Daño causado por rayos X

Utilizando un potente láser de rayos X se ha explorado en detalle la dinámica del rompimiento de moléculas de agua en tejidos biológicos.

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Por: Vicente Aboites

Utilizando un potente láser de rayos X se ha explorado en detalle la dinámica del rompimiento de moléculas de agua en tejidos biológicos. Este trabajo muestra cómo las moléculas son fragmentadas por la radiación de alta energía creando radicales y iones cargados que pueden iniciar reacciones dañinas en el organismo.

El trabajo fue publicado el pasado seis de diciembre y realizado en el Deutsches Elektronen Synchroton DESY en Alemania. Los resultados fueron publicados en: T. Jahnke et al., “Inner-Shell-Ionization-Induced Femtosecond Structural Dynamics of Water Molecules Imaged at an X-Ray Free-Electron Laser”, Physical Review X, 2021; 11 (4). 

El numeroso equipo internacional de investigadores fue liderado por el Dr. Till  Jahnke de la Universidad de la Sorbona en París.  Dado que el agua está presente en todo organismo vivo, el rompimiento de la molécula de H2O por medio de radiación, proceso llamado fotólisis, es frecuentemente el punto inicial del llamado “daño por radiación”. Sin embargo, la sucesión de reacciones que se ocasionan en el cuerpo por la radiación de alta intensidad no está aún completamente comprendida.

Por ejemplo, la observación de iones cargados individualmente cuando absorben radiación de alta intensidad es un proceso bastante difícil. Para analizar la secuencia de reacciones, los investigadores disparan un o varios pulsos intensos de rayos X, las moléculas de agua normalmente se desintegran al absorber estos energéticos fotones y la trayectoria de las moléculas y los fragmentos producidos entre los procesos de absorción deja una huella clara que permite determinar la dinámica ultrarrápida (del orden de femtosegundos) de lo que ocurre en la molécula de agua al absorber el fotón de rayos X. Se ha descubierto que la desintegración de las moléculas de agua es muy complicada pues los átomos que la componen se expanden antes de eventualmente romper la molécula. 

Esto es: normalmente los dos átomos de hidrógeno en una molécula de H2O forman un ángulo específico de 104 grados con el átomo de oxígeno, pero al absorber el energético fotón este ángulo puede incrementarse hasta 180 grados antes de desintegrarse.

El instrumento clave para realizar toda esta investigación es el láser de electrones libres con que cuenta el laboratorio DESY. Normalmente un láser utiliza un medio activo que puede ser sólido, líquido, gaseoso o de plasma, por ejemplo, el cristal del Rubí, la Rodamina, el gas Bióxido de Carbono o un plasma de átomos de Cadmio. La característica más importante del láser con que cuenta este laboratorio, es que utiliza como medio activo un haz de electrones y no átomos o moléculas, como los láseres mencionados anteriormente.  

Este haz de electrones se introduce en un campo magnético periódico llamado “ondulador” y allí se producen procesos análogos a la absorción y amplificación estimulada que ocurren en un láser convencional, con la extraordinaria ventaja de que la longitud de onda de emisión del láser puede sintonizarse en un amplísimo rango de frecuencias. Esto les da a los láseres de electrones libres una versatilidad insuperable ya que los láseres que utilizan átomos, iones o moléculas como medio activo están limitados a operar en longitudes de onda específicas que corresponden a las transiciones cuánticas permitidas y estas no se pueden variar. Esta limitación no la tienen los láseres de electrones libres y pueden entonces operar en longitudes de onda que van desde los rayos X hasta las ondas de radio en pulsos extremadamente cortos que debido precisamente a su corta duración permiten observar procesos a nivel atómico y molecular. 

Podemos tener una idea más clara de estos experimentos, recordando cómo se ven los jóvenes que alegremente bailan en una discoteca cuando son iluminados por una lámpara estroboscópica. Debido a los pulsos cortos e intensos de esta lámpara podremos ver “imágenes congeladas” de los bailarines que se abrazan o se separan. Exactamente lo mismo ocurre cuando usted ilumina con un pulso láser una molécula. La sucesión de pulsos ultracortos es tal que le permite determinar que ocurre con los átomos a nivel molecular y al momento de disociarse durante el proceso de fotólisis.

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