De los 50 a los 70: UCA sin límites

Los historiadores científicos están de acuerdo en que el período transcurrido entre la década de 1950 y la de 1970 representó el primer “momento de auge” de la UCA. 9

En 1951, se vendieron no menos de 70 ultracentrífugas Spinco Modelo E, y a finales de la década se utilizarían hasta cuatro veces más.

Arnold Beckman

Dr. Arnold Beckman

Jonas Salk y Albert Sabin, que presentaron la vacuna de la poliomielitis en 1954, habían utilizado una ultracentrífuga para aislar el poliovirus. No se puede destacar suficientemente el impacto que esta vacuna ha tenido, y sigue teniendo, en las vidas de millones de personas en todo el mundo. Incluso hoy, el poliovirus sigue siendo un sistema modelo útil para comprender la biología de otros virus ARN perniciosos, como los de la fiebre del Nilo Occidental, el síndrome respiratorio agudo grave (SRAG) y el ébola.

También en 1954, el químico inventor del medidor de pH (entre otros instrumentos analíticos) y exprofesor de Caltech, Arnold Beckman, reconociendo el potencial de la tecnología de la UCA, compró una Spinco. Posteriormente, creó la división Spinco de su empresa de 20 años de antigüedad, Beckman Instruments.

Poco tiempo después, casi todos los departamentos de bioquímica de Estados Unidos tenían un instrumento de UCA (la mayoría de ellos la Spinco Modelo E), que en esos años se usó principalmente para las mediciones sistemáticas de coeficientes de sedimentación y peso molecular.

La empresa de Arnold Beckman, así como su moderna descendiente Beckman Coulter Life Sciences, emergería como líder indiscutible en la tecnología de UCA en todo el mundo, una posición que todavía conserva hoy en día.

Schachman, impresionado

No obstante, Beckman no fue el único que merece un crédito significativo por el “momento de auge” de la UCA en la década de 1950. Entre muchos otros, comparte ese honor con el bioquímico Howard K. Schachman, que en 1948 se había unido a la facultad de Berkeley, que, casualmente, estaba a menos de 650 km de Beckman Instruments en Pasadena (esa no sería la única coincidencia relacionada con la UCA que vincule a estos dos científicos famosos).

Schachman, que décadas más tarde escribiría sobre su “historia de amor con la ultracentrífuga10”, desempeñó un papel central en alentar a Ed Pickels en Spinco a experimentar con mejoras para la ultracentrífuga, como la adición de óptica de absorción, de la que Svedberg utilizó una versión temprana 30 años antes.

Schachman fue de igual modo importante para fomentar la integración de un monocromador y, más tarde, para sugerir incorporar un interferómetro de Rayleigh. Gracias en parte a estas adaptaciones a la tecnología de UCA en la década de 1950, Schachman, por sí mismo, desempeñaría a la larga un papel clave en el descubrimiento de los ribosomas, que supuso un paso inestimable en nuestra capacidad de descifrar cómo se sintetizan las proteínas.

Fotografía de Howard Schachman

Portrait of Howard Schachman

La segunda coincidencia de Beckman/Schachman se remonta a la luna de miel de Schachman en San Francisco en 1945. Estando allí, hizo algunas investigaciones sobre la viabilidad de obtener una ultracentrífuga construida para la Marina de Estados Unidos. Eso le llevó a reunirse con un hombre llamado Morris Hanafin, que también estaba buscando a alguien para construir una ultracentrífuga. Partiendo de los conocimientos que ya tenía, Schachman le dijo a Hanafin que el hombre con el que tenía que ponerse en contacto era Ed Pickels.

Esa crucial reunión sentó las bases para que Hanafin y Pickels uniesen fuerzas y creasen Spinco, una empresa que Arnold Beckman compraría menos de una década más tarde. Y que, con el tiempo, produciría el instrumento que se convertiría en objeto de una gran devoción por parte de Schachman.

Por supuesto, Schachman no fue el único en la década de 1950 que experimentaba con variaciones en las técnicas básicas de la UCA.

En una adaptación creativa en 1958, Matthew Meselson y Franklin Stahl usaron cloruro de cesio a alta concentración para separar los ácidos nucleicos con una ultracentrífuga, lo que permitió una resolución elegante del problema de replicación del ADN. La utilización de un gradiente de densidad en la ultracentrífuga analítica Spinco Modelo E para probar el mecanismo de semiconservación de la replicación del ADN se considera ampliamente “el experimento más hermoso en biología”.

Aunque Schachman sin duda estaría de acuerdo con esa descripción del experimento, no estaría necesariamente de acuerdo con Meselson sobre los protocolos de UCA.

Durante una excedencia del laboratorio de biología marina de Woods Hole, Massachusetts, Schachman se encontró a un estudiante que también había estudiado con Meselson. Para gran asombro de Schachman, este estudiante parecía estar aterrorizado por la ultracentrífuga. La causa principal de este miedo fue que Meselson se negaba a dejar que sus estudiantes se acercasen a su ultracentrífuga por miedo a las calamidades que pudieran producirse.

Apesadumbrado porque nadie sintiese lo mismo por la tecnología que tanto amaba, Schachman no dudó en proporcionar a sus estudiantes una experiencia práctica utilizando la UCA, escribiendo más tarde que estaba seguro de que las preocupaciones de Meselson sobre la posibilidad de que los estudiantes dañasen el instrumento eran injustificadas.

La expresión definitiva del afecto de Schachman por la UCA aparecería en 1959, con la publicación de su libro Ultracentrifugation in Biochemistry (Ultracentrifugación en bioquímica). Este libro de texto de 272 páginas se convertiría en la nueva biblia de la UCA, eclipsando al libro al que el propio Schachman había llamado su biblia de la UCA, The Ultracentrifuge (La ultracentrífuga) de Svedberg y Pederson.

La publicación del libro de texto de Schachman marcó un digno final para una década transcendental en la historia de la UCA. Durante la década de 1960, Schachman y otros, entre ellos Jack Williams, David Yphantis y K.E. van Holde, usaron la UCA para hacer un trabajo innovador. A lo largo de lo que más tarde se llamaría una “década turbulenta”, nuestro conocimiento de las proteínas, los ribosomas, el ADN y los virus se amplió y perfeccionó drásticamente.

Soluciones para los desafíos analíticos

Otro hito significativo en la historia de la UCA llegó en 1962 con la publicación de la teoría matemática de análisis de la sedimentación de Hiroshi Fujita.

Solo unos años antes, Fujita había resuelto el histórico problema de cómo los efectos combinados de la difusión y la dependencia de la concentración del coeficiente de sedimentación de un soluto determinan la forma de un límite de sedimentación.

La primera monografía de Fujita se consideró comúnmente la obra de referencia en el análisis matemático de los experimentos de ultracentrifugación durante los siguientes 13 años. Evolucionaría significativamente solo en 1975, con la publicación de las Bases del análisis ultracentrífugo de Fujita.

Fotografía de Hiroshi Fujita

Portrait of Hiroshi Fujita

Gracias en gran parte a la labor de Fujita en el análisis de experimentos de sedimentación, la UCA experimentó un importante impulso ascendente en la década de 1970. En 1980, se calcula que existían 2000 instrumentos UCA en uso en todo el mundo.3

Se convirtió en una técnica utilizada habitualmente para evaluar el peso molecular de una solución de biopolímeros, así como los complejos moleculares que formaban. Los investigadores también dependían de la UCA para determinar la homogeneidad y la forma de estas biomoléculas o complejos, y caracterizar las propiedades de agregación con ellos mismos (autoasociación) u otros componentes (heteroasociación).11

Lamentablemente, Svedberg no viviría para ser testigo de dicho uso generalizado de la tecnología que inventó décadas antes. Falleció en su país de origen, Suecia, en 1971 a los 87 años.

Por otra parte, Svedberg se libró de ver la disminución de la influencia de la UCA a principios de la década de 1980.

Porque en solo unos años, el impulso ascendente de la UCA empezaría a desacelerarse.

3 Serdyuk IN, Zaccai NR, Zaccai J. Methods in molecular biophysics: structure, dynamics, function. 1.ª ed. Nueva York (NY): Cambridge University Press; 2007.
9 Harding SE. Analytical Ultracentrifugation and the genetic engineering of macromolecules. Biotechnol Genet Eng Rev 1993;11:317-356.
10 Schachman H. Still looking for the ivory tower. Annu Rev Biochem 2000;69:1–29.
11 Berkowitz SA, Philo JS. Characterizing biopharmaceuticals using analytical ultracentrifugation. En: Houde DJ, Berkowitz SA, editores. Biophysical characterization of proteins in developing pharmaceuticals. Waltham (MA): Elsevier; 2015.