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Referencias Recientes para la Historia

de la Cristalografía Mexicana.

Adolfo E. Cordero Borboa

Instituto de Física, UNAM.

A.P. 20-364, D. A. Obregón, México D.F., 01000

E. mail:  cordero@fisica.unam.mx

 


La contribución principal al estudio de los sólidos en el México colonial fué el descubrimiento del elemento químico número 23, en el año de 1800, por Don Manuel Andrés del Río (España 1764, México 1849). Arturo Arnaiz y Freg publicó en 1948 los detalles de este descubrimiento [i]. Andrés del Río trabajó al lado de Antonio Lorenzo Lavoisier en París, después de estudiar con el mineralogista alemán Abraham Gottlob Werner en Freiberg. Cuando Lavoisier fué decapitado durante la revolución francesa, al grito popular de "¡La revolución no necesita de sabios!", Andrés del Río huyó hacia el puerto de Calais, y de ahí a Inglaterra. Estando allá, la corona española lo llamó a Madrid para encargarle, a sugerencia de Don Fausto de Elhúyar (descubridor del elemento químico "tungsteno" en 1783), la cátedra de Química del "Real Seminario de Minería", o "Colegio Metálico", en la Nueva España. Al conocer tal encargo, Del Río solicitó que se le cambiara esa cátedra por la llamada "Cáthedra quarta del Colegio Metálico de México", o sea la cátedra de Mineralogía, arribando con tales fines a Veracruz el 20 de octubre de 1794, en el navío de guerra "San Pedro de Alcántara".

En la ciudad de México, en el año de 1800, Don Andrés analizó un mineral proveniente de la mina "de la Purísima del Cardonal" en el actual Estado de Hidalgo, al que bautizó como "zimapanio" o "plomo pardo de Zimapán". Del zimapanio extrajo una sustancia a la que llamó "pancromo", por la variedad de colores que presentaban sus compuestos químicos, y que después renombró como "eritronio" por el color rojo que adquirían sus sales al exponerlas al fuego. Treinta años más tarde, el químico sueco Niels Gabriel Sefstroem anunciaría [ii], como resultado del análisis de un mineral traído de la región de Svalbard, el descubrimiento de un nuevo elemento químico, al cual llamó "vanadio" en honor a Vanadis, sobrenombre de Freya, diosa escandinava de la belleza [iii]. Según Arnaiz y Freg, fué Friedrich Woehler quien demostró, ante la Academia de Ciencias Sueca en el año de 1831, que el vanadio no era otro que el eritronio, descubierto por Andrés del Río treinta años antes de los estudios de Sefstroem; y según Rubinovich Kogan [iv], fué Jakob Berzelius quien concluyó, también en 1831, que el vanadio y el eritronio eran uno solo, al estudiar muestras del zimapanio que Andrés del Río le habría dado a Alexander von Humboldt durante su paso por México. Aún cuando hubo quien propuso que al elemento químico número 23 se le denominara "rionio", en honor a su verdadero descubridor, el nombre vanadio enraizó internacionalmente. La Enciclopedia Británica actual reconoce a Don Manuel Andrés del Río como el descubridor del vanadio.

A finales del mismo siglo, en 1895, Wilhelm Conrad Roentgen descubrió los rayos X, haciendo entonces posible que, en 1912, Max von Laue revelara con ellos el orden existente en la estructura atómica de los cristales. Esto, a su vez, permitió que William Henry Bragg y su hijo William Lorentz iniciaran, en 1913, el establecimiento de la ciencia conocida como "Roentgencristalografía" o "Radiocristalografía", la cual estudia la estructura de los cristales usando difracción de rayos X. Esta ciencia llegó a México treinta y seis años después de las primeras investigaciones de los Bragg, con los trabajos pioneros de Carlos Graef Fernández, Octavio Cano Corona y Francisco José Fabregat Guinchard.

Las historias que relatan las experiencias de Roentgen, Laue y los Bragg, así como las de Graef, Cano y Fabregat ya han sido contadas en otro lugar [v],[vi] por lo que este escrito se dedicará sólo a la Cristalografía hecha en México, o por cristalógrafos mexicanos, en los últimos quince años. Durante este lapso de tiempo, el estudio de la materia en estado cristalino se ha desarrollado extraordinariamente en nuestro país, como puede juzgarse no sólo por el número y la calidad de los trabajos publicados, sino también por la multiplicación de los laboratorios y los grupos de investigación dedicados a tal área. Sin embargo, tal velocidad de desarrollo ha provocado que los cristalógrafos, y científicos afines, tengan información insuficiente acerca de las investigaciones que se llevan a cabo en instituciones regionales que no son las propias. Esto ha disminuido las posibles colaboraciones interinstitucionales, que de otra manera favorecerían la práctica cada vez más intensa de la ciencia cristalográfica. El presente escrito intenta poner a disposición de la comunidad científica interesada, sin pretender ser exhaustivos, las referencias a algunos de los trabajos cristalográficos más importantes efectuados en México, o por mexicanos, de 1985 a la fecha. A continuación se citan estas referencias, agrupándolas en temáticas.

 

 

Películas Delgadas.

En Yucatán, la Dra. Patricia Quintana Owen, y su grupo de investigación en el Departamento de Física Aplicada del CINVESTAV, logró detectar, por medio de rayos X que inciden de forma rasante, un desplazamiento de masa que produce en películas delgadas de oro cuando se hace circular por ellas una corriente eléctrica [vii]. Este desplazamiento masivo, debido a la modificación que sufre la estructura cristalina de la película al fluir la corriente eléctrica, minimiza las tensiones superficiales creadas en ella durante su crecimiento. Estas observaciones acotan las posibles soluciones al problema físico de electromigración, un fenómeno cuyo entendimiento es fundamental para miniaturizar circuitos electrónicos.

En la Universidad de San Luis Potosí, el Dr. Miguel Angel Vidal Borbolla y sus colaboradores, en el Instituto de Investigación en Comunicación Óptica, experimentan en el único laboratorio mexicano de difracción de rayos X de alta resolución. Esta técnica resuelve variaciones relativas muy pequeñas (~ 10-4) en los parámetros cristalinos por lo que es idónea para estudiar ligeros desajustes de red, como los causados por fenómenos de difusión o implantación. En particular, han estudiado el origen físico de los esfuerzos mecánicos presentes en heteroestructuras de selenuro de zinc y arsenuro de galio [viii]. También, los rayos X de alta resolución se usan para determinar densidades de dislocaciones, las cuales degradan el funcionamiento de dispositivos optoelectrónicos por ser defectos no radiactivos. Estas densidades se han estudiado, entre otros sistemas, en películas epitaxiales de selenuro de zinc y arsenuro de galio[ix]. Actualmente, se mapean los espacios recíprocos de este tipo de heteroestructuras (Fig.1).  

Figura 1. Mapa del espacio recíproco de la super-red de GaAs/Ge/GaAs. (figura: Miguel Angel Vidal Borbolla).

Fronteras de Grano.

Los Drs. Alfredo Gómez Rodríguez, David Romeu Casajuana, José Luis Aragón Vera y el Ing. Luis Beltrán del Río, del Departamento de Materia Condensada del Instituto de Física de la UNAM, dieron un gran paso, en favor de la ciencia de los materiales, al crear un modelo que simula las fronteras entre granos cristalinos, y que  permite entender la arquitectura cristalográfica de estas fronteras, prediciendo su estructura [x] (Fig. 2). El modelo generaliza el concepto geométrico de "coincidencia de redes".  

Figura 2. Frontera de grano tipo "giro" con sigma igual a cinco, según el modelo de "Red Generalizada de Sitios de Coincidencia". Los círculos pequeños oscuros y claros representan los puntos de las dos redes, y los grandes los puntos de buen ajuste entre éstas. (figura: Alfredo Gómez Rodríguez)

Soluciones Sólidas.

En Puebla, los Drs. María Eugenia Mendoza Álvarez y Cristóbal Tabares Muñoz, en colaboración con otros investigadores del Instituto de Física de la Benemérita Universidad, sintetizaron soluciones sólidas con cobre que son isoestructurales al óxido de bismuto y titanio (Bi4 Ti3 O12), y determinaron, por difracción de rayos X, sus estructuras cristalinas [xi]. Previamente, la morfología de estas soluciones se caracterizó por microscopía óptica de polarización. La relevancia de estos estudios estructurales radica en que el óxido de bismuto y titanio, además de ser ferroeléctrico, puede producirse como un material cristalino bidimensional, por lo que es idóneo para fabricar dispositivos piezoeléctricos, electroópticos y de memoria.

En la Universidad de Sonora, el Dr. Ricardo Rodríguez Mijangos, un científico líder del Centro de Investigación en Física, creó, en colaboración con el Instituto de Física de la UNAM, monocristales de nuevos halogenuros alcalinos mixtos, tanto a partir de tres (KCl, KBr y RbCl) [xii] como de cuatro (KCl, KBr, RbCl y RbBr) fases puras [xiii]. Mediciones exactas y precisas de los parámetros de red, en patrones de difracción de rayos X de monocristal tipo "precesión Buerger" y de polvos, indican que las redes de estos sistemas mixtos satisfacen una Ley de Vegard generalizada.

Minerales.

En la Universidad de Guadalajara, el Dr. Guillermo Castellanos Guzmán, del Centro de Investigación en Materiales, junto con la Universidad de Colima y la de Kiel en Alemania, descubrió, bajo el microscopio electrónico de transmisión, la existencia de dominios cristalinos, llamados "antifase", en un miembro de la familia de las boracitas. La boracita es un mineral (Mg3 B7 O13 Cl) que se presenta embebido en forma monocristalina en depósitos sedimentarios de anhidrita, yeso y halita, con propiedades fuertemente piezoeléctricas y piroeléctricas. El compuesto estudiado (Ni3 B7 O13 Cl) sufre transiciones de fase de una estructura cúbica , con grupo espacial  F(-4)3m , a una estructura ortorrómbica, con grupo espacial  Pca21 , de propiedades ferroeléctricas y ferroelásticas. Se constató que los dominios antifase tienen fronteras planas paralelas a los planos cristalográficos (001) [xiv]. El descubrimiento de los dominios antifase en este compuesto pudiera indicar la existencia de una fase intermedia entre la cúbica y la ortorrómbica.

En el puerto de Ensenada de Baja California, el Dr. Miguel Ávalos Borja, del Centro de Ciencias de la Materia Condensada de la UNAM, experto en difractometrías de rayos X y electrones, cuenta con un trabajo que, en particular, ha llamado la atención del autor. Se trata de la investigación, en colaboración con el Dr. Shepherd, del Instituto de Investigación y Desarrollo del Sur de Australia, sobre la microestructura cristalina de la concha del abulón Haliotis corrugata de Ensenada [xv]. De acuerdo a este trabajo, cerca de la región en espiral de su concha, este gasterópodo deposita material cristalino en anillos finos y oscuros, teniendo cada anillo oscuro dos niveles microestructurales: una capa de calcita con estructura prismática y otra capa con estructura granular. Los Drs. Ávalos y Shepherd encontraron que entre estos anillos hay aragonita con ultraestructura cristalina en forma de placas, la cual cambia según la temperatura estacional del mar; además, que el abulón deposita un anillo oscuro cada año, después de los dos o dos y medio años de edad. Estos resultados permiten seguir cronológicamente a los individuos de esta especie, dotando así a México, por primera vez, de una técnica de fechado que es útil para aprovechar mejor la industria de la pesca en Ensenada.

Aceros y Aleaciones.

Fiel a la tradición que en el estudio de los aceros tiene el Departamento de Ciencia de Materiales de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del I.P.N., el Dr. Héctor Calderón Benavides ha descubierto desajustes entre la redes cristalinas de una aleación y las de las fases secundarias que precipitan como partículas dentro de ella, al evaluar cuantitativamente las imágenes de alta resolución y los patrones de haz convergente, formados con electrones difractados por aleaciones con níquel [xvi] . Tales desajustes ayudan a entender cómo se afectan las propiedades mecánicas, magnéticas y de absorción electromagnética, de la aleación con los tratamientos térmicos y los usos a los que se somete ésta, así como también con el tamaño y la colocación de los precipitados. Por su parte, el Dr. Gerardo Cabañas Moreno, de la misma escuela, aleó polvos mecánicamente para crear una nueva estructura cristalina, similar a la de la fase Ni2Ti4O [xvii]. El Dr. Arturo García Bórquez, también de la escuela citada, en colaboración con el Dr. Wilto Kesternich del Centro de Investigaciones de Jülich en Alemania, descubrió un efecto de inversión en la segregación que se efectúa en las fronteras de los granos cristalinos de ciertos aceros especiales irradiados con iones energéticos [xviii]. La relación encontrada entre esta inversión y la precipitación del material segregado, urge a rediseñar los métodos actuales que evitan la corrosión intergranular, por ejemplo, en los aceros usados en los reactores de fisión nuclear.

Cerámicas.

En Chihuahua, los Drs. Luis Fuentes Cobas y David Ríos Jara, cristalógrafos del Centro de Investigaciones en Materiales Avanzados, junto con el profesor Basilio Jiménez del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, estudiaron las cerámicas de "Aurivillius". Estas cerámicas, de fórmula química general Bi2An-1BnO3n+3  (donde A es Na+, K+, Ca2+, Sr2+, Pb2+ ó Bi3+, y B es Fe3+, Cr3+, Ti4+, Zr4+, Nb5+, Ta5+ ó W6+) fueron producidas por primera vez en México por la estudiante Thelma de los Ríos, y sus estructuras fueron refinadas, por el método "Rietveld", usando patrones de difracción de rayos X por polvos. También, se crearon algoritmos que predicen las propiedades de estas cerámicas a partir de sus estructuras y texturas cristalográficas [xix]. La estructura cristalina de una Aurivillius es una pila de  n  capas tipo "perovskita", de composición (An-1BnO3n+1)2-, intercaladas por láminas de (Bi2O2)2+(Fig. 3). Su temperatura de Curie, alrededor de los 900°C, hace de estas cerámicas unos excelentes sustitutos de materiales ferropiezoeléctricos tradicionales (con T. de Curie cercana a 400°C) cuando se requiere que el acoplamiento electroelástico no varíe a alta temperatura, como es el caso de ciertas piezas automotrices.

 

Figura 3. Modelo de la estructura cristalina de Aurivillius Bi2WO6 mostrando 8 celdas elementales. Las esferas grandes representan oxígenos, las medianas bismutos y las pequeñas tungstenos (figura: Luis Fuentes Cobas).

Catalizadores.

El Dr. Pedro Bosch Giral, del Departamento de Catálisis de la UAM en Iztapalapa, trabaja en uno de los escasos laboratorios mexicanos que se dedican al estudio, por dispersión a bajo ángulo de rayos X, de materiales desordenados, ya estén éstos constituidos por partículas metálicas muy pequeñas o por matrices amorfas, como es el caso de ciertos materiales catalíticos. La dispersión de rayos X a ángulo bajo por heterogeneidades en una matriz amorfa (ya sean poros en alúminas, o partículas metálicas sobre carbón, o proteínas en solución, o asfaltenos, etc.), provee de las llamadas "funciones de distribución radial", como preámbulo para conocer la distribución estadística de los tamaños de las heterogeneidades. Entre los resultados, se descubrió el efecto de valencia que causa el uranio en zeolitas [xx], y la influencia del aluminio trivalente en óxidos de fierro y zinc, obtenidos hidrotermalmente [xxi].

El Dr. Sylvain Bernès Flouriot, doctorado en el "Laboratoire de Chimie des Métaux de Transition" de la Universidad París VI bajo la dirección del Prof. Yves Jeannin, apoyó la investigación cristalográfica en la Facultad de Química de la UNAM, aplicando la difracción de rayos X a monocristales de moléculas pequeñas. Entre otras, resolvió las estructuras cristalinas de los complejos de coordinación de la "w-tiocaprolactama" (C6H11NS) con iones de metales pesados, como el mercurio, la plata y el cadmio [xxii]. La w-tiocaprolactama es una sustancia "extractante", que se usa para limpiar el medio ambiente de metales pesados con alta toxicidad. En el caso del ión Ag+, se determinó la estructura de un complejo de fórmula  [Ag4L8](NO3)4, donde L representa a la tiocaprolactama, en el cual el catión contiene un anillo de ocho átomos, cuatro de plata y cuatro de azufre (Fig. 4a). Para el ión Cd2+, de igual configuración electrónica que el ión de plata, se encontró que la estructura del complejo es mononuclear, de fórmula  CdL4(NO3)2  (Fig. 4b). Sus estudios mejorarán la eficiencia y la selectividad de este extractante, en favor del medio en el que vivimos.

Figura 4a. Modelos con elipsoides térmicos de las estructuras cristalinas de catión [Ag4L8]4+(fig.c/ permiso de Acta Cryst.).

Figura 4b. Modelos con elipsoides térmicos de las estructuras cristalinas de  complejo [CdL4(NO3)2] (L: tiocaprolactama) (fig.c/ permiso de Acta Cryst.).

En el Centro de Graduados e Investigación del Instituto Tecnológico de Tijuana, el Dr. Gerardo Aguirre Hernández, en colaboración entre otros con el Dr. Fernando Ortega Chicote, sintetizó y resolvió estructuras cristalinas que son relevantes en el campo de la catálisis [xxiii],[xxiv]. La primera estructura que se determinó, en su laboratorio de difracción de rayos X por monocristales, fué la del compuesto llamado "2,6-bis-(salicilaldimino) piridina" (Fig. 5a), el cual es un material básico para sintetizar coligandos para metales de transición, que se usan en la preparación de complejos "organometálicos" y "supramoleculares".

En Michoacán, el Dr. Jesús García Díaz, del Instituto Tecnológico de Morelia, junto con investigadores de la Universidad Eslovaca de Bratislava, determinó, por difracción de rayos X, las estructuras monocristalinas de complejos de coordinación que tienen aniones de "pseudohalidas" y ligandos neutros de "pirazo" e "imidazol". Se descubrió la formación de un nuevo ligando al agregar metanol a la "nitrosodicyametanida" [xxv]. La estructura cristalina consta de unidades discretas de fórmula [Ni{NO(CN)CC(OCH3)NH}2(pz)2] en las que el ión Ni2+ se coordina octahedralmente con seis nitrógenos (Fig. 5b). Aún cuando estos compuestos de coordinación han sido poco estudiados (sólo hay noventa y ocho de ellos en el banco de datos de la Universidad de Cambridge de 1999), su estructura cristalográfica los hace idóneos para catalizar heterogéneamente y polimerizar.

Cuasicristales.

Los Drs. José Reyes Gasga y Miguel José Yacamán, del Instituto de Física de la UNAM, estudiaron, con detalle y en tiempo real, la transformación que sufre la estructura cristalina de la aleación Al62 Cu20 Co15 Si3, a consecuencia de la incidencia de un haz de electrones [xxvi]. Durante la iluminación con electrones, el orden estructural de esta aleación pasa de ser cristalino a ser cuasicristalino. El sorprendente movimiento atómico, durante tal transformación, fué filmado en cinta de vídeo con un microscopio electrónico de transmisión (Fig. 6).  

Figura 6. Cambios causados por un haz electrónico en el patrón de difracción decagonal de un cuasicristal. (a) al inicio del proceso; (d) después de 15 minutos: el patrón se genera girando 36° una región rectangular, es decir, proviene de 10 granos cristalinos gemelados (microscopio de alta resolución JEOL 4000EX con 400KV; figura: José Reyes Gasga).

Fulerenos y Nanotubos.

El Dr. Rubén Alfredo Toscano, cristalógrafo de estructuras orgánicas del Instituto de Química de la UNAM, resolvió por primera vez en México la estructura de un compuesto del material llamado "futboleno" [xxvii]. Estos materiales, de la familia de los "fulerenos", se caracterizan por el hecho de que su módulo mínimo material, compuesto por sesenta átomos de carbono, tiene tal estructura tridimensional que los carbonos se distribuyen de manera semejante a como lo están las intersecciones de las costuras en un balón de fútbol (Fig. 7).  

Figura 7. Celda unidad del anión de fulereno con ioduro de bis-tetrafenilfosfonio (figura: Rubén Alfredo Toscano).

El Dr. Humberto Terrones Maldonado, del Instituto de Física de la UNAM (actualmente en estancia sabática con Harold W. Kroto, premio Nobel de Química 1996), es líder internacional en el estudio de estructuras cristalinas de baja dimensionalidad, como las de los materiales conformados por capas, tales como el grafito, el nitruro de boro y los disulfuros de molibdeno, de niobio y de tungsteno. Con el grupo del Prof. Kroto, sintetizó nanotubos de carbono con hierro en su interior, abriendo con ésto una gama de nuevas aplicaciones para estos materiales, sobretodo en la fabricación de dispositivos magnéticos de almacenamiento [xxviii]. También se estudió, tanto la influencia de la impureza boro en el control de la longitud y la quiralidad de los nanotubos de carbono [xxix], como las consecuencias debidas a defectos estructurales en las propiedades electrónicas y mecánicas de estos nanotubos [xxx]. Recientemente, se simularon las propiedades de nanotubos inorgánicos de disulfuro de molibdeno, encontrando que son semiconductores (Fig. 8).  

Figura 8. Modelo estructural de un nanotubo (8,8) de disulfuro de molibdeno (vistas superior y lateral). Las esferas gris claro representan átomos de azufre y las oscuras de molibdeno (figura: Humberto Terrones Maldonado).

Cristalogénesis Biológica.

La práctica de la cristalografía roentgenológica requiere de especímenes cuya red cristalina no cambie, ni siquiera en su orientación, en toda la extensión del volumen que ocupa el especímen, es decir, requiere de "monocristales" (también llamados "cristales únicos"). La importancia de las técnicas de crecimiento de monocristales es enfatizada por el Dr. Abel Moreno Cárcamo, del Departamento de Bioquímica del Instituto de Química de la UNAM, y experto en cristalización de macromoléculas biológicas por el método de "acupuntura en geles"[xxxi],[xxxii],[xxxiii]: "... el desarrollo de fármacos, vacunas y nuevos biomateriales, se basa en el conocimiento de la estructura tridimensional de macromoléculas biológicas de alto peso molecular (proteínas, ácidos nucléicos y  polisacáridos). El problema se puede resolver por dos vías, la primera es la resonancia magnética nuclear, que arroja datos de la estructura en solución, pero que, en el caso de macromoléculas de alto peso molecular, presenta espectros tan complicados que la resolución estructural se hace imposible. Así, la única vía para conocer la estructura tridimensional es, hasta el momento, la difracción de rayos X, la cual requiere de cristales con adecuada calidad óptico-estructural.... De ahí, que gran parte de las investigaciones en cristalografía de proteínas, se dediquen a la fisicoquímica del crecimiento de monocristales, como etapa inicial indispensable en  los proyectos de biología estructural, química biológica, o más recientemente, de ingeniería de proteínas. Esto ha dado nacimiento a una nueva área, llamada "Cristalogénesis Biológica", que forma parte ya de las ciencias del estado sólido".

Productos Naturales

El Dr. Manuel Soriano García, del Instituto de Química de la UNAM, tiene entre sus logros más relevantes el haber cristalizado la "heveina" [xxxiv], una proteína de bajo peso molecular proveniente del Hevea brasiliensis, planta conocida como "árbol del hule", y después haber encontrado su estructura [xxxv]. El Dr. Soriano ha impulsado la Cristalografía en México, como lo demuestran sus trabajos en colaboración con el Dr. Gerardo Aguirre Hernández, del Centro de Graduados e Investigación del Instituto Tecnológico de Tijuana [xxxvi],[xxxvii] y con el Dr. Ezequiel Huipe Nava, del Tecnológico Regional de Morelia.

 El Dr. Huipe Nava ha centrado su interés en compuestos derivados de la "parvifolina", sustancia que se obtiene de una planta regional del género Perezia; el cual contiene cerca de 20 especies de la familia Cactaceae. De entre estos compuestos, determinó las estructuras cristalinas de la "homopipitzolona" [xxxviii] y "parvipyran" [xxxix], previendo así su transformación en terpenoides naturales de interés químico y biológico.

Sistemas Supramoleculares.

La Dra. Alicia Reyes Arellano, de la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del IPN, en colaboración con el Instituto de Química de la UNAM y el Prof. Elies Molins i Grau, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, aprovechó que algunas supramoléculas se presentan en estado sólido para encontrar su estructura a través de la difracción de rayos X. Uno de sus trabajos más destacados es el estudio de las "bisiminas" en la síntesis supramolecular [xl].

En la Universidad de Morelos, el Dr. Herbert Höpfl, del Centro de Investigaciones Químicas, en colaboración con el Dr. Norberto Farfán García del CINVESTAV, diseña estrategias y procesos para sintetizar monocristales "supramoleculares" con el fin de caracterizarlos estructuralmente por difracción de rayos X. Un sistema supramolecular es un conjunto de moléculas en fase gaseosa, líquida o sólida, en el que, por lo general, un gran número de ellas están unidas de manera no covalente, ya sea a través de puentes de hidrógeno o de interacciones electrostáticas. En particular, el Dr. Hopfl se interesa en sistemas "macrocíclicos", es decir, moléculas que contienen anillos de átomos covalentemente unidos entre sí. Los Drs. Hopfl y Farfán demostraron [xli],[xlii] que la coordinación de compuestos de boro es la base para diseñar este tipo de sistemas nuevos, ya que las rutas de síntesis son más simples y más eficientes que las de los métodos tradicionalmente usados en química orgánica, entre otros factores por la capacidad del boro para coordinarse con el nitrógeno y formar ciclos termodinámicamente estables.

En Monterrey, Nuevo León, la División de Estudios Superiores de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL inauguró en 1998 un laboratorio de difracción de rayos X por monocristales gracias a los empeños de la Dra. Cecilia Rodríguez de Barbarín, quien después de doctorarse en dicha temática en la Universidad de Sheffield en Inglaterra, ingresó como investigadora a esa institución. Su intereses principal se centra en las estructuras cristalinas de nuevos ligandos macrocíclicos, y en particular resalta su trabajo en el que descubre que el brazo axial de un ligando tipo "base de Schiff", obtenido a partir de la "2-(2-piridilmetil)-1,3-propanodiamina", no interviene en la esfera de coordinación del Cu2+ durante la reacción en la que forma un complejo entre este ligando y sales de cobre [xliii]. En el campo de los compuestos sintéticos y naturales, ha determinado las estructuras cristalinas de las "Peroxisomicinas A1 y A2", las cuales son dos "hidroxiantracenonoas diméricas" provenientes de plantas del género Karwinskia parvifolia ; una de ellas ("A1") es selectivamente tóxica para células cancerígenas en hígado, pulmón y colon humanos in vitro, por lo que el conocimiento de la estructuras cristalinas de ambas es esencial para dilucidar a nivel atómico porqué una de ellas es anticancerígena y la otra no lo es [xliv].

Macromoléculas de Interés Médico.

El Dr. Alfonso Mondragón Ceballos, quien colaboró con Sir Aaron Klug en Cambridge en Inglaterra [xlv], trabaja en el Departamento de Bioquímica, Biología Molecular y Biología Celular de la Universidad del Noroeste en Illinois. Su interés se centra en las macromoléculas llamadas "topoisomerasas de ADN" de E. Coli [xlvi], las cuales son enzimas que cambian la topología del ADN. En particular, el Dr. Mondragón Ceballos resolvió la estructura tridimensional, con resolución de 2.2 Å, del fragmento N-terminal de la "topoisomerasa I de ADN" [xlvii], con un peso molecular de sesenta y siete kDa, encontrando que la cadena polipeptídica de esta enzima posee cuatro dominios alrededor de un agujero, el cual es suficientemente grande como para acomodar una cadena doble de ADN. Este resultado sugiere que el mecanismo por el cual esta enzima cataliza el paso de una cadena de ADN es a través de una rotura temporal de la segunda cadena. Recientemente, el Dr. Mondragón ha estudiado con detalle de qué manera la topoisomerasa I interactua con el ADN y cuáles son sus cambios conformacionales durante la reacción [xlviii], y también ha descrito cinco sitios probables donde el ADN interactúa con la enzima[xlix]. Casi en paralelo a los estudios anteriores, el Dr. Mondragón y sus colaboradores determinaron por primera vez la estructura de una topoisomerasa "tipo IA" (la "topoisomerasa III de ADN" de E. Coli) intacta y funcional [l]. Esta estructura muestra que todos los miembros de esta familia de enzimas tienen una estructura muy similar, ayudándolos a ampliar su modelo sobre el mecanismo de acción de este tipo de topoisomerasas. No obstante, esta última estructura tiene una sección de 17 aminoácidos que se proyecta hacia afuera, en forma de lazo, desde uno de los lados del gran agujero central. Este lazo puede estar involucrado en las reacciones de encadenación y desencadenación que actuan sobre el ADN.

El Dr. Adolfo E. Cordero Borboa, del Instituto de Física de la UNAM, en colaboración con el grupo de Lord David Phillips de la Universidad de Oxford en Inglaterra, determinó la estructura cristalina de la macroenzima "b-lactamasa II" de Bacillus cereus [li],[lii]. Esta enzima, con un peso molecular de 29 kDa y producida por bacterias patógenas, es una "penicilinasa", es decir que rompe el anillo "b-lactam" de las "penicilinas" y "cefalosporinas", destruyendo así su actividad antibiótica, y confiriendo por lo tanto a las bacterias una gran resistencia a los tratamientos médicos con estos fármacos. La dilucidación de la forma tridimensional de esta molécula, en particular de la geometría de su sitio activo (Fig. 9), ayuda a diseñar drogas que, sumunistradas junto con la penicilina, ocupan el lugar de ésta durante el proceso catalítico, permitiendo así que la penicilina arribe a los organismos patógenos, y devolviéndole a los antibióticos b-lactam su carácter de panacea médica.  

En Hermosillo, Sonora, el Dr. Rogerio Sotelo Mundo, del Laboratorio de Tecnología Marina del Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo, colaborando con el Dr. William Montfort de la Universidad de Arizona, determinó la estructura tridimensional de la enzima "timidilato sintetasa", la cual sintetiza un componente indispensable del ADN: el "deoxitimidilato monofosfato". La inhibición de esta enzima detiene el crecimiento celular, por lo que ya se han desarrollado fármacos que aprovechan tal mecanismo de acción en contra del cáncer. Para entender a nivel atómico la interacción molecular entre estos fármacos y las proteínas a las cuales están dirigidos, y puesto que la timidilato sintetasa de seres humanos no cristaliza en presencia de ligandos, se trabajó con la enzima proveniente de ratas (similar a la humana en un noventa por ciento). La estructura cristalina se resolvió por difracción de rayos X en presencia del fármaco llamado "Tomudex" y del substrato de la enzima, el "deoxiuridilato monofosfato" o dUMP (Fig. 10) [liii]. Se observó que este fármaco no inhibe a la enzima en forma covalente, como se había observado en la estructura de la enzima proveniente de bacterias. Este descubrimiento hace evidente una diferencia esencial en los mecanismos catalíticos de la timidilato sintetasa de mamíferos en relación a la de bacterias, la cual se usará, junto con otras diferencias estructurales encontradas a nivel de las secuencias de aminoácidos, para diseñar mejores fármacos.

Figura 10. Modelo de cinta de la estructura cristalina de la enzima timidilato sintetasa de rata en presencia del fármaco Tomudex y del substrato dUMP (izquierda). Mapa de densidad electrónica del complejo con Tomudex y dUMP (derecha). El fármaco adopta una conformación doblada y hace contactos de Van der Waals con el dUMP, y la cisteína 189 no hace enlace covalente con el dUMP (figura: Rogerio Sotelo Mundo).

La Dra. Adela Rodríguez Romero, cristalógrafa de proteínas del Instituto de Química de la UNAM, cuenta, entre sus resultados más recientes, con las determinaciones de dos estructuras cristalinas de interés médico. Una de ellas es la del fragmento que posee los sitios de unión, llamado fragmento "Fab",  del anticuerpo "anti-E-selectina 7A9" [liv], y la otra es la de la enzima "dimérica triosafosfato isomerasa" de Trypanosoma cruzi, en el disolvente "hexano" [lv]. El anticuerpo anti-E-selectina 7A9 tiene como función inhibir la unión de los "neutrófilos" a la proteína "E-selectina", la cual se expresa en células endoteliales durante procesos inflamatorios. Al encontrar la estructura de este fragmento Fab (Fig. 11), se supo que el sitio de unión tiene un tipo de cavidad que le asemeja más a los sitios de unión de los anticuerpos anti-péptido que a los de los anti-proteína. En cuanto a la enzima dimérica triosafosfato isomerasa, el Trypanosoma cruzi es un protozoario flagelado parásito de la sangre de vertebrados, y agente de la enfermedad de "Chagas"en México y Sudamérica. Todavía no hay una droga que cure la infección de T. Cruzi. En la última década ha crecido el interés por las estructuras tridimensionales de enzimas en disolventes no acuosos, ya que se ha propuesto que la estructura en estos disolventes podría revelar los sitios de unión de moléculas de disolvente orgánico, como punto inicial para el diseño de drogas.

Figura 11. Sobreposición de los modelos de las cadenas de carbonos alfa de los anticuerpos "7A9" (anti-E-selectina), en verde, y "R6.5" (anti-integrina 1), en rojo (izquierda). Mapa de densidad electrónica 2F0-FC, con contorno de uno sigma, de la región de complementaridad "L3" (derecha) (figura: Adela Rodríguez Romero).

En Cuernavaca, Morelos, el Dr. Eduardo Horjales Reboredo, del Departamento de Reconocimiento Molecular y Biología Estructural del Instituto de Biotecnología de la UNAM, en colaboración con otros investigadores de ese instituto y de la Universidad de Sao Paulo en Brasil, determinó en los últimos años las estructuras cristalinas de los complejos "R" (activado) y "T" (no catalítico) de la enzima "glucosamina 6-fosfato desaminasa" de E. coli y humana, con resoluciones de 2.1 y 2.3 Å [lvi],[lvii]. Las dilucidaciones de estas estructuras permiten describir la activación alostérica y la catálisis de esta enzima, a nivel atómico. Además de esta contribución, el Dr. Horjales y sus colaboradores, en especial el Dr. Lourival Possani, diseñaron un conjunto de variantes de anticuerpos anti-toxina de alacrán (Centruroides noxius), partiendo de la información estructural que se tiene del complejo toxina-anticuerpo, el cual ha sido estudiado para el caso de un anticuerpo monoclonal que neutraliza el veneno de este animal [lviii]. Experimentalmente, estas variantes se generan, usando técnicas de despliegue en "fagos", con el fin de obtener anticuerpos recombinantes (producidos por E. Coli) que son útiles como sueros anti-alacránidos. Estos estudios son relevantes ya que hay 25 especies de alacranes, dentro de 8 géneros, que poseen venenos tan potentes como para matar seres humanos. En México, después de las serpientes y las abejas, los alacranes causan más muertes que cualquier otro animal no parásito.

 

El conjunto de citas recién expuesto hace referencia a algunos ejemplos de las diferentes investigaciones cristalográficas mexicanas. La calidad y el número, cada vez mayores, de estos trabajos, se evidencían por la presencia de la bandera nacional, ondeando en la ciudad de Glasgow, Escocia, durante el Congreso Internacional de Cristalografía a finales de 1999 (Fig. 12).

 

Agradecimientos.

El autor agradece a todos aquellos cristalógrafos que aportaron diligentemente información  para enriquecer esta reseña. Así también, a la Mtra. Guadalupe Villaseñor Cabral por aclarar la localización de la mina de la Purísima del Cardonal, al Fís. Edilberto Hernández Juárez por su apoyo técnico, y al Sr. Rodrigo Unda Angeles por procesar y editar el texto y las imágenes.

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