El ADN en busca de la materia oscura

Un grupo de físicos y biólogos planean construir un detector de materia oscura basado en el ADN que superaría en precisión y bajo coste a cualquier detector disponible en la actualidad.

Tal vez la carrera principal y más duramente disputada en la ciencia moderna es la búsqueda de la hipotética materia oscura. Esta materia no se puede ver, de ahí el nombre, sin embargo su existencia se puede deducir de su influencia gravitatoria sobre la las galaxias y cúmulos de galaxias. Esto implica que el universo está lleno de materia oscura, mucha más que de la materia que podemos ver. Se calcula que la materia oscura constituye el 22% de la masa total del Universo. Junto a ella se encontraría la energía oscura, que sería el 74%. En el Universo visible un 3,6% que correspondería al gas intergaláctico y un escaso 0,4% sería la proporción debida a toda la materia presente en todas las galaxias, estrellas, planetas y demás objetos visibles del Universo.

Lente gravitacional obtenida por el telescopio Hubble

Si tienen razón los expertos, la materia oscura debe llenar nuestra galaxia, la Vía Láctea, y nuestro Sistema Solar. En este mismo instante debemos estar abriendo una brecha a través de un denso mar de materia oscura ya que, al orbitar el Sol alrededor del centro galáctico, todo el Sistema Solar se mueve hacia la constelación de Cygnus (el Cisne) a una velocidad de 220 Km/s. A esta velocidad hay que sumar la del giro de la Tierra alrededor del Sol, 30 Km/s, cuando se mueve en la misma dirección del Sol durante la mitad del año, y restarla cuando va en la dirección contraria durante la otra mitad. La señal de la materia oscura debe venir, por lo tanto, de la dirección del Cisne, lo que implica que un detector adecuado debe ver el cambio de dirección mientras la Tierra rota cada día y ésta debe variar, además, en el transcurso de un año.

Actualmente varios grupos de astrofísicos están compitiendo para detectar esta materia utilizando carísimos detectores situados en cavernas a unos 100 Km de profundidad donde están protegidos de la radiación, ya que de lo contrario ésta introduciría excesivo ruido. Dos de estos grupos afirman haber encontrado exactamente esta diferencia anual y diaria, aunque los resultados son muy controvertidos y parecen estar en conflicto con otros grupos que dicen no haberlo observado.

Hay un problema, sin embargo: nadie ha construido un detector direccional de la materia oscura. Esto hace que una nueva y revolucionaria idea surgida de una extraña colaboración entre físicos y biólogos parezca bastante interesante. El grupo reúne a personas diversas, tales como Katherine Freese, de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, astrofísica y uno de los principales pensadores en el área de la materia oscura, y George Church, de la Universidad de Harvard en Cambridge, un genético y pionero en el área de la secuenciación de genomas. Estos investigadores dicen que pueden superar los problemas de la detección convencional de la materia oscura mediante el uso de ADN para detectar partículas de materia oscura y, además, su dirección.

Lo menos que se puede decir de su detector es que es poco convencional. La unidad básica de detección consiste en una lámina delgada de oro con muchas cadenas sencillas de ADN que cuelgan de él como cortinas de tiras de cuentas o un bosque colgante. Todas las cadenas de ADN son idénticas excepto por una marca o etiqueta añadida al extremo libre que queda colgando y que identifica su posición exacta en la hoja de oro de donde cuelga.

La idea es que cuando una partícula de materia oscura choque contra el núcleo de uno de los átomos de oro que componen la lámina, le haga salir disparado de la lámina hacia el bosque de cadenas de ADN y cortará a lo largo de una franja las cadenas con las que vaya chocando. Los fragmentos cortados de ADN caen sobre una bandeja preparada para recoger estas cadenas y que se va sustituyendo cada hora o menos tiempo. Mediante la técnica de la reacción en cadena de la ADN polimerasa (PCR) cada segmento recogido se puede copiar muchas veces, lo que amplifica la señal tanto como se desee. Dado que se conoce la secuencia y la ubicación de cada cadena de ADN en la lámina, es sencillo calcular por dónde se corta cada cadena, lo que permite reconstruir el paso del núcleo de oro con una precisión nanométrica.

El detector completo consta de cientos o miles de estas hojas intercaladas entre hojas de poliéster al igual que las páginas de un libro. En total, un detector del tamaño de una caja de té requiere aproximadamente un kilogramo de oro y unos 100 gramos de ADN de cadena sencilla.

Las ventajas de este diseño son múltiples. En primer lugar, la secuencia del ADN cortado determina la posición vertical de cada corte con una precisión del tamaño de un nucleótido que es de 0,34 nm, es decir una precisión de 3,4 diezmillonésimas de milímetro. Ese tipo de resolución es muchos órdenes de magnitud mejor que el mejor detector posible actualmente.

En segundo lugar, a diferencia de los otros diseños que tienen que ser superenfriados para medir la energía que las colisiones de materia oscura puedan producir, el detector por ADN funciona a la temperatura ambiente.

Finalmente, el bosque de ADN convierte al detector en direccional (ver dibujo). Además, cada hoja apilada de poliéster absorber el núcleo de oro con esta energía después de haber pasado a través del bosque ADN. Cualquier núcleo con una energía superior, debida a la radiación de fondo o a los rayos cósmicos, debe pasar a través de varias láminas, lo que permite detectarlos y excluirlos.

Con el dispositivo dirigido en una dirección, una partícula de materia oscura que choca con un núcleo de oro lo dirige hacia el bosque de ADN. Si orientamos el detector en la dirección contraria, el núcleo de oro es propulsado hacia la hoja de plástico donde es absorbido. Eso es lo que hace que sea direccional, es decir, el detector sólo registrará las partículas que vengan de una sola dirección. Esto debería permitir que el dispositivo detecte los cambios en la dirección de la materia oscura cada día, lo que a su vez hará la detección mucho menos exigente de profundos análisis estadísticos.

Aunque parece una idea que puede generar mucho interés, aún le quedan algunos retos que salvar. En primer lugar, nadie conoce cómo los núcleos de oro ionizados y a alta velocidad pueden interaccionar con las cadenas de ADN o, incluso, con bosques de estas cadenas. Esto es algo que el equipo se propone estudiar con cierto detalle antes de que puedan iniciar la construcción del detector.

Luego está el reto de hacer cadenas de ADN lo suficientemente largas para presentar un "bosque" razonable donde los núcleos de oro puedan pasar a través. Parece que se puedan requerir cadenas de 10.000 bases para crear un bosque que absorba toda la energía de un núcleo de oro que pase por él. Sin embargo, las máquinas de síntesis de ADN actuales llegan a producir cadenas de hasta unas 250 bases, por lo que tendrán que conformarse con cadenas mucho más cortas.

Las cadenas de ADN tienen también que colgar hacia abajo en lugar de hacerse un ovillo. Esa es una tarea difícil, más aún en un área de un metro cuadrado que es lo que se espera que cubra el detector. En esta escala, los campos eléctricos y magnéticos anulan la gravedad lo que hace bastante difícil resolver el problema especialmente cuando se trata de recoger el ADN cortado y caído. Por tanto, se tendrá que diseñar una especie de "peine" que alise estos "pelos". Una idea sería colocar un pequeño imán en el extremo libre de cada cadena, lo que permitiría ser estiradas hacia abajo.

El ADN también tendrá que hacerse a partir de C12 y C13, ya que el C14 es radiactivo de forma natural y podría dar radiaciones no deseadas como ruido de fondo. El truco será usar sólo carbono de origen muy antiguo en el que todo el C14 se haya desintegrado.

Por último, está el desafío de ingeniería para hacer arrays de ADN de un metro cuadrado, bandejas de recogida para capturar las cadenas de ADN cortadas y ajustarlo todo en un detector que funcione.

Hay bastantes incógnitas en este proyecto que lo hacen ser de alto riesgo, pero también lo hacen muy atractivo al existir una elevada probabilidad de recuperar esfuerzos y costes ya que los otros intentos de construir un detector direccional de materia oscura son enormes, muy complejos y mucho más caros de construir y de mantener. Esto hace pensar que habrá fuertes inversiones en esta idea ya que, además, los primeros que detecten la materia oscura tendrán un pié puesto en el premio Nobel

Como ven, hay razones para esperar mucho de esta idea, pero también hay razones para ser cautos. Una minoría, pequeña pero ruidosa, de físicos dicen que la materia oscura no existe y que hay otras ideas que explican mejor la estructura del Universo. Si éstos tienen razón, un día miraremos hacia atrás y veremos estos esfuerzos de la misma manera que ahora pensamos sobre la búsqueda del flogisto o el debate sobre la generación espontánea de las formas inferiores de vida. Es decir, lo veríamos como un divertido callejón sin salida de la física del siglo XXI.


Referencias

MIT Technolgy Review, 2 de Julio de 2012. http://www.technologyreview.com/view/428391/revolutionary-dna-tracking-chamber-could-detect/

http://www.noticiasdelcosmos.com/2012/04/demos-un-vistazo-la-materia-oscura.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura