptico o electromagnético.

El procedimiento fue descrito en 2003 de la siguiente manera: se procede a la impulsión de un líquido L portador de las unidades discretas mediante una sobrepresión de hasta 200 atmósferas (normalmente de 0.1 a 2 atmósferas) a través de un pequeño orificio, simultánea y concéntricamente con otro fluido F inmiscible con él (un gas), que lo envuelve y da lugar a un chorro estable de tamaño microscópico. El caudal del chorro, así como la regulación su diámetro y velocidad se ajustan a los requerimientos de frecuencia de paso y umbral de detección del sensor. Por último, se realiza el registro por el sensor del paso de las unidades discretas y la caracterización en sucesión de cada una de ellas.

“En 2003 ya vimos que la tecnología que habíamos desarrollado podía tener aplicaciones en este sentido”, explica el profesor Gañán, en referencia a proyectos como el XFEL. De hecho, su invento atrajo la atención de la comunidad científica internacional y en 2007, tras un primer encuentro, comenzó una colaboración entre su grupo de investigación y la Arizona State University (el grupo del profesor John Spence).

La colaboración entre ambas instituciones dio como primer resultado un artículo científico publicado en 2010 en el que exponían sus avances. Sin embargo, en 2011 salió a la luz otro trabajo en la revista Nature en el que los investigadores de la universidad estadounidense se desvincularon de la colaboración de la US y obviaron la esencial participación de ésta en aquel desarrollo. En 2016, un grupo de la Universidad de Hamburgo (liderado por el profesor Henry Chapman), conocedores de la tecnología desarrollada en la US, volvió a ponerse en contacto con el profesor Gañán. Como frutos de esta nueva línea de colaboración, los investigadores de la US están aportando su conocimiento y tecnología para el primer experimento desarrollado en Europa con el nuevo XFEL, y han registrado una nueva patente conjunta el pasado 17 de julio.

En resumen, la tecnología creada en la Universidad de Sevilla está permitiendo introducir muestras biológicas sometidas a análisis mediante pulsos de rayos X generados por enormes equipos recientemente construidas en Estados Unidos y Japón, y lo permitirá también en el XFEL europeo, el mayor del mundo en su clase. Así pues, la tecnología Flow Focusing se configura como una parte fundamental de la tecnología SFX, una revolución en biología molecular que va a ser usada en el primer experimento del gigantesco equipo fruto del proyecto internacional “European XFEL” .