La década de 1930: nuevos rayos de luz inspiran a Pickels

A medida que las noticias sobre la ultracentrifugación analítica comenzaron a extenderse por todo el mundo, los científicos emprendedores de la década de 1930 empezaron a considerar formas en las que podría mejorarse.

A principios de esa década, el químico francés Émile Henriot desarrolló una centrífuga que logró altas velocidades de giro a través de una parte superior sin cojinetes, impulsada por aire comprimido. Esto ayudó a preparar el camino para usar la ultracentrífuga para la preparación de muestras.

La década de 1930 también vio el desarrollo y la adopción de un sistema óptico de Schlieren, que dominaría la aplicación de la UCA durante décadas.3

Jesse Wakefield Beams

Jesse Wakefield Beams

Pero, con diferencia, el paso más importante en el progreso de la UCA comenzó con el físico estadounidense Jesse Wakefield Beams, quien, inspirado por el sistema de Henriot, creó lo que llamó su propia versión de una ultracentrífuga. En realidad, este nuevo aparato se adaptó a partir de una de las creaciones anteriores de Beams, una cámara de alta velocidad.

Esta cámara constaba de espejos de giro rápido montados sobre partes superiores cónicas de centrifugado. Al igual que sucedía con la centrífuga de Henriot, sus partes superiores se accionaban con aire comprimido.

Cuando empezó a hacer huecas las partes superiores de centrifugación, Beams estaba creando, de hecho, pequeñas centrífugas, aunque las llamó ultracentrífugas, debido a las altas velocidades giro que consiguió con algunos de sus rotores (supuestamente de 180 000 a más de 1 millón de rpm). No es sorprendente que estas velocidades increíbles calentasen el rotor, lo que provocaría corrientes de convección en soluciones de sedimentación. A medida que Beams abordaba la resolución de este problema, uno de sus estudiantes más prometedores en la Universidad de Virginia, Edward Greydon Pickels, también se enfrentó al desafío de perfeccionar la invención de Beams

En 1935, Pickels había resuelto el problema de los rotores sobrecalentados diseñando un instrumento con un rotor que centrifugaba en un vacío (en contraste, el diseño anterior de Svedberg incluía un rotor alojado en una atmósfera de hidrógeno de baja presión).1

Con el problema de las corrientes de convección solucionado, la ultracentrífuga de Pickels, como la de Svedberg, podría alcanzar fuerzas próximas a 1 millón × g. Esto impresionó tanto a los científicos del Rockefeller Institute for Medical Research de Nueva York que contrataron a Pickels para desarrollar aún más el instrumento para su uso. Este se propuso desarrollar dos instrumentos diferentes: una ultracentrífuga preparativa que se utilizó principalmente para concentrar virus y una ultracentrífuga analítica para determinar tamaños de partículas.

“Dos tipos de centrífugas parecían esenciales”, escribió Pickels en 1937 sobre su trabajo. “Uno, para la concentración y la purificación de virus, y por lo tanto capaz de acomodar una cantidad relativamente grande de líquido; el otro, con un sistema óptico adecuado, para el estudio de las características físicas de los virus mediante la determinación de sus constantes de sedimentación en un campo centrífugo intenso”. 7

Trabajando con su nuevo compañero del Rockefeller Institute, Johannes H. Bauer, Pickels perfeccionó aún más su versión de la ultracentrífuga analítica, que, al igual que la de Svedberg, sigue funcionando de forma muy parecida a los instrumentos de UCA de hoy en día.

La cámara tenía dos ventanas de cuarzo para permitir la observación y la fotografía de sedimentaciones. Cada disco de cuarzo se cementó en un bastidor de latón circular, que se fijó a una placa de acero. Se utilizaron arandelas de goma entre los marcos de la ventana y las placas de acero para formar juntas de vacío.

Encima de la ventana superior, una sección de tubos metálicos se conectaba a los fuelles de la cámara y protegía la ventana del polvo al tiempo que salvaguardaba el sistema de cámara de la luz parásita. Para las exposiciones fotográficas, se insertó un obturador electromagnético en la ruta de la luz óptica por encima de la ventana inferior.

Con ciertas modificaciones menores, los sistemas ópticos adaptados a la ultracentrífuga impulsada por aire de Pickels/Bauer fueron extraordinariamente similares a los diseñados por Svedberg para su ultracentrífuga con una unidad de turbina de aceite.7

La cámara de vacío y los mecanismos de

The vacuum chamber and driving mechanism of Pickels’ ultracentrifuge

Mientras Pickels y Bauer estaban trabajando en su nuevo diseño de instrumento de UCA, Beams también se mantenía con su propia ultracentrífuga de vacío, prestando atención a comercializar su diseño a otros investigadores.

Aunque su diseño refinado se consideró generalmente más sencillo y fácil de usar que otros, la ultracentrífuga de vacío de Beams logró una distribución limitada entre los científicos de esa época. En 1937, se comercializó ampliamente, pero a la larga demostró ser un fracaso comercial. Solo unos años después, una empresa con sede en Estocolmo empezó a comercializar la ultracentrífuga de Svedberg. También fue una decepción comercial, probablemente debido a su precio de 20 000 USD.6

Sedimentación de albúmina de huevo cristalina en solución al 1 % a una velocidad de 60 000 rpm; fotografías tomadas a intervalos de 20 minutos

Sedimentation of crystalline egg albumin in 1% solution at a speed of 60,000 RPM; photographs taken at 20-minute intervals

Beams, cuya pasión siempre había sido la física, llegaría a realizar una importante contribución a la ciencia como un pionero en el uso de la ultracentrífuga para separar isótopos atómicos de uranio, que le valió un papel importante como parte del Proyecto Manhattan.

En las ciencias de la vida, sería Pickels, su antiguo alumno, quien realizaría algunas de las contribuciones más importantes a la historia de la UCA.

No obstante, tras la decepcionante respuesta del mercado a las ultracentrífugas analíticas en Estados Unidos y Europa, la trayectoria ascendente de la UCA parecía haberse estancado.

De hecho, tardaría aproximadamente otra década en aparecer una ultracentrífuga analítica con éxito comercial.

1 Koehler CSW. Developing the ultracentrifuge. Today’s Chemist at Work 2003:(2)63-66.
3 Serdyuk IN, Zaccai NR, Zaccai J. Methods in molecular biophysics: structure, dynamics, function. 1.ª ed. Nueva York (NY): Cambridge University Press; 2007.
6 Bud R, Warner D, editores. Instruments of science – an historical encyclopedia (Garland encyclopedias in the history of science). 1.ª ed. Nueva York (NY): Garland Publishers, Inc.; 1998.
7 Bauer JH, Pickels EG. An improved air-driven type of ultracentrifuge for molecular sedimentation. Nueva York (NY): The Laboratories of the International Health Division, The Rockefeller Foundation; 1937.