GRAMORy Christensen tenía 15 años y estaba en el undécimo grado cuando participó en un proyecto de “ciencia ciudadana” para comprender cómo se forman los diferentes cristales en las conchas de mejillón. Pero a diferencia de la mayoría de los experimentos escolares, las muestras que ella y sus 1.000 compañeros de secundaria prepararon fueron luego explotadas por científicos en un acelerador de partículas, utilizando rayos X 10 mil millones de veces más brillantes que el Sol.

«Fue un poco revelador», dice Christensen sobre el estudio, llamado Proyecto M, en el que participaron estudiantes de 110 escuelas. Prepararon diferentes muestras de carbonato cálcico (el componente principal de las conchas de mejillón) que los científicos examinaron en el Instituto Nacional del Reino Unido. sincrotrón (un tipo de acelerador de partículas circular), la Diamond Light Source en Oxfordshire. El objetivo era ayudar a los científicos a comprender mejor cómo formar diferentes tipos de estructuras cristalinas a partir de la misma sustancia química. “Después de eso, me interesé más por la química”, dice Christensen, que estudió ciencias agrícolas en Gråsten Landbrugsskole en Dinamarca. «La química realmente me ayudó a comprender mejor el mundo natural».

Pero si bien este enfoque puede ser nuevo, comprender cómo se forman los cristales es un viejo problema con serias ramificaciones. La estructura cristalina puede afectar la resistencia del acero e incluso la actividad terapéutica de los fármacos desarrollados para tratar el SIDA y la enfermedad de Parkinson.

El carbonato de calcio es el compuesto principal de rocas como la tiza, la piedra caliza y el mármol, que se derivan de materiales orgánicos, incluidas las conchas. Es responsable de esas molestas manchas de cal alrededor de los grifos y tiene aplicaciones útiles, desde pastillas antiácidas hasta bloques de hormigón. “El carbonato de calcio está a nuestro alrededor”, dice la Dra. Claire Murray, química que dirigió el Proyecto M en 2017 junto con un colega y colega químico de Fuente de luz de diamante, Dra. Julia Parker. Pero un gran desafío es controlar sus formas cristalinas.

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Un cristal es un sólido en el que los componentes están dispuestos en un patrón muy ordenado y repetitivo, y la forma de este patrón (la estructura cristalina) determina las propiedades del material. Un ejemplo común del efecto de la estructura cristalina es el carbono, útil para tomar notas cuando los átomos están en láminas de red alveolar en grafito (grafito), pero mucho más difícil y mucho más costoso cuando los átomos están dispuestos en la estructura cristalina cúbica que forma diamante.

En otros materiales, el control sobre las posibles estructuras cristalinas (o “polimorfos”) de una sustancia ha sido una cuestión de vida o muerte. A principios de los años 1980, la esperanza de vida después de un diagnóstico relacionado con el SIDA era menos de dos años. Los resultados de los pacientes comenzaron a mejorar significativamente a mediados de la década de 1990, gracias al desarrollo de tratamientos antirretrovirales, incluido un fármaco llamado ritonavir. Sin embargo, dos años después de su lanzamiento inicial en 1996, el fármaco fue retirado del mercado debido a problemas de estabilidad. su estructura cristalina.

Las cápsulas de ritonavir originalmente se dispensaban con el componente activo en una solución altamente concentrada. Desafortunadamente, estas condiciones hacen que el fármaco activo cambie su estructura, volviéndose menos soluble que el original y, por tanto, mucho menos eficaz como fármaco. Desde entonces, el desarrollo de nuevos fármacos ha resuelto el problema. Sin embargo, el medicamento para el Parkinson rotigotina enfrentó problemas similares con una estructura cristalina menos soluble que surgió en 2008, lo que provocó una retirada de lotes en Europa, mientras que en los EE. UU. el medicamento estuvo agotado hasta 2012, cuando los desarrolladores del medicamento habían encontré un rediseño.

«Hay muchos ejemplos recientes, pero no todos son públicos», dice el Dr. Marcus Neumann, director ejecutivo y director científico y técnico de Avant-garde Materials Simulation (AMS), una empresa alemana que desarrolla software para predecir estructuras cristalinas. “Los ejemplos salen a la luz cuando afectan a un medicamento que ya está en el mercado. Y, afortunadamente, eso no sucede muy a menudo”.

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'No es sólo un experimento escolar': un científico del Proyecto M de Sprowston Community Academy, Norwich. Fotografía: Fuente de luz de diamante

Durante más de 20 años, AMS ha estado perfeccionando códigos informáticos que pueden predecir qué estructuras cristalinas podrían formarse para un compuesto químico determinado, para ayudar a las compañías farmacéuticas a detectar polimorfos problemáticos antes de que un medicamento llegue al mercado. En 2019AMS demostró que su código podía predecir la aparición de una forma problemática de rotigotina. Actualizaciones recientes El algoritmo incorpora los efectos de la temperatura y la humedad y también utiliza comparaciones con datos de estructura cristalina de compañías farmacéuticas con las que ha trabajado AMS, incluidas AstraZeneca, Novartis, AbbVie (que ahora produce ritonavir reformulado) y UCB Pharma (que produce parches reformulados de rotigotina). ).

Sin embargo, identificar las condiciones experimentales necesarias para producir un cristal específico sigue siendo un desafío, ya que pueden ocurrir diferentes estructuras con pocos cambios en las condiciones, y una estructura puede cambiar a otra. Puedes imaginarlo como naranjas apiladas en una caja. Puedes dibujar una cuadrícula cuadrada de naranjas y equilibrar cada naranja en la capa de arriba directamente sobre la naranja de abajo, y se mantendrán bien equilibradas por un tiempo. Sin embargo, solo un toque hará que las naranjas de arriba se acomoden en el espacio entre las naranjas de la capa de abajo: la estructura más estable.

«Todavía hay mucha necesidad de experimentación porque muchos factores no se entienden al 100% cuando se trata de cómo lograr ciertas estructuras cristalinas», dice el Dr. Adam Raw, jefe de I+D de ciencia de materiales en la división de ciencias biológicas de Merck. Destaca la “gran cantidad de factores que pueden entrar en juego” a la hora de introducir aditivos para empujar el sistema hacia una determinada estructura cristalina, precisamente el enfoque que investigó el Proyecto M.

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Un espécimen de aragonita, una de las tres formas cristalinas naturales más comunes de carbonato de calcio. Fotografía: David Hayes/Alamy

El carbonato de calcio tiene tres posibles estructuras cristalinas: aragonita, vaterita y calcita. Un mejillón cultiva selectivamente lo que necesita (por ejemplo, la calcita más duradera para la capa exterior) y «sin utilizar condiciones químicas duras», dice la Dra. Julia Parker. «Solo aditivos, moléculas orgánicas». Parker y Murray se preguntaron si el aditivo adecuado en la concentración adecuada les ayudaría a controlar el crecimiento de vaterita frente a calcita.

En Diamond Light Source, la pareja pudo distinguir rápidamente pequeños cambios en la estructura cristalina de cientos de muestras examinando las trayectorias de los rayos X de sincrotrón a medida que se propagan a través de la estructura de cada cristal. (El sincrotrón acelera los electrones, que emiten rayos X a medida que cambian de dirección para moverse a su alrededor). El cuello de botella estaba preparando todas las muestras -para probar factores como el aditivo utilizado, la concentración y el tiempo de mezcla- hasta que surgió la idea de trabajar con el Reino Unido. escuelas, explorando similitudes en laboratorios y condiciones ambientales.

Christensen y sus colegas de Didcot Girls' School, con sede cerca de Diamond, fueron los primeros en probar los kits de preparación de muestras y ayudaron a guiar a Parker y Murray hacia el equipo y las instrucciones necesarias en cada kit. Los datos necesarios para caracterizar cada muestra se recogieron en tan solo un día en el sincrotrón.

Los resultados, publicado en enero de este año, ayuda a aclarar las condiciones que favorecen o impiden significativamente la formación de vaterita y proporciona información sobre cómo se forman estos cristales. «Creo que han avanzado al mostrar qué factores tienen más probabilidades de corresponder a la biomineralización (criaturas vivas que producen minerales) y la formación de estos cristales de carbonato de calcio en aplicaciones biológicas», dice Raw. «Pero claramente hay mucho más trabajo por hacer». Sin embargo, los resultados del proyecto no fueron sólo científicos: los participantes de la escuela entusiasmados con la química se presentaron más tarde en Diamond para entrevistas de prácticas.

«Con el proyecto era como si estuvieras haciendo algo para el mundo real, y no sólo una experiencia escolar», dice Christensen.

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