Investigación y ciencia 255

EL SONIDO DE LOS ARENALES

ASI ERAN LOS PRIMEROS ORDENADORES

NUEVAS ARMAS CONTRA EL SIDA

9 770210 136004

00255 DESCUBRIMIENTO DEL QUARK CIMA

DICIEMBRE 1997800 PTAS.

Genes que oponen resistencia al sidaStephen J. OBrien y Michael Dean

Aunque para la mayora de las personas infectadas con el VIH los efectos devastadores del sida son inevitables, algunas desarrollan una resistencia natural a la enfermedad. Sus genes impiden que el virus invada las clulas y sealan la va para nuevas estrategias preventivas y teraputicas.

El descubrimiento del quark cimaTony M. Liss y Paul L. Tipton

El quark cima, que pesa ms que un tomo de oro, es, de las partculas elementales que constituyen la materia, la que mayor masa tiene. Los otros componentes ltimos de la realidad son los leptones. Dos de los investigadores que lograron detectar ese sexto quark explican por qu fue tan difcil hacerlo y el significado de este hallazgo para la fsica de partculas.

Los ordenadores de Konrad ZuseRal Rojas

Entre 1936 y 1941 este famoso inventor alemn construy en Berln dos mquinas de cmputo a las que llam Z1 y Z3. Aunque el diseo lgico de ambas era muy similar, cre la primera con componentes mecnicos y la Z3 con rels telefnicos. Ahora, transcurridos ms de sesenta aos, sabemos que fueron en verdad los primeros ordenadores programables de la historia.

Correr sobre las aguasJames W. Glasheen y Thomas A. McMahon

Cuando se asusta, el basilisco de Amrica Central huye corriendo sobre la superficie de una charca o de un lago. La fsica ha permitido averiguar los mecanismos de los que se valen estos reptiles para permanecer enjutos sobre las aguas. Podra un ser humano ligero de pies conseguir la misma acrobacia? Ni lo sueen.

Vida provinciana en el imperio aztecaMichael E. Smith

Sorprendentemente, el autocrtico sistema poltico de los aztecas, con su multiescalonada jerarqua de nobles que perciban cuantiosos tributos del resto del pueblo, no empobreci a ste. Nuevos estudios arqueolgicos revelan que el pueblo llano llevaba una vida de cierta holgura y disfrutaba de las ventajas de una prspera economa mercantil basada en el intercambio.

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Diciembre de 1997 Nmero 255

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Las ondas gravitatoriasJess Gonzlez de Buitrago y Evencio Mediavilla

Una onda gravitatoria consiste en la perturbacin originada por una distribucin de masas en movimiento que avanza con la velocidad de la luz. Pero, existe? En los primeros aos del nuevo milenio entrarn en funcionamiento varios dispositivos para detectar dichas ondas. De confirmarse su realidad se abrira una nueva ventana para la observacin del cosmos.

Los sonidos de la arenaFranco Nori, Paul Sholtz y Michael Bretz

Cuentan los viajeros del desierto que salen de las dunas misteriosos sonidos, parecidos a los emitidos por instrumentos musicales. A los asiduos a la playa, sin embargo, pueden resultarles ms familiares los crujidos de la arena bajo sus pies. Durante ms de cien aos se ha estudiado el mecanismo por el que la arena produce estos ruidos, pero sigue siendo un enigma sin resolver.

Creacin artificial de poros en las clulasHagan Bayley

Las clulas vivas regulan el flujo de sustancias a travs de la membrana externa por medio de protenas tuneliformes, que canalizan el paso selectivo de uno a otro lado. Los cientficos se ocupan en la actualidad del diseo de portillos o poros artificiales que hagan posible la administracin de frmacos y biosensores.

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Diciembre de 1997 Nmero 255

Edicin espaola de

SECCIONES

5 HACE...

32 PERFILES

82 NEXOS

84 LIBROS

34 CIENCIA Y SOCIEDAD

78 JUEGOS MATEMTICOS

Rompecabezas dobles.

42 DE CERCA

76 TALLER Y LABORATORIO

90 IDEAS APLICADAS

91 INDICE ANUAL

Las tarjas.

INVESTIGACION Y CIENCIA

DIRECTOR GENERAL Francisco Gracia Guilln EDICIONES Jos Mara Valderas, director ADMINISTRACIN Pilar Bronchal, directora PRODUCCIN M.a Cruz Iglesias Capn Bernat Peso Infante SECRETARA Purificacin Mayoral Martnez EDITA Prensa Cientfica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa) Telfono (93) 414 33 44 Telefax (93) 414 54 13

SCIENTIFIC AMERICAN

EDITOR IN CHIEF John Rennie BOARD OF EDITORS Michelle Press, Managing Editor; Philip M. Yam, News Editor; Ricki L. Rusting, Timothy M. Beardsley y Gary Stix, Associate Editors; Corey S. Powell, Electronic Features Editor; W. Wayt Gibbs; Kristin Leutwyler; Madhusree Mukerjee; Sasha Nemecek; David A. Schneider; Glenn Zorpette Marguerite Holloway y Paul Wallich, Contributing EditorsPRODUCTION Richard SassoPUBLISHER Joachim P. RoslerCHAIRMAN AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER John J. Hanley

PROCEDENCIA DE LAS ILUSTRACIONES

Portada: Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi

Pgina

6-89-1112

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74-7576-7778-80

Fuente

Roberto OstiLaurie GraceNIBS/SPL Photo Researchers, Inc.Bernd AuersMichael GoodmanLaboratorio Nacional del Acelerador FermiJennifer C. ChristiansenLaboratorio Nacional del Acelerador FermiPhysical Review LettersDeutsches Technikmuseum BerlinRal Rojas/Spektrum der Wissenschaft (arriba), Spektrum der Wissenschaft (abajo)Markus Finsterwald/SdWRal Rojas/SdWStephen Dalton, Animals Animals (arriba); Rachel Taylor (abajo)Tomo NarashimaMichael E. Smith y Tomo NarashimaJohnny JohnsonTomo NarashimaJess Buitrago y Evencio MediavillaJim Brandenburg, Minden PicturesCortesa de Michael Bretz, Terrence Moore, Laurie Grace (mapa), Laurel Rogers (grficas), Douglas Waugh, Peter Arnold, Inc., Jim Brandenburg, Minden PicturesLaurie Grace; fotografas de Terrence Moore (arriba); Cortesa de Franco Nori, Paul Sholtz y Michael Bretz (abajo, izda.)Alfred T. KamajianJ. Eric Gouaux, Universidad de Columbia (arriba, izquierda), Alfred T. Kamajian (derecha); Jie Yang, Universidad de Vermont (abajo, a); Sucharit Bhakdi, Universidad de Mainz (b) y Uwe Sleytr, Universidad de Ciencias Agrarias de Viena (c)Alfred T. KamajianBryan ChristieLaurel Rogers

COLABORADORES DE ESTE NUMERO

Asesoramiento y traduccin:

Santiago Torres: Genes que oponen resistencia al sida; Juan Pedro Campos: El descubrimiento del quark cima; Ral Rojas: Los ordenadores de Konrad Zuse; Joandomnec Ros: Correr sobre las aguas; Jos Manuel Garca de la Mora: Vida provinciana en el imperio azteca; Snia Ambrs: Los sonidos de la arena; Angel Garcimartn: Perfiles; J. Vilardell: Hace..., Taller y la-boratorio e Ideas aplicadas; Luis Bou: Juegos matemticos; Jos M Valderas Martnez: Nexos.

Copyright 1997 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017.

Copyright 1997 Prensa Cientfica S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa)

Reservados todos los derechos. Prohibida la reproduccin en todo o en parte por ningn medio mecnico, fotogrfico o electrnico, as como cualquier clase de copia, reproduccin, registro o transmisin para uso pblico o privado, sin la previa autorizacin escrita del editor de la revista. El nombre y la marca comercial SCIENTIFIC AMERICAN, as como el logotipo correspondiente, son propiedad exclusiva de Scientific American, Inc., con cuya licencia se utilizan aqu.

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Filmacin y fotocromos reproducidos por Dos Digital, Zamora, 46-48, 6 planta, 3 puerta - 08005 Barcelona Imprime Rotocayfo, S.A. Ctra. de Caldes, km 3 - Santa Perptua de Mogoda (Barcelona)

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Difusin controlada

INVESTIGACIN Y CIENCIA, diciembre, 1997 5

...cincuenta aos

NUEVA FOTOGRAFA TRIDIMENSIO-NAL. Un nuevo tipo de vidrio, que contiene en su masa partculas me-tlicas microscpicas, posee fotosen-sibilidad al ultravioleta y ofrece nuevas posibilidades como material fotogrfico. Las imgenes se forman en color y en tres dimensiones ex-poniendo el vidrio a luz ultravioleta a travs de un negativo. Para revelar la imagen, el vidrio impresionado se somete a una temperatura de unos 540 oC. Una vez revelada, la imagen es sumamente estable y est exenta de la granulosidad que se encuentra en algunas emulsiones de plata.

ELECTRNICA ROBUSTA. Cuando un circuito electrnico delicado se somete a las ms violentas sacudidas y vibraciones, a una humedad densa y a atmsferas corrosivas, el problema de la estabilizacin adquiere unas dimensiones tremendas. Buscando una solucin, la Oficina Nacional de Pesas y Medidas (NBS) empez con la tcnica de incrustar, o en-capsular, en plstico circuitos electrnicos completos, a cuyo fin desarroll una nueva resina. Con el nombre de Resina de Moldeo NBS, ese nuevo mate-rial reduce al mnimo las fugas elctricas y no se contrae al solidificarse.

...cien aos

DARWIN, OTRA VEZ ACER-TADO. La expedicin cientfica enviada a las islas Ellice por la Sociedad Geogrfica de Sydney ha confirmado la teora de Dar-win acerca de la formacin de las islas de coral [que los arreci-fes se crearon a lo largo de eras geolgicas por la deposicin de plipos en capas sucesivas sobre masas terrestres]. Se informa desde Samoa que la barrena de diamante penetr 170 metros en el coral sin tocar fondo. A partir de los 150 metros los re-sultados prestan un slido apoyo a la teora de Darwin, aunque el juicio definitivo depende del examen microscpico de los tes-tigos de sondeo.

INICIADORES DE LA PSICOLOGA. El profesor Alfred Binet, famoso psic-logo francs, advierte que aunque los mtodos empleados para medir la memoria acaso pudieron ser tos-cos, como an lo son, constituye un gran avance el que seamos capaces de introducir la nocin de medida en este problema. Hasta ahora, slo se ha intentado medir una clase de memoria: la facultad de adquisicin. Los experimentos versan sobre el nmero de imgenes de memoria que pueden acumularse en una prueba. Un adulto medio con formacin re-tiene siete imgenes; un nio de diez aos retiene slo seis. [Nota de la Redaccin: Los trabajos de Binet le llevaron a desarrollar el primer test de inteligencia.]

OSTRAS FALSAS. En Pars las os-tras de verdad son caras. Por eso se han inventado las ostras artificiales de media concha, que se venden a veinte centavos la docena, y tan hbilmente fabricadas para ofrecer un

aspecto atractivo y de frescura que, tras haberles aadido limn o vinagre, no se distinguen de las autnticas. Lo nico genuino de esas ostras es la concha, que los fabricantes com-pran baratas de segunda mano y a las que adhieren las falsas con una pasta inspida.

BAJO EL MAR. Presentamos la fotografa de un revestimiento de inmersin en la nueva escafandra Buchanan-Gordon. Los dueos de la patente, tras el xito de su empleo en Australia, donde la escafandra se usa en el trabajo de las pesqueras de perlas, llevaron dos de ellas a Londres. En el proyecto de la esca-fandra actual recibieron toda clase de ayuda de la afamada firma de ingenieros submarinos Siebe, Gorman & Company. El casco, que desciende hasta la cintura en una sola pieza de cobre macizo, pesa 115 kilogramos, por 230 que pesa el atavo; permite al buzo respirar a la presin atmosfrica normal. El traje porta un telfono

conectado a la superficie.

...ciento cincuenta aos

LIMPIAHUMOS. Se lee en The Pittsburg Gazette: Blackstock & Co. han efectuado las prue-bas de un aparato antihumos en su Factora Algodonera de Allegancy. El experimento ha sido un xito. Mientras que las chimeneas de las fbricas cir-cundantes lanzaban unas nubes de humo que oscurecan uno de los das ms agradables que hemos visto del veranillo de san Martn, el Antihumos de la factora algodonera agotaba todo el humo que como lluvia caa a nuestro alrededor desde otros puntos.

CIENCIA ANTIGUA. Un ca-rruaje de cuatro ruedas con ador-nos marrones y aros de hierro se acaba de desenterrar en un edificio de tres pisos excavado en Pompeya. Es nuestra opinin que cuando el Imperio Romano fue destrozado por los godos, los romanos tenan una civili-zacin casi tan avanzada como la nuestra actual.

HACE...

Novedoso indumento para buceo de profundidad

a PROTEINA CCR5 PRESENTE

b VIH UNIDO A CD4 Y CCR5

c EL VIH INFECTA A LA CELULA

CD4

PROTEINA CCR5

GENES DEL VIHNUCLEO

INDIVIDUO AFECTADO

MACROFAGO

COPIAS NORMALES DEL GEN CCR5

VIH

A todos nos son familiares los terribles efectos del virus de la inmunodeficiencia hu-mana (VIH), que se transmite por contacto sanguneo. Aunque puede pasar inadvertido durante mucho tiempo, lo normal es que al cabo de 10 o 15 aos haya destruido clulas esenciales del sistema inmunitario y produzca el sida (sndrome de inmu-nodeficiencia adquirida). La prdida de inmunidad franquea el camino a la proliferacin de microorganismos que, de no ocurrir tal percance, es-taran a buen recaudo y facilita el desarrollo de ciertos tumores. Slo en Estados Unidos, el sida ha matado a ms de 350.000 personas y se ha convertido en la causa principal de muerte entre los 24 y 44 aos. Hay en ese pas otras 750.000 que son portadoras y en todo el mundo puede haber unos 30 millones de afectados.

En los ltimos aos, se han de-sarrollado frmacos que ayudan a prolongar la vida de los pacientes. Las combinaciones sutiles de tales medicamentos provocan una dismi-nucin de los niveles vricos en el cuerpo y restablecen la funcin inmunitaria. Esos logros son ya de dominio pblico, pero hay otros des-cubrimientos, menos conocidos, que han causado tambin una indudable conmocin en la comunidad de in-vestigadores del sida.

Desde hace tiempo la ciencia se viene preguntando por qu algunos sujetos se escapan de la accin del VIH, pese a pertenecer a grupos de alto riesgo, y por qu en otros infectados el sida avanza a un paso lentsimo. Entre 1978 y 1984, antes de que fuera obligatorio el anlisis rutinario de la sangre procedente de donaciones, se infectaron casi 12.000 hemoflicos que recibieron transfusin sangunea; sin embargo, entre el 10 y el 25 por ciento de esas personas se libraron del virus. Y aproximadamente el 1 por ciento de los portadores del VIH permanecieron

Genes que oponen resistencia al sida

Se conoce ya un carcter gentico que protege del sida.

Muy pronto podran aparecer ms, abriendo con ello

nuevas posibilidades de tratamientos preventivos

Stephen J. OBrien y Michael Dean

c EL VIH NO PUEDE INFECTAR LA CELULA

PROTEINA CCR5 DEFECTUOSA

PERSONA QUE RESISTE A LA INFECCION

b EL VIH NO ENCUENTRA A CCR5 PARA UNIRSE

a CUANDO LA PROTEINA CCR5 ES DEFECTUOSA NO ESTA PRESENTE

bastante sanos durante perodos de tiempo inslitamente largos, de 15 aos o ms, sin sntomas apenas y con un sistema inmunitario que funcionaba de forma adecuada.

A tenor de ciertos descubrimien-tos recientes, hay personas que son parcial o totalmente resistentes a las infecciones del VIH gracias a sus genes; para ser ms exactos, deben esa buena estrella a cierta variante de un gen implicado en la funcin inmunitaria, de la que son portadoras. Este hallazgo ha desen-cadenado un alud de esfuerzos para traducir los nuevos conocimientos genticos en estrategias innovadoras encaminadas a prevenir y controlar las infecciones del VIH. (Utilizamos el trmino VIH para referirnos al VIH-1, el virus responsable de la mayora de los casos de sida en todo el mundo. Otra forma del virus, la VIH-2, produce el sndrome con mayor parsimonia y est restringido a determinadas zonas de Africa. No se ha estudiado todava la resistencia gentica al VIH-2.)

La historia del hallazgo del primer gen de resistencia al VIH es el relato de un perodo de desespe-rante lentitud en las investigaciones, en el que de pronto empiezan a producirse descubrimientos extraordi-narios. Junto con nuestros colegas del Instituto Nacional del Cncer (INC), iniciamos la bsqueda de tales genes en 1984, un ao despus de que se confirmase que el VIH era el agente causal del sida y tres desde que se identificara la enfermedad.

En aquel entonces nuestro proyecto pareca una empresa revolucionaria.

En los aos ochenta, para explicar el fenmeno de la distinta respuesta al VIH mostrada por los componentes de un mismo grupo, la mayora de los investigadores aduca razones del tenor siguiente: caractersticas gen-ticas del virus (estirpes diferentes tendran virulencia distinta) o co-factores no genticos que pudiesen influir en su virulencia (infeccin concomitante del paciente por otro microorganismo). Carecamos, ade-ms, de pruebas convincentes de la existencia de una proteccin gentica contra el sida en humanos. De he-cho, haba compaeros nuestros que llegaron a mirar con escepticismo la posibilidad de hallar algo vinculado con causas genticas, tras invertir tantos recursos y tanto tiempo.

Pese a todo, no nos lanzamos a ciegas en esa aventura. Las investi-gaciones con animales haban esta-blecido sin ambages que, a menudo, los genes influyen en la produccin y desarrollo de infecciones, sobre todo en las causadas por retrovirus, familia a la que pertenece el VIH. La mayora de los genes cifran in-formacin para sintetizar protenas, que son las molculas que acometen la mayora de las funciones celulares. Cuando se activa un gen de una protena, su secuencia de nucle-tidos de ADN sirve de gua para ensamblar la secuencia de amino-cidos que define dicha protena. Si el gen es polimrfico es decir, si est presente en ms de una forma en la poblacin sus variantes, o alelos, pueden determinar protenas que operen de manera distinta. En

ratones, se conocen alelos especficos de ms de 30 genes que confieren resistencia a retrovirus.

Otras investigaciones con animales haban demostrado tambin la pre-sencia de un componente gentico en las enfermedades infecciosas. Los ratones, ratas y ganado con alto grado de consanguinidad (endogamia) se muestran especialmente proclives a las enfermedades contagiosas. El motivo principal reside en la con-sanguinidad, que limita bastante el repertorio de alelos de resistencia a

1. EL GEN DE LA PROTEINA CCR5 est relacionado con la resistencia frente al VIH, el virus que produce el sida. Las personas que portan versiones (ale-los) normales del gen (pgina anterior) presentan la protena CCR5 en clulas denominadas macrfagos (a). Junto con la protena CD4, la CCR5 puede enla-zarse con el VIH (b) y permitir que ste infecte a los macrfagos (c). Por el contrario, las personas que poseen slo versiones delecionadas del gen CCR5 (esta pgina) resisten a la infeccin, debido a la ausencia de la protena producida por el gen mutante (a). En ausencia de la protena CCR5 (b), el VIH no puede invadir los macrfagos (c).COPIAS MUTANTES

DEL CCR5

8 INVESTIGACIN Y CIENCIA, diciembre, 1997

enfermedades. En los grupos donde no se da consanguinidad (exogamia) una parte de la poblacin podra portar algn alelo que protegiera contra un determinado patgeno. Ese alelo permitira a sus portadores sobre-vivir ante una eventual epidemia y asegurara la pervivencia del grupo. Considerada la diversidad gentica de las poblaciones humanas, sospe-chbamos que, lo mismo que ocurre

con otras especies exgamas, tendran alelos capaces de conferir resistencia a enfermedades y, quizs, al virus VIH. Simplemente, haba que des-cubrirlos.

Adems, aunque en humanos ha-ban aparecido muy pocos alelos de resistencia ante agentes patgenos, no faltaban estudios epidemiolgi-cos que abogaban por una enrgica influencia gentica en la proclividad a la patologa. En ese sentido, uno de los anlisis demostraba que, si un progenitor biolgico de un individuo adoptado mora de una enfermedad infecciosa antes de cumplir los 50 aos, el adoptado tena un riesgo notablemente alto de morir tambin de una infeccin.

Para nuestro infortunio, la ciencia no ofreca medios sencillos que nos facilitaran la bsqueda de alelos de resistencia al VIH en humanos. Nos vimos, pues, forzados a recurrir a la combinacin de conocimientos y tcnicas de tres disciplinas dispares: la epidemiologa del sida, la gentica molecular humana y la gentica de poblaciones.

De entrada, necesitbamos un re-servorio de genes de las poblaciones que nos interesaban. Habamos de trabajar con individuos que corriesen un riesgo alto de resultar infectados por VIH y que terminaran o por caer infectados tras quedar expues-tos al virus o por librarse. Si los dos grupos diferan genticamente esto es, en sus alelos para genes especficos podamos sospechar que los genes que presentaban variacin influan en la propensin a las in-fecciones por el VIH.

Para obtener el ADN humano que se necesitaba en nuestra inves-tigacin, solicitamos la colaboracin de los epidemilogos que intenta-ban aclarar el comportamiento de la, por entonces, nueva pandemia. Esos profesionales controlaban grupos de varios cientos de individuos con alto riesgo de ser infectados por el VIH: homosexuales, consumidores de droga por va intravenosa y hemoflicos que haban recibido sangre contaminada. Esos grupos deban ser sometidos a un seguimiento durante aos por

STEPHEN J. OBRIEN y MICHAEL DEAN han colaborado juntos durante ms de un decenio. OBrien dirige desde 1986 el laboratorio de diversidad genmica del norteamericano Instituto Nacional del Cncer. Es figura de renombre internacional en el campo de la gentica y retrovirologa. Dean es jefe de la seccin en el menciona-do laboratorio del INC, donde aplica nuevas tcnicas genticas al estudio de enfermedades humanas. Los autores dedican este artculo a la memoria de Daniel OBrien, hermano de Stephen, que muri de sida en 1994.

CELULA T

FASE PRECOZ DE LA INFECCION POR VIH FASE TARDIAFASE MEDIA

VIH T-TROPICO

VIH M-TROPICO

GP 120 ALTERADA

GP 120

CD4

VIH CON DOBLE AFINIDAD

CCR5

MACROFAGO

CD4

CXCR4

2. LA AFINIDAD DEL VIH por las clulas inmunitarias cambia con el tiempo dentro de los pacientes infectados. De entrada, el virus es M-trpico (izquierda) y tiene afi-nidad por los macrfagos, a los que invade tras unirse (mediante su protena gp120) a las molculas de CD4 y CCR5 presentes en la superficie de dichas clulas. Puede acontecer, sin embargo, que el VIH goce de una doble afinidad (centro). Esas estirpes producen molculas gp120

capaces de reconocer a la protena CXCR4 presente en la clulas T que contienen CD4; as, pueden infectar tanto a los macrfagos como a las clulas T. Ms tarde, el grueso de la poblacin vrica puede cambiar sus preferencias hacia los receptores CXCR4 y convertirse en T-trpicos (derecha). Los virus T-trpicos, al destruir las clulas T infectadas, contribuyen a arruinar el sistema inmunitario, posibilitando el desarrollo del sida.

mdicos que (con el permiso de los pacientes) suministraran muestras de sangre y tejidos y nuevos casos a los investigadores. Conforme se iban recogiendo las muestras de sangre, nuestro equipo de biologa celular, dirigido por Cheryl Winkler, se en-cargaba de producir lneas inmortales de clulas cultivadas, que seran una fuente ilimitada de ADN para los ensayos genticos.

Para determinar qu genes de-bamos comparar, apelamos a los mtodos que en su avance aportaba la cartografa gentica, un conjunto de procedimientos que indica la lo-calizacin de genes en los cromoso-mas y determina sus secuencias de nucletidos. Hay ya cartografiados ms de 6000 de los aproximadamente 50.000 o 100.000 genes implicados en los cromosomas humanos. Pero en 1984 no llegaban al millar los cartografiados. Pese a ello, hasta el manejo de 1000 genes en nuestros grupos de afectados de sida constitua una tarea imposible.

Limitamos algo la seleccin. Nos lo permitan los conocimientos ya establecidos sobre el comportamiento de los retrovirus en sus hospedado-res. El hospedador es siempre un colaborador de conducta imprevisible ante la infeccin y la propagacin de los patgenos por los tejidos. Para entrar en las clulas, los virus deben reconocer ciertas protenas, cifradas por genes del hospedador y desplegadas por la superficie ce-lular. En condiciones normales esas protenas actan como receptores de otras molculas del hospedador, pero los virus pueden servirse de tales receptores para introducirse en las clulas.

Una vez en el interior celular, los retrovirus insertan sus genes en los cromosomas del hospedador. Se ase-guran as que sus genes, y con ellos una fuente ilimitada de partculas vricas, se transmitan a cada nueva

generacin de clulas, en cada tanda de replicacin de la clula hospe-dadora. Aqu, de nuevo, los virus requieren la ayuda del hospedador. Deben reclutar enzimas celulares para integrar los genes vricos en los cromosomas, para producir nuevas partculas vricas e incluso para za-farse de las defensas inmunitarias del hospedador.

Conocidos tales presupuestos, deci-dimos concentrarnos de momento en unos 50 genes cuyas protenas podan en principio condicionar el ciclo de vida del VIH. Examinamos tambin 250 segmentos de ADN polimrficos (variables), identificados de antemano en regiones intergnicas. Si los in-dividuos que estudibamos diferan sistemticamente en esos segmentos, las discrepancias indicaran, a su vez, la existencia de diferencias en alelos de genes cercanos. Podramos, entonces, centrarnos en esos genes y tratar de determinar su funcin en las clulas y su papel en la infeccin del VIH.

Finalmente, para identificar ca-racteres genticos capaces de con-ferir resistencia al VIH, adoptamos estrategias propias de la gentica de poblaciones humanas. Dividimos cada grupo en dos, de acuerdo con aspectos relacionados con su salud infectados con VIH frente a los que permanecan libres de infeccin tras una exposicin prolongada; pa-cientes infectados donde progresaba el sida con rapidez frente a los que experimentaban un avance lento del mismo o no lo desarrollaban; pacientes infectados que contraan una enfermedad especfica relacionada con el sida (neumona debida a Pneumocystis carinii o sarcoma de Kaposi) frente a los que no la sufran.

Una vez realizadas estas particiones, comparamos

la frecuencia con que cada alelo o segmento polimrfico conocidos aparecan en cada grupo. Tambin comparamos los genotipos. Por he-rencia recibimos dos copias de todos los genes (una copia de la madre y otra del padre), excepto de los que estn en los cromosomas sexuales; el par de alelos de un locus cro-mosmico particular, o localizacin gnica, constituye el genotipo. Quie-nes heredan dos alelos idnticos de un determinado gen se dice que son homocigticos, y los que heredan dos alelos distintos, heterocigticos.

En nuestros anlisis anotbamos los porcentajes de pacientes de cada grupo que eran homocigticos para un alelo y el porcentaje que era heterocigtico. La existencia de di-ferencias significativas en frecuencias allicas, genotpicas o ambas, entre dos grupos de sujetos, denunciara que el gen estudiado tendra quizs alguna relacin con los destinos di-vergentes de los individuos de esos grupos.

Ao tras ao fue aumentando el nmero de pacientes, genes, segmentos polimrficos y progra-mas informticos que utilizbamos para el anlisis de los datos. Peri-dicamente creamos observar alguna diferencia gentica, pero casi siempre resultaba falsa cuando se analizaba con mayor detalle. Mientras tanto, procurbamos estar al da de los avances que se apuntaba la inmu-


Gen CCR5Diferencia enla distribucingenotpica

entre gruposinfectados

y sin infectar

Umbral de significacin estadstica

Genes estudiados

2 copiasdel alelo

CCR5 normal

2 copiasdel aleloCCR5

mutante

1 copiadel alelo

CCR5 normaly otra mutante

Individuosinfectadospor VIH

Individuosno infectados

85 por ciento 0 por ciento 15 por ciento

83 por ciento 3 por ciento 14 por ciento

3. LAS DIFERENCIAS GENETICAS entre dos poblaciones (grfica) revelan la intervencin del gen CCR5 en la resis-tencia contra el VIH. Los autores del artculo empezaron por identificar los genotipos, o combinaciones de alelos, para 170 genes en sendos grupos de individuos: uno, formado por pacientes infectados con el VIH, y otro, por individuos sin infectar. As, por ejemplo, midieron el por-

centaje de personas que presentaban dos copias del alelo CCR5 normal, dos copias del alelo mutante delecionado o una copia de cada uno (tabla). Para cada gen represen-taron las diferencias estadsticas (puntos) de distribucin genotpica entre las dos poblaciones estudiadas. De todos los genes examinados, slo las diferencias para el gen CCR5 resultaron significativas.

nologa humana y conocer cunto se adelantaba en el comportamiento del VIH en el cuerpo. Procurbamos estar alerta ante posibles pistas que nos indicasen cmo identificar otros posibles genes candidatos. A finales de 1995 y principios de 1996, tras un decenio largo de trabajo tedioso y absorbente, el panorama empez a cambiar.

El nuevo cuadro lo pergearon otros equipos investigadores, que resolvie-ron dos viejos misterios relacionados con la interaccin molecular entre el VIH y las clulas hospedadoras. Su esclarecimiento despej el camino hacia los genes implicados en la resistencia al VIH.

A mediados de los aos noventa era ya obvio que la deficiencia inmu-nitaria se deba al VIH, que mermaba la poblacin de linfocitos T. Estos leucocitos presentan una protena denominada CD4 en su superficie. Las clulas T suelen dirigir muchos aspectos de la respuesta inmunitaria ante la agresin vrica. Tambin se saba que el VIH infectaba y per-maneca durante aos en otra clase de clulas inmunitarias portadoras de molculas CD4, los macrfagos. El VIH no destruye a los macrfagos; se encuentra a salvo en su interior.

En condiciones normales, las mo-lculas CD4 de los linfocitos T y de los macrfagos participan en los sistemas de sealizacin entre clulas

inmunitarias. Pero cuando el VIH entra en accin, las molculas CD4 se unen a una protena azucarada (gp120) que sobresale de la cubierta exterior del VIH; esa trabazn facilita la en-trada del virus en la clula. Algunos experimentos ha-ban demostrado que CD4, aunque necesaria para la entrada del VIH en las c-lulas, no era suficiente. Las clulas deban presentar al menos otra protena a la que se agarrara el virus. Diez aos despus del des-cubrimiento del VIH, sin embargo, segua ignorn-dose la naturaleza exacta de ese segundo receptor.

El otro misterio tena que ver con un descubrimiento del que haba informado, en 1986, Jay A. Levy, de la Universidad de California en San Francisco. Observ que un tipo de linfocito T que portaba una protena diferente, CD8, secretaba

factores supresores; estas molculas impedan que el VIH, en cultivo, invadiese clulas que, de suyo, eran proclives a ello. Este tipo de factores supresores que limitaban la infeccin vrica haban aparecido tambin en monos africanos portadores del VIS (la forma simia del VIH), que no desarrollaban sida, as como en per-sonas que sobrevivan a la infeccin del VIH durante perodos de longitud inusitada. Pero se desconocan los factores supresores en cuestin.

En diciembre de 1995, un grupo de investigadores del norteame-ricano Instituto Nacional del Cncer, entre los que se hallaba Robert Gallo, anunciaron que haban identificado tres factores supresores emparentados; bloqueban, decan, la infeccin de las variantes del VIH que mostraban pre-ferencia por colonizar los macrfagos (las estirpes M-trpicas). Los tres factores resultaron ser quimiocinas conocidas. Estas molculas constan de cadenas cortas de aminocidos encargadas de atraer a las clulas inmunitarias hacia los tejidos daados o enfermos.

Los comprometidos en la re-solucin del primer misterio la bsqueda del segundo receptor del VIH advirtieron que las quimioci-nas actuaban sobre las clulas defensi-vas trabndose con protenas alojadas en la superficie de stas. No era

descabellado pensar, por tanto, que las quimiocinas aisladas por el grupo de Gallo denominadas RANTES, MIP-1 y MIP-1 impidiesen la entrada del VIH en las clulas inmunitarias al unirse y bloquear algunas de las protenas de la superficie celular que el VIH necesitaba para acceder al interior. En otras palabras, el receptor (o receptores) de superficie celular para las quimiocinas de Gallo poda muy bien llevar una doble vida como segundo receptor para el VIH en macrfagos y quizs en otras clulas portadoras de CD4.

La idea se resista a su compro-bacin inmediata, pues no se haban aislado todava los receptores celu-lares para RANTES y sus parientes. Pero ciertos descubrimientos de los que se tuvo noticia a comienzos de 1996 permitieron llevar a cabo tales ensayos y nos proporcionaron nuevos genes para analizar como posibles factores de resistencia.

En efecto, el grupo encabezado por Edward A. Berger, del Instituto Nacional de la Alergia y Enfermeda-des Infecciosas, aislaron el segundo receptor para las variantes del VIH que mostraban preferencia por la colo-nizacin de los linfocitos T (estirpe T-trpicas). Result ser un receptor de quimiocina (denominado CXCR4), si bien la quimiocina que se une a ste difiere de las RANTES, MIP-1 y MIP-1. Si los descubrimientos de Gallo no convencieron del todo a los investigadores de que los recep-tores de quimiocinas desempeaban un papel en la infectividad del VIH, los resultados de Berger despejaron cualquier duda.

Casi simultneamente, Michael Samson y Marc Parmentier, de la Universidad Libre de Bruselas, aisla-ron el gen para un receptor reconocido por RANTES, MIP-1 y MIP-1, y necesario para que estos factores dirijan las clulas defensivas hacia el tejido daado. En dos meses, cinco grupos demostraron, por separado, que la protena cifrada por dicho gen, la actual CCR5, era tambin el escurridizo segundo receptor para las estirpes M-trpicas del VIH.

Sumados a otros trabajos, estos nuevos descubrimientos sobre los re-ceptores de quimiocinas aclaraban bastante el mecanismo de infeccin del VIH. El virus inicia la infeccin estableciendo de entrada su resi-dencia en los macrfagos. Penetra en esas clulas sirvindose de su protena gp120 para unirse a dos receptores de los macrfagos: CD4 y CCR5. Una vez en el interior


100

80

60

40

20

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18AOS TRANSCURRIDOS DESDE LA INFECCION

Pacientes conalelos CCR5normales

Pacientes conun alelo normaly otro mutante

PO

RC

EN

TAJE

DE

PA

CIE

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4. COMPARACION de la evolucin de la infeccin en individuos infectados por el VIH. Este tipo de estudios revel que los pacientes que tenan una copia del gen CCR5 mutante (lnea verde) tarda-ban ms tiempo en desarrollar el sida que los que portaban slo alelos normales de dicho gen (lnea amarilla). Por ejemplo, en el primer grupo, el 50 por ciento de los individuos empez a desarrollar el sida a los 11 aos de la infeccin, mientras que en el segundo grupo ese punto se alcanz antes, casi a los 8 aos de la infeccin.

de los macrfagos, el VIH sinte-tiza grandes cantidades de virus y desafa al sistema inmunitario hasta sus lmites.

Aos despus, el virus, que no cesa de mutar, puede alterar el gen de la gp120 de tal forma que haga

que la protena gp120 cambie su fidelidad por el segundo receptor. El cambio gentico origina que la regin que reconoce a CCR5 se una con mayor eficacia a CXCR4 en los linfocitos T. A partir de entonces, en la poblacin de VIH dominan las

variantes T-trpicas, las que prefieren infectar clulas T.

Este cambio de afinidad resulta mortal, pues los virus T-trpicos ma-tan a las clulas que infectan. No es ninguna sorpresa que a ese cambio le siga una rpida cada global de


El alelo del gen CCR5 que confiere resistencia frente al VIH es una mutacin por delecin. El gen no pre-senta una distribucin geogrfica uniforme. As, no existe prcticamente en las poblaciones africanas, de asiticos orientales y aborgenes norteamericanos y es raro en los afroamericanos [vase la segunda columna en la tabla]. Abunda, por contra, entre los caucasianos (descendientes de los primeros colonizadores del continente americano procedentes de Europa y Asia occidental).

Incluso entre los caucasianos la distribucin vara. Una representacin de la frecuencia allica entre caucasianos de Eurasia [vase el mapa] revela un gradiente, o clina, descendente desde el norte hacia el sur, hasta alcanzar niveles imperceptibles en Arabia Saud. La frecuencia se calcula contando el nmero de copias mutantes presentes en una poblacin y dividindolo por el total de copias de CCR5, que es la suma total de alelos normales y mutantes.

Estos patrones dan respuesta a algunas preguntas y plantean otras sobre el origen y mantenimiento del alelo mutante, que cifra una protena CCR5 defectuosa. La aparente ausencia del alelo en Africa indica que dicho alelo surgi despus de que los movimientos migratorios abandonasen Africa, algo que se supone ocurri hace unos 130.000 a 200.000 aos. Pero, qu es lo que hizo que el alelo con la delecin alcanzase una frecuencia tan alta en los caucasianos y cundo ocurri tal evento?

La inaudita frecuencia del alelo en ciertas partes de Europa y Asia sugiere que algunos hechos catastrficos desencadenados en esas zonas provocaron que los escasos individuos que portaban el alelo mutante se viesen de pronto favorecidos desde el punto de vista reproductivo. De esa manera, al reproducirse, la fraccin de poblacin con alelo mutante aument con respecto a la situacin anterior. Con el tiempo, la frecuencia de alelos CCR5 mutantes alcanz niveles ms elevados.

Sospechamos que el episodio catastrfico fue una epidemia importante causada por un agente que, como el VIH, utilizaba la protena CCR5 normal, pero no la forma defectuosa, para infectar las clulas. Esta

hiptesis tiene sentido ya que, en animales, es frecuente encontrar alelos raros que se vuelven ms frecuentes porque confieren resistencia frente a agentes patogni-cos nuevos. Cuanto ms perdura la epidemia, tanto ms aumenta la frecuencia de dichos alelos.

Creemos tambin que la epidemia eurasitica acon-teci hace mucho tiempo. Utilizando mtodos genticos hemos estimado que la catstrofe ocurri hace unos 4300 aos, en cualquier caso no menos de 1200 aos. El alelo mutante es menos comn en el sur de Eurasia que en el norte, quiz porque el centro de la epidemia se situ en ste.

El origen europeo y asitico occidental de muchos americanos explicara por qu una fraccin relativamente alta de estadounidenses caucasianos es portadora del alelo, ya que sus ancestros lo llevaban en su patrimonio gentico. Y algunos afroamericanos poseen el alelo, aunque no as la mayora de los africanos, debido probablemente a matrimonios mixtos recientes entre africanos y cauca-sianos en Amrica.

Sobre la identidad del patgeno slo podemos especular. Un agente como el VIH, que mata a ms del 90 por ciento de sus vctimas, pudo haber sido el responsable. El VIH actual no fue el culpable, ya que data de los ltimos 20 aos, aunque bien pudo haber existido algn antiguo brote, del que no se tiene noticia. No se puede descartar tam-poco que fueran los organismos responsables del clera, tuberculosis o gripe. El que s se puede descartar es el microorganismo que caus la peste bubnica en el siglo XIV, pues atac a Europa hace slo 600 aos.

S.J.OB. y M.D.

13,0

6,3

FRECUENCIADEL ALELO MUTANTE

8,0 por ciento o ms

0,1 a 7,9 por ciento

0,0 por ciento

13,3

13,7

10,8

8,311,7

11,3

8,9

9,8

0,00,0

8,3

5,5

10,2

7,7

4,4

4,5Poblacin

Frecuenciadel alelo

mutante (%)

Frecuenciasgenotpicas (%)

Alelomutante

2 copiasdel

alelonormal

2 copiasdel

alelomutante

1 alelomutante

y 1normal

CaucasianoseuropeosCaucasianosamericanos

Afroamericanos

Nativos america-nos; africanos;asiticosorientales

10,0

11,1

1,7

0,0

1,0

1,2

0,0

0,0

81,0

79,0

96,6

100,0

18,0

19,7

3,3

0,0

Historia natural del alelo de resistencia

la concentracin de clulas T CD4 en los pacientes y, simultneamente, la aparicin de las infecciones opor-tunsticas y cnceres que durante muchos aos han definido al sida. En la actualidad, los Centros de Control y Prevencin de Enfermeda-des definen formalmente al sida por la presencia de afecciones propias del sndrome o por una disminu-cin en la concentracin de clulas T CD4 hasta menos de 200 clulas por milmetro cbico de sangre; los niveles normales se cifran en 1000 por milmetro cbico.

En cuanto supimos que CCR5 y CXCR4 eran co-receptores del VIH, decidimos comprobar si los genes para esas protenas afectaban a la resistencia al VIH en nuestros grupos. A ese respecto, debamos empezar por determinar si los genes CCR5 y CXCR4 eran polimrficos. Si todos los individuos tenan versiones idn-ticas de esos genes, significara que tales genes no eran los responsables de las diferencias en la susceptibi-lidad al VIH.

Todas las copias del gen CXCR4 examinadas se repetan. Pero en ju-

lio de 1996, Mary Carrington, de nuestro grupo, descubri que uno de cada cinco individuos presen-taba una variante del gen CCR5. La comparacin de las secuencias de nucletidos de los dos alelos CCR5 revel que la ms infrecuente tena 32 nucletidos menos. Debido a las peculiaridades del cdigo gentico, sospechamos que dicha merma po-dra originar la aparicin prematura de una seal de stop en el gen, provocando que las clulas fabricasen versiones ms cortas y anormales de la protena CCR5.

Cuando dividimos al doble millar de pacientes de alto riesgo en-tre infectados y no infectados, y comparamos sus genotipos CCR5, encontramos diferencias espectacula-res. El 3 por ciento de los no infec-tados portaba en sus clulas slo el alelo mutante delecionado de CCR5 (eran homocigticos). Por el contra-rio, ninguno de los 1343 del grupo de infectados era homocigtico para el mutante de delecin. La diferen-cia, que indicaba que la homocigosis para la delecin protega contra el

VIH, era muy significativa estads-ticamente, no una casualidad.

Adems, la aparente proteccin que proporcionaba el tener slo alelos CCR5 mutantes no dependa de la va de infeccin, ya que entre los homo-cigticos que no resultaban infectados haba homosexuales, hemoflicos y drogadictos. Sospechbamos que la homocigosis para la delecin protega a los pacientes porque determinaba la produccin de protenas CCR5 truncadas, incapaces de alcanzar la superficie celular o tan deformadas, que no reconocan al VIH.

A las pocas semanas de remitir a Science un artculo con estos resul-tados, nos enteramos de que haba otros grupos buscando polimorfismos en los receptores para quimiocinas. Nathaniel R. Landau y Richard A. Koup, del neoyorquino Centro Aaron Diamond de Investigaciones sobre el Sida, haban descubierto de forma independiente el mismo alelo con la delecin de 32 bases. Haban estu-diado un grupo de homosexuales con un riesgo alto de exposicin al VIH y que no haban resultado infectados. El examen de los leucocitos de dos de esos individuos revel la ausencia de la protena CCR5 de la superficie celular. Un examen de la secuencia de nucletidos de los genes CCR5 puso de manifiesto que los dos individuos eran homocigticos para la delecin. Adems, en otro trabajo, Samson y el equipo de Parmentier haban buscado sin xito homocigticos para la dele-cin en un grupo de 743 infectados con VIH. (Esos dos artculos salieron publicados en agosto de 1996 y el nuestro en septiembre.)

Otros estudios resaltaban la ausencia de homocigticos entre afri-canos, asiticos o afroamericanos. Sealaban que entre el 1 y el 2 por ciento de los caucasianos america-nos (descendientes de europeos o de asiticos occidentales) eran homoci-gticos para la mutacin. Adems, cuando analizbamos los genotipos de personas sin infectar que haban corrido un riesgo extremado de in-feccin vrica (por reiterada actividad sexual sin proteccin o por haber recibido dosis elevadas de factores de coagulacin contaminados con VIH durante el tratamiento de he-mofilia), observamos que hasta el 20 por ciento de esos individuos eran homocigticos para la delecin. La causa de la resistencia a la infeccin en el 80 por ciento restante deba tener algn origen gentico distinto o era de origen no gentico.


Otros factores que influyen en el avance del VIH

Los genes desempean un papel importante en la infec-cin del VIH y en el desarrollo del sida. Pero hay otros factores, entre ellos las propias caracters-ticas del hospedador y del virus, que intervienen tambin.

Algunas personas responden con un ataque inmunitario con-tundente nada ms sufrir la infeccin vrica, quiz porque antes han estado expuestas a otro virus con caractersticas estructurales parecidas al VIH. Una respuesta temprana enr-gica que limite los niveles del VIH puede llegar a eliminar al virus en algunos casos. La contundencia de la respuesta inmunitaria condiciona tambin el propio desarrollo del sida de los individuos infectados.

El hecho de que una persona est en lucha con otros virus puede influir en la susceptibilidad al VIH y en el tiempo que tarda en aparecer el sida. La presencia de otras infecciones en el cuerpo provoca la produccin de citoquinas, algunas de las cuales se cree que facilitan la entrada del VIH en las clulas y su replicacin.

Finalmente, la propia estirpe vrica puede originar grandes diferencias en el ritmo de progresin del virus. Las estirpes que son muy selectivas en el tipo celular a infectar, que se replican y mutan con parsimonia y que no matan las clulas hospedadoras no son tan agresivas contra el sistema inmunitario, al menos al principio. No obstante, incluso las estirpes ms leves pueden ms tarde mutar a formas ms violentas. S.J.OB. y M.D.

PARTICULAS de VIH saliendo de una clula infectada. Algunas estirpes son ms agresivas que otras.

Caba, pues, pensar que, si dos genes CCR5 mutantes proporcionaban una proteccin completa contra el VIH, la presencia de un alelo mu-tante y otro normal proporcionara una proteccin parcial, al reducir a la mitad el nmero de protenas CCR5 funcionales sintetizadas por una clula. Cuando analizamos el tiempo transcurrido entre infeccin y aparicin de los sntomas propios del sida, comprobamos que la ma-nifestacin de sntomas claros del sida se retrasaba entre dos y tres aos en los individuos infectados que portaban un alelo mutante. Este retraso era apreciable tanto en los varones homosexuales como en los hemoflicos. El genotipo heterocig-tico (que presentaba el 20 por ciento de los norteamericanos caucasianos, aproximadamente) tambin retrasaba el momento en el que los niveles de clulas T CD4 bajaban de 200 por milmetro cbico de sangre.

La emocin era grande. La dele-cin, cuando se heredaba de ambos progenitores, ofreca una vigorosa proteccin gentica contra el VIH, incluso despus de repetidas expo-siciones al virus. Y la herencia de una variedad mutante por delecin poda retrasar el desarrollo del sida en los individuos infectados. Estos resultados venan a decir que un tratamiento capaz de bloquear la in-teraccin del VIH con la protena CCR5 normal podra proteger a los individuos sanos frente a la infeccin del VIH, o retrasar el avance del sida en las personas que hubiesen sido ya infectadas con el virus.

Durante aos, los laboratorios far- macuticos haban polarizado sus investigaciones sobre terapias anti-sida en el virus, sin prestar la debida atencin a la participacin de la maquinaria celular del hospedador en el establecimiento crnico de la enfermedad. Las drogas utilizadas en terapia combinatoria, por ejem-plo, salen directamente al paso del desenvolvimiento del propio VIH, impidiendo la operacin de algunas de sus enzimas. A tenor de los resul-tados genticos, convena profundizar en la intervencin del hospedador en el desarrollo del sida; esos nue-vos planteamientos se ordenaran a controlar la replicacin del VIH en pacientes infectados o a impedir la propia infeccin.

Muchos expertos se afanaron en la bsqueda de vas para impedir la interaccin entre el VIH y las protenas CCR5. En teora, ese tipo

de estrategias podra fundarse en la utilizacin de sustancias capaces de unirse a gp120 y enmascararla. En la prctica, sin embargo, la mayora de las investigaciones se propuso dar con procesos que taponaran el sitio de CCR5 que reconoce el VIH.

Un primer asunto a tener en cuenta era que el bloqueo de CCR5 podra resultar arriesgado, ya que si los macrfagos se vuelven sordos a las llamadas de RANTES y otras quimio-cinas relacionadas podra resentirse la inmunidad. Pero este temor se disip en seguida. Los individuos que poseen dos alelos mutantes no presentan problemas inmunitarios ni ninguna patologa hstica; muestran una salud envidiable. Es evidente que otros receptores de quimiocinas son capaces de compensar la falta de CCR5. Dos de ellos (CCR2B y CCR3) pueden tambin servir de co-receptores del VIH, aunque en condiciones normales no desempe-an ese trabajo con la eficacia que caracteriza a CCR5.

Entre las estrategias teraputicas sometidas a consideracin se baraja la introduccin directa en el orga-nismo de molculas capaces de hacer inaccesible al VIH el sitio por el que se une a CCR5. Se citan, entre esas molculas, las quimiocinas o sus derivados sintticos. En ese orden, un equipo internacional ha desarrollado un derivado qumicamente modificado de RANTES, muy prometedor en el tubo de ensayo. Revisten parejo inters los antibiticos sintticos, mo-lculas inmunitarias de mayor tamao que podran dirigirse especficamente al CCR5 para impedir la unin del VIH.

Se habla, asimismo, de la vacuna-cin con fragmentos de CCR5. Con esa prctica, el sistema inmunitario del receptor se vera inducido a fa-bricar sus propios anticuerpos contra CCR5. Y se ensaya con el recurso a la ingeniera gentica para pro-ducir macrfagos con nuevos genes cuyos productos impidan la sntesis de CCR5 o que lo inutilicen como sitio de unin para el VIH.

Para quienes se enfrentan a una muerte inminente con sida terminal y linfomas, nuestro grupo est con-siderando modificar un tratamiento radical, cada vez ms utilizado en el tratamiento de casos avanzados de leu-cemias o cnceres de mama. Cuando se trata de abordar esos cnceres, los pacientes se someten a dosis altas de quimioterapia o radioterapia para las clulas tumorales. Puesto que la terapia destruye las clulas hemato-poyticas de la mdula sea (entre ellas, las que originan el sistema inmunitario), los mdicos vuelven a reconstituir el sistema inmunitario del paciente introducindoles mdula sana compatible.

Y en el caso del sida? Nosotros nos proponemos destruir todas las clulas sanguneas infectadas por el virus y reintroducirle al paciente m-dula sea de donantes homocigticos para la delecin del gen CCR5. Este ltimo paso coadyuvara a proteger al paciente contra nuevas infecciones del VIH y a impedir tambin la propagacin clula-clula de cual-quier partcula de VIH que hubiese sobrevivido al tratamiento antivirus. Eso pensamos.

Aunque la idea de simultanear curacin y proteccin contra VIH


5. STEVE CROHN posee slo alelos mutantes del gen CCR5. Igual que mu-chos otros que presentan el mismo perfil gentico y han corrido un gran riesgo de ser infectados por el VIH, l sigue libre de virus. Los investigadores tratan de encontrar tratamientos que confieran una proteccin similar a los que portan copias normales del gen CCR5.

residuales o secuestrados resulta muy atractiva, hay que andar con tiento antes de emprender una terapia de mdula sea. Por varias razones importantes. En primer lugar, los transplantes de mdula sea encie-rran en s mismos un riesgo: las diferencias inmunitarias entre do-nante y receptor pueden originar un rechazo del transplante o, lo que es peor, pueden hacer que las clulas inmunitarias de la mdula donante ataquen a los tejidos del receptor y maten al paciente.

Adems, en los ltimos meses, se han descubierto individuos que son homocigticos para la delecin y, pese a ello, se han infectado con el VIH. Ignoramos el motivo y el mecanismo de ello, si bien ciertos indicios inducen a sospechar que el agente era una estirpe T-trpica inslita, poderosamente virulenta, que suele aparecer slo en los ltimos estadios de la infeccin del VIH.

Crease hasta ahora que los virus T-trpicos no se propagaban de una persona a otra, porque el sistema inmunitario sano de los individuos que se exponan al virus era capaz de reconocerlos y destruirlos. Slo los virus M-trpicos seran capaces de reinfectar con xito, al multipli-carse en los macrfagos sin que su presencia provoque la destruccin de esas clulas. Algunos indicios sugieren que los pacientes que han resultado infectados, a pesar de ser homocigticos para la delecin, lo

deben simplemente a la mala fortuna de encontrar una estirpe T-trpica rara, capaz de sortear las defensas inmunitarias y provocar la infec-cin, sin necesidad de contar con las estirpes M-trpicas para hacer el trabajo preliminar. Cabe, adems, la posibilidad de que la resistencia innata de los pacientes a las estirpes M-trpicas haya acelerado la transi-cin de las estirpe M-trpicas a tipos T-trpicos capaces de establecer la infeccin ellos mismos.

Si la resistencia a las estirpes M-trpicas mediada por CCR5 favo-rece ese cambio de las estirpes VIH, ello significa que los transplantes de mdula sea, y de hecho cualquier tratamiento preventivo o teraputico pensado para bloquear el acceso del VIH a CCR5, podra resultar perjudi-cial al estimular, en vez de impedir, la infeccin y el desarrollo del sida. Pero no deja de ser tranquilizador el que la mayora de la gente que es homocigtica para la delecin se libre de la infeccin, en vez de sucumbir ante los virus T-trpicos. No obstante, antes de que los mdicos puedan recetar, de forma rutinaria, antago-nistas de CCR5, los investigadores deben demostrar que tales frmacos mejoran, y no disminuyen, las pro-babilidades de supervivencia.

Adems de investigar formas efica-ces y seguras de sacar provecho de los logros de la gentica, los expertos siguen buscando en el genoma otros factores que sugieran nuevas estrate-gias para proteger al hombre contra

la agresin del sida. Es el caso, por ejemplo, de nuestro propio grupo. Hemos identificado una variante del gen CCR2B, que, incluso cuando se presenta en una sola copia, retrasa la aparicin del sida dos o tres aos, igual que ocurre en los heterocigotos para CCR5. A principios del ao en curso, Jianglin He, del Instituto Dana-Faber de Investigaciones Oncolgicas, ha dado a conocer que la protena CCR3 facilita la entrada del VIH en la microgla (clulas inmunitarias del cerebro) y que el bloqueo de los receptores impide, en el laboratorio, la infeccin de dichas clulas por el VIH.

Tras ms de una dcada de bsqueda de rasgos genticos impli-cados en la resistencia al sida, nos sentimos satisfechos de la marcha de la investigacin. No olvidamos, sin embargo, que el objetivo final es la transformacin de los avances genticos en nuevos procedimientos que permitan evitar o luchar con-tra el VIH, un virus suficientemente listo como para acabar con todas las clulas destinadas a eliminarlo. Aunque las aplicaciones teraputicas se mueven todava en el reino de la especulacin, confiamos en que el concurso de investigadores capaces procedentes de campos muy dispares terminar por encontrar una receta que invierta el avance implacable de la epidemia de sida.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

HIV-1 ENTRY COFACTOR: FUNCTIONAL CDNA CLONING OF SEVEN-TRANS-MEMBRANE, G PROTEIN-COUPLED RECEPTOR. Y. Feng, C. C. Broder, P. E. Kennedy y E. A. Berger en Science, vol. 272, pgs. 872-877; 10 de mayo de 1996.

HOMOZYGOUS DEFECT IN HIV-1 CO-RECEPTOR ACCOUNTS FOR RESISTANCE OF SOME MULTIPLY-EXPOSED INDIVI-DUALS TO HIV-1 INFECTION. Rong Liu et al. en Cell, vol. 86, n.o 3, pgs. 367-377; 9 de agosto de 1996.

GENETIC RESTRICTION OF HIV-1 INFEC-TION AND PROGRESSION TO AIDS BY A DELETION ALLELE OF THE CKR5 STRUCTURAL GENE. Michael Dean et al. en Science, vol. 273, pgs. 1856-1862; 27 de septiembre de 1996

CONTRASTING GENETIC INFLUENCE OF CCR2 AND CCR5 VARIANTS ON HIV-1 INFECTION AND DISEASE PRO-GRESSION. Michael W. Smith et al. en Science (en prensa).


Frmaco de la proteasa de HIV

6. MEDICAMENTOS INHIBIDORES DE PROTEASA que frenan la reproduccin del virus de la inmunodeficiencia adquirida. En los ltimos aos, se han desarro-llado frmacos que ayudan a sobrevivir a muchos pacientes.

Se convocaron deprisa y corriendo dos reuniones en el Laborato- rio Nacional del Acelerador Fermi, el Fermilab. Se trataba de un acontecimiento histrico; en aulas contiguas, fsicos adscritos a dos expe-rimentos distintos, aunque acometidos en ese mismo centro, comunicaban el descubrimiento de una partcula nueva: el quark cima (o quark top). Era marzo de 1995. Haban terminado los casi veinte aos de bsqueda de una de las ltimas piezas del modelo estndar que faltaba por descubrir.

El quark cima es el sexto quark. Con toda probabilidad, el ltimo tam-bin. Junto con los leptones el electrn y otras partculas afines, los quarks son el barro del que est hecha la materia. Los ms ligeros, los quarks arriba y abajo, forman protones y neutrones. Con los elec-trones constituyen la tabla peridica

entera. Los dems leptones y quarks (el encanto, el extrao, el cima y el fondo) son ms pesados; si bien fueron abundantes en los momentos que siguieron a la gran explosin (big bang), hoy, por lo comn, se producen slo en los aceleradores. El modelo estndar describe las interac-ciones entre estos ladrillos. Impone que leptones y quarks se asocien en parejas, en generaciones.

Los fsicos saben que existe el quark cima desde 1977, ao en que se descubri su compaero, el quark fondo. Encontrar el cima fue tarea desesperante. Aunque es una partcula fundamental y carece de estruc tura discernible, tiene una masa de 175.000 millones de electronvolts (GeV), tan ta como un tomo de oro y mucho ms que lo previsto por la mayora de los tericos. La del pro-tn, que consta de dos quarks arriba

y un abajo, es slo de menos de 1 GeV. (El electronvolt es una unidad de energa, relacionada con la masa por la frmula E = mc2.)

Para crear un quark cima, pues, hubo que concentrar inmensas cantida-des de energa en una regin nfima de espacio. Se consigui acelerando dos partculas y haciendo que choca-ran una contra otra. Se esperaba que entre unos cuantos billones de coli-siones al menos un puado crease un quark cima a partir de la energa del impacto. Pero se desconoca cunta energa se precisara. El modelo es-tndar predeca muchas propiedades del quark cima la carga, el espn o momento angular intrnseco, pero no determinaba la masa.

Aunque las partculas se pueden crear a partir de la energa, ciertas caractersticas, la carga elctrica por ejemplo, no: se conservan. No es


El descubrimientodel quark cima

Para hallar el sexto quark hubo que provocarlas colisiones de mayor energa y con ms partculas

que jams se haban producidoTony M. Liss y Paul L. Tipton

1. DE LA COLISION VIOLENTA entre un protn y un antiprotn (en el centro) emerge un quark cima, o top (en rojo), y un anticima t (en azul). Se desintegran en otras partculas produciendo un nmero caracterstico de chorros y posiblemente un electrn o un positrn.


posible que un quark cima nazca solo. La manera ms sencilla de engendrar uno consiste en crear a la vez un anticima, que tiene la misma masa y, cambiados, los signos de las dems propiedades; entre los dos se anulan, pues, las magnitudes conservadas.

El colisionador del Fermilab em-pez a funcionar en 1985. Para en-tonces ya haca ocho aos que se persegua el quark cima. Las primeras tentativas, en el Centro del Acele-rador Lineal de Stanford, en Palo Alto, California, y en el DESY de Hamburgo no dieron resultado. Con los aos la caza fue pasando de un acelerador a otro conforme se dispo na de haces de partculas de mayor energa. A principios de los aos ochenta el choque de haces de protones y antiprotones a energas de 315 GeV gener en el CERN, el labo ratorio europeo de fsica de grandes energas, prximo a Ginebra, dos nuevas partculas, el bosn W y el Z.

Los quarks y los leptones forman la materia; W y Z transmiten una fuerza, la dbil, que causa algunos tipos de desintegracin radiactiva. Este descubrimiento fue una nueva confirmacin del modelo estndar, que haba predicho con exactitud sus masas. Muchos crean que era inminente el descubrimiento del quark cima en el CERN.

Pero no sera fcil. Cuando los protones y los antiprotones chocan entre s con grandes energas se produce una colisin entre sus quarks y gluones internos. Cada quark o gluon lleva slo una pequea fraccin de la energa total de su protn o antiprotn, pero el choque ha de tener la suficiente energa para que se generen los quarks cima. Esas colisiones son raras, y cuanto mayor sea la ener ga que se necesita es decir, cuanto mayor sea la masa del cima, ms raras sern.

Para 1988 no se haba descubierto todava el quark cima en el CERN; se concluy que su masa tena que ser mayor de 41 GeV. Mientras, el colisionador del Fermilab iba dando muestras de hasta dnde poda llegar con nuestro reciente CDF, el Detector de Colisiones del Fermilab. La dcada termin con un breve perodo de competicin intensa entre nosotros y el CERN; no apareci el quark cima, pero supimos que su masa no poda ser inferior a 77 GeV.

Por entonces el CERN haba tocado techo. Las energas de sus haces son

menores, y no era probable que crease quarks cima de ms de 77 GeV. En adelante la pugna sera entre el CDF y un nuevo dispositivo experimental instalado al otro lado del anillo de Fermilab, el D0/ (se lee D cero, y se refiere a su situacin en el anillo.)

A principios de los ochenta Leon M. Lederman, director del Fermilab,

decidi que deba haber un com-petidor local del CDF. As se nos meti el rival en casa. A partir de 1992 el D0/ fue tomando datos. Que dos experimentos complementarios estudiasen los mismos fenmenos fsicos no slo espole a unos y a otros, sino que tuvo un efecto be-neficioso adicional. Por mucho que los experimentadores se esfuercen,

CONSTITUYENTES DE LA MATERIA

QUA

RK

SLE

PTO

NES

ARRIBA

ABAJO

ARRIBA

ABAJO

TRANSMISORES DE LA FUERZA

BOSONES VECTORIALES FOTON GLUON

MASA(GeV)

CARGA

FUERZA

ENCANTO

EXTRAO

80 80 91 0 0

+1 1 0 0 0

DEBIL DEBIL DEBIL ELECTRO-MAGNETICO FUERTE

MASA(GeV)

MASA(GeV)

t

MASA(GeV)

MASA(GeV)

0,3 1,5 175

0,3 0,5 4,5

CARGA

+2/3

1/3

tcc

ss bb

ELECTRON MUON TAU

0,0005 0,106 1,7 1

e-e- --

W +W + W W Z 0Z 0 gg

uu

--

NEUTRINODEL

ELECTRON

NEUTRINODEL

MUON

NEUTRINODELTAU

0? 0? 0? 0

ee

dd

Los elementos del modelo estndar

La materia consta de dos tipos de partculas: quarks y leptones. Se asocian por grupos o generaciones. Los quarks arriba y abajo, por ejemplo, construyen, con los electrones, los tomos; son los miembros de la primera generacin. Los quarks ms pesados se crean slo en los aceleradores; as pasa con el cima y el fondo. Por cada quark o leptn hay un antiquark o antileptn de carga opuesta (no se muestran aqu).

Un conjunto diferente de partculas transmite las fuerzas: los bosones W y Z, el fotn y los gluones. Los W y Z transmiten la fuerza nuclear dbil, que acta en desintegraciones radiactivas. Por ejemplo, un quark arriba puede convertirse en uno abajo emitiendo una partcula W, que a su vez se desintegra en un par de quarks o de leptones. El fotn trans-mite la fuerza electromagntica, que a grandes energas se unifica con la fuerza dbil. Los gluones transmiten la fuerza fuerte que enlaza los quarks arriba y abajo y as se forman los protones y los neutrones. Se cree que existe una partcula ms, la de Higgs, que an no se ha encon-trado. T.M.L. y P.L.T.


siempre caben resultados espurios. Un segundo experimento sirve de refrendo.

Tanto en el equipo del CDF como en el del D0/ trabajan ms de 400 fsicos de distintos pases. A ellos hay que aadir un sinnmero de ingenie-ros, tcnicos y personal auxiliar. Los dos equipos rivales son autnomos en sus decisiones y anlisis. Cada uno intenta adelantarse al otro en los descubrimientos. Pero es una compe-ticin amistosa y solemos compartir mesa en la cafetera.

En el cdigo no escrito de los dos experimentos est el que no se comen ten fuera del propio equipo los resul tados de los anlisis fsicos hasta que no se hayan cerrado. Sin embargo, a la vista estaba la imposibilidad de guardar los secretos de la bsqueda del cima. Por citar un dato: hay al menos tres cientficos cuyo cnyuge pertenece al equipo antagonista. Para atajar rumores infundados, llegamos con los del D0/ al acuerdo de que, si uno de los grupos experimentales estaba a punto de obtener un descu-brimiento sensacional, avisara al otro con una semana de antelacin.

El dispositivo fundamental en todo experimento de grandes energas es el detector, que registra los resi-duos de las colisiones. Basndonos en los mejores clculos tericos es-perbamos que alrededor de una de cada 10.000 millones de colisiones produjese un quark top. Las dems, aunque interesantes en otros pro-yectos, constituan slo el trasfondo complejo del que habra que extraer el quark cima.

Diez aos dedicaron el equipo del CDF y el del D0/ a la prepa-racin de enormes y refinados ins-trumentos, con cientos de miles de canales electrnicos, que pudiesen reconocer la firma del quark cima, la traza que dejara en los detectores. El punto fuerte del sistema de detec-cin del CDF estriba en su capacidad de seguir con precisin las trayec-torias de las partculas elementales en un campo magntico (para medir sus momentos); el del D0/ es un calormetro segmentado, sumamente

preciso, que mide la energa de cada colisin.

El quark cima y el antiquark an-ticima, una vez producidos, se des-integran casi de inmediato. A dife-rencia de los quarks arriba y abajo, que son estables, el cima tiene una vida media de slo 1024 segundos. El modelo estndar predice que, si posee masa suficiente, el quark cima se desintegrar casi siempre en un W y un quark fondo. As que, si se creaban, el cima y el anticima iban a generar dos W, un quark fondo y un antifondo.

Por desgracia, ni el W ni el fondo pueden observarse de forma directa. La vida media del W es aproxima-damente la misma que la del quark cima. El quark fondo tambin es inestable, pero vive mucho ms que el cima. Adems, no pueden verse nunca quarks sueltos, o desnudos. La interaccin fuerte, que los une, hace que aparezcan siempre ligados a otros quarks y antiquarks, bien en pares, es decir, en mesones, o en tripletes, es decir, en bariones. (Los protones y neutrones son bariones.) Cuando de una colisin sale un quark, le viste una nube de otros quarks y antiquarks. Se observa un chorro, un haz de partculas orientado en una direccin determinada, ms o menos la que tena el movimiento del quark original.

La partcula W puede desinte-grarse en un quark y un antiquark

de la misma generacin, un arriba y un antiabajo, por ejemplo. En tal caso, quark y antiquark apa-recen en el detector de partculas en forma de dos chorros. Pero W puede desintegrarse tambin lept-nicamente, es decir, en un leptn cargado y otro neutro de la misma generacin, un electrn y un neu-trino, por ejemplo.

Si el leptn cargado es un electrn o un muon (una copia ms pesada del electrn), el detector lo observar directamente. Pero si es un tau (una copia an ms pesada del electrn), se desintegrar en seguida y costar identificarlo. El neutrino (que carece de masa o la tiene muy pequea) atra-viesa los detectores inadvertido. No obstante, podemos inferir su presencia porque se lleva consigo momento. Si se suman los momentos de todas las partculas vistas en el detector y falta una cantidad apreciable, se presupone que un neutrino se la ha llevado.

Cuando empezamos en agosto de 1992 a tomar datos, subimos el lmi te inferior de la masa del quark cima a 91 GeV. Fue un hito. El W es el vehculo de la interaccin entre los quarks de la misma gene racin y, por tanto, entre cima y fon do. Si el quark cima hubiera sido lo bastante ligero menos de unos 75 GeV, un W podra haber producido un cima desintegrndose en l y un antifondo. Ahora sabamos que la nica forma

TONY M. LISS y PAUL L. TIPTON, que han contribuido a la construccin de componentes fundamentales del Detector del Colisionador del Fermilab (CDF), han coordinado tambin el grupo de bsqueda del quark cima.

3 METROS

CHORRODE FONDO/ANTIFONDO

CHORRO DEL W CHORRO DEL W

POSITRON


a

de encontrar un cima sera creando un par cima-anticima.

Una de las caractersticas ms lla-mativas de la creacin de un su-ceso de quark cima son los chorros producidos por los quarks fondo. El quark fondo viaja en un cho-rro como parte de un mesn o de un barin y se desintegra a medio milmetro de donde se gener. En 1992 empezamos a seguir las tra-yectorias de las partculas de los chorros con fina precisin merced a un instrumento especial instalado sobre la zona misma donde chocaban los haces. Este detector de vrtices con tcnica de silicio poda localizar la trayectoria de una partcula con una precisin de 15 micrometros. Esperbamos que, hallando la mayo-ra de las trayectorias del chorro y extrapolndolas hacia atrs, daramos con el punto (el vrtice) donde el quark fondo se haba desintegrado, y as podramos atribuir el chorro a un chorro de quark fondo.

La tcnica del silicio era nove-dosa. Nos preocupaba, en particular, el efecto del paso de billones de partculas. Sabamos que el detec-tor entero se achicharrara en una fraccin de segundo si una pifia del acelerador descargaba sobre l los haces. Preparamos un sistema espe-cial de proteccin que los desviara y pondra a salvo el silicio si surga un problema. Mientras nos familiari-zbamos con el detector de vrtices,

el equipo del D0/ emprendi la construccin de su propio detector para el lado opuesto del anillo del acelerador.

A los tres meses, en octubre de 1992, vislumbramos la primera pista del quark cima: un suceso en que aparecieron un electrn y un muon de gran energa, momento perdido en bastante cuanta y dos chorros. Tras analizar el episodio con el mayor de-talle, llegamos a la conclusin de que podra ser lo que buscbamos. D0/ haba observado tambin un suceso parecido, y su interpretacin ms probable era que haba emergido un quark cima. Pero no bastaba con un solo suceso; tenamos que observar dicho quark de varias formas di-ferentes para estar seguros de que el trasfondo de colisiones no nos engaaba, de que no haba imitado aleatoriamente la firma del cima. Pusimos ms atencin en el trabajo, pero no descubrimos nada inslito. No caba duda de que andbamos muy lejos de alcanzar la meta.

Tres grupos participaron en el anlisis de los resultados del CDF. Uno de ellos, que lo buscaba entre los sucesos con dos leptones (de dos desintegraciones de W) y al menos dos chorros (presumiblemente de los quarks fondo), hall nuestro candidato a primer quark cima. Los otros dos grupos buscaban en los sucesos con un leptn (de la desintegracin de un

W) y chorros (de la otra desintegra-cin de un W y de los quarks fondo). Siguieron estrategias diferentes. Uno identificaba los chorros de quark fondo a partir de las seales del detector de vrtices, que funcionaba muy bien. El otro buscaba leptones de poca ener ga, seal de la desin-tegracin de un quark fondo.

Casi al ao el CDF haba subido el lmite inferior de la masa a los 108 GeV, y despus el D0/ lo catapult a 131 GeV. Y seguamos buscando. En una reunin plenaria del CDF los tres grupos presentaron el estado de su anlisis en julio de 1993. Tomados por separado, los resultados de cada grupo pecaban de ambigedad, pero juntos amasaban una prueba convin-cente de la deteccin de un quark cima. Uno de nosotros (Tipton) haba comprometido de antemano su asisten-cia a un congreso, donde expondra nuestros ltimos resultados. Tras la reunin, nos percatamos de que si presentbamos los resultados la gente pensara que habamos detectado el quark cima. Las cosas no estaban tan maduras. Se convino, pues, que Tipton se centrara en nuestros mtodos y en las dificultades que encontrba-mos para hallar el quark cima, pero silenciando los ltimos avances. Se dispararon los rumores, algunos muy atinados y otros fuera de lugar. De nada sirvi que suspendisemos en la primavera de 1994 nuestra ponencia en un congreso importante.


Un suceso clsicode quark cima

Un protn y un antiprotn que viajan en di-recciones opuestas por el eje del haz (que apunta afuera de la pgina) chocan en el centro del Detector del Co-lisionador del Fermilab (CDF) (ilustracin de portada de este nmero de la revista). El impacto produce cuatro chorros (a) y algunas partculas ms. La desintegracin de un quark fondo y un antiquark antifondo genera dos chorros, identificados por un detector de vrtices con tcnica de silicio; los otros dos se producen por la desintegracin de un W en un quark y un antiquark. La desintegracin de otro W produce un positrn de gran energa y un neutrino invisible (flecha roja). Los chorros mltiples acompaados por un positrn alertan a los experimentadores de la posible creacin de un quark cima.

Un campo magntico dirigido a lo largo del haz curva las trayectorias de las partculas cargadas. La direccin de la curvatura dice el signo de la carga; su magnitud, el momento. Adems, un calormetro circunda el haz; mide la energa de las partculas producidas por la colisin. En el dibujo est desenrollado (b). La altura de las barras indica la energa liberada por las partculas en el segmento correspondiente. Gracias a la combinacin de aparatos es posible reconstruir el suceso original (representado en la figura 1) con un elevado grado de fiabilidad. T.M.L. y P.L.T

ENERGIA

bNEUTRINO

NO OBSERVADO


CHORRODE W

POSITRON CHORRODE W


Del billn, ms o menos, de co-lisiones producidas en el CDF nos habamos quedado con 12 sucesos en los que pareca que se haba creado un par cima-anticima. Pero haba otros procesos fsicos dispuestos a arrogarse la paternidad de ese suceso, por lo que debamos calcular su pro-babilidad. La de que el trasfondo de colisiones fuese el nico causante de esos 12 sucesos era de alrede-dor de uno en 400. Quedaba, pues, una pequea posibilidad de que no se hubiera observado ningn quark cima.

Sometimos los 12 sucesos a un anlisis exhaustivo. Uno de los trabajos fundamentales era la reconstruccin de la masa del quark cima. Sumando las energas de los chorros y leptones emitidos por (se su-pona) un par cima-anticima podamos llegar a un valor de la masa del quark cima. Si los sucesos se haban generado realmente por ese par, las ma-sas que dedujsemos deberan apiarse en torno a un solo valor, la verdadera masa del quark cima. Si, por contra, los sucesos los haba producido el trasfondo de colisiones, la distribucin tendra que ser mucho ms amplia. La masa se api en un estrecho intervalo alrededor de unos 175 GeV. Para muchos de nosotros sta era una prueba convincente de que el trasfondo de colisiones no nos estaba engaando.

Pensamos en un principio escribir cuatro artculos, uno por cada tipo de anlisis y otro con un resumen de los resultados. En la siguiente reunin plenaria del equipo, los cuatro grupos encargados de redactar los artculos los presentaron a los dems miem-bros. Nos acribillaron sin piedad: los artculos eran incompletos, el cuadro que pintaban no era coherente. Abandonamos la idea de los cuatro artculos y un grupo restringido (al que pertenecamos los dos) se puso a trabajar en uno solo.

El proceso fue dursimo. Para cada expresin haba tantas opiniones cuan-tos sujetos. Cuesta satisfacer a 400 redactores en jefe. Por si fuese poco, meses ms tarde, cuando nos acercba-mos al punto y final, nos llegaron co-rrecciones de hasta fuera del equipo. Tras largo debate, se decidi que el resultado no se presentara como un descubrimiento sino que se expondra como una aproximacin, un indicio de la existencia del quark cima. El 22 de abril de 1994, remitimos el artculo para su publicacin.

Guardamos a buen recaudo todos los borradores y la documentacin en un subdirectorio del ordenador de nuestra secretaria; lo llamamos la olla. Como caba esperar, una clave tan dbil no hizo mucho por esconder nuestros secretos. Justo antes del anuncio, dos becarios posdoctorales enviaron una parodia de artculo terico a un tabln de

anuncios electrnico. Basndose en una teora disparatada, predecan la masa del cima: el valor del CDF hasta el ltimo decimal. Hacan saber que esperaban ofertas de trabajo.

Pocos das despus de haber remi-tido para su publicacin el artculo del CDF celebramos un seminario y una rueda de prensa en el Fer-milab para anunciar los hallazgos.

Tambin presentaron sus resultados los del D0/. Aunque sus resultados eran compatibles con los del CDF, no mostraron pruebas muy slidas de la deteccin de quarks cima, salvo un suceso excepcional que registraron al principio de sus investigaciones, pero el grupo haba previsto que la masa del quark cima sera pequea y, en consecuencia, no haban diseado de

forma ptima su bsqueda.En unas semanas el equipo

del D0/ haba acabado sus rea-nlisis (para un quark cima ms pesado) y estaba adems observando nuevos signos de su existencia. Los dos grupos emprendieron la toma de ms datos. Para confirmar el ha-llazgo necesitbamos al menos el doble de sucesos en que se hallara involucrado el quark cima. Se instal en el CDF un nuevo detector de vrti-ces con tcnica de silicio, en sustitucin del viejo, daado por la radiacin. Tuvimos que familiarizarnos con sus pecu-

liaridades, pero al final este apa-rato funcion mejor que el primero. Ideamos un nuevo algoritmo para la deteccin de quarks cima con el detector de vrtices aprovechando la larga experiencia adquirida. Cuando conseguimos datos suficientes, los procesamos con el algoritmo refi-nado. No tardamos en comprender que tenamos el quark cima.

Las presentaciones finales, el 2 de marzo de 1995, aportaron prue-bas abrumadoras de la deteccin del quark cima tanto por el CDF como por el D0/. Los dos equipos comuni-caron una probabilidad de menos de uno en 500.000 de que sus posibles quarks cima pudiesen explicarse slo por el trasfondo de colisiones.

Desde entonces hemos obtenido ms de 100 sucesos. Tambin he-mos hecho bsquedas provisionales de fenmenos que trascienden el mo-delo estndar. La masa grandsima del cima el valor actual es 175,6 GeV da a entender que quiz sea diferente de los otros quarks, y ah reside la esperanza de que nos pueda llevar ms all del modelo estndar, que, aunque funciona, deja muchas cosas sin explicar.

En el modelo estndar la interac-cin dbil, cuyos vehculos son las partculas W y Z, y la electromag-ntica, transmitida por los fotones, se unifican en una sola interaccin electrodbil a energas muy altas, dadas slo en los instantes iniciales


TRASFONDODE COLISIONES

TEORICOSIN EL CIMA

TRASFONDODE COLISIONES

TEORICOCON UN CIMA

DE 175 GeV

POSIBLESSUCESOSDE QUARK CIMA

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280MASA DEL QUARK CIMA (GeV)

2

1,5

1

0,5

0

SUCE

SOS

PROMEDIOMUNDIAL

DE LA MASADEL W

MASADEL CIMAEN ELFERMILAB

100100250250500500100

0100

0

140 160 180 200 220

81

80,8

80,6

80,4

80,2

80

MASA DEL QUARK CIMA (GeV)

MAS

A DE

L W

(G

eV)

MASA

DEL H

IGGS (G

eV)

2. LA RECONSTRUCCION de la masa del quark cima (arriba) a partir de los 12 primeros sucesos del CDF se apia alrededor de 175 GeV. Pero la precisin con que se conocen las masas del cima y del W no basta (abajo) para predecir la masa de la partcula de Higgs. Podra estar entre 100 y 1000 GeV.

del universo. En el mundo de baja energa donde vivimos las interaccio-nes electromagntica y dbil eviden-cian una naturaleza muy distinta. No se conoce el mecanismo que caus la ruptura de su simetra inicial, pero en el modelo ms sencillo la produce una nueva partcula, la par-tcula de Higgs.

A energas muy grandes, cuando existe la simetra, las partculas W y Z, los fotones, los leptones y los quarks carecen de masa. A energas menores, cuando la simetra se rompe, W y Z interaccionan con la partcula de Higgs y adquieren masa; en el proceso la recaban tambin quarks y leptones. Pero mientras las masas de W y Z se calculan con el modelo estndar, las de los quarks y los elec-trones se insertan en l mediante unos parmetros ajustables que describen la intensidad con la que cada quark o leptn interacciona, o se acopla, con la partcula de Higgs.

Para el electrn, que es muy ligero, la intensidad de la interaccin es 3 106. Para el quark cima es casi exactamente uno. Este acoplamiento bastante intenso con la partcula de Higgs, y en cierta forma la magia del nmero uno, dan a entender que el quark cima podra desempear un papel especial. No sabemos cul. Su gran masa le convierte en el quark que, por lo que se refiere a las in-teracciones con otras partculas, ms influye. Una medicin muy precisa de la masa del quark cima, por ejem-plo, junto con la de W, conducira a una prediccin de la masa de la partcula de Higgs.

Hay formas de romper la sime-tra de la teora electrodbil que no necesitan de una partcula ele-mental de Higgs. Una de las teoras propuestas la reemplaza por un par cima-anticima, y predice la exis-tencia de nuevas partculas pesadas que se desintegraran en pares de cima y anticima. Este efecto podra incrementar el ritmo de produccin de los quarks cima.

En razn de su masa ingente, las desintegraciones del quark cima constituyen un campo abonado para la bsqueda de partculas nuevas. Hay quienes sospechan que unos cuantos de los sucesos reunidos por el CDF encierran partculas super-simtricas. La supersimetra es un tipo de simetra que asigna a cada partcula del modelo estndar unos compaeros todava por descubrir. Si existen y son ms ligeros que el quark cima, podran aparecer en los sucesos asociados a ste. Por

ejemplo, la desintegracin de un quark cima (top) podra producir su propio compaero supersimtrico (el stop). O, gracias a la super-simetra, se generaran pares de cima y anticima por la desintegracin de un gluino (el compaero hipottico del gluon). Hasta podran anu-larse entre s estos efectos; en cuyo caso no se aprecia-ra cambio neto alguno en la produccin observada de cimas y anticimas.

La supersimetra no predice una sola partcula de Higgs, sino una familia de cuatro o ms. Si existiesen y fuesen ms ligeras que los quarks cima podran aparecer en las desin-tegraciones de stos. Tanto el CDF como el D0/ han puesto en marcha bsquedas de es-tas partculas hipotticas, hasta ahora sin resultado.

Otra cuestin crtica es si los quarks, sobre todo el cima, de tanta ma sa, constituyen en realidad partculas elementales sin estructura interna. Hace poco el CDF midi la tasa de creacin de chorros de gran energa en el colisionador del Fermilab; se comprob que superaba lo imaginado. Gracias a las dispersiones de gran energa en ngulos amplios (como la dispersin de Rutherford, que descubri que el tomo tena un ncleo) se vislumbra la estructura de los objetos que chocan. Una interpre-tacin posible de nuestros resultados es que los chorros excedentes se deben a las colisiones de objetos an menores existentes dentro de los quarks y no observados todava por ningn otro experimento.

A una conclusin tan radical, que cambiara por completo la teora de los quarks, slo llegaramos si exclu-ysemos cualquier otra posibilidad. Que la produccin de chorros parezca excesiva podra obedecer a sutiles errores de las predicciones. Estamos explorando las posibilidades; los da-tos favorecen de momento una de esas explicaciones. Por ahora hemos de concluir que el quark cima, aun-que tenga una masa tan grande, es una partcula fundamental, sin partes constituyentes.

El acelerador del Fermilab se en-cuentra en fase de renovacin. El equipo del CDF y el del D0/ estn refinando los detectores. Volveremos a tomar datos en 1999. Gracias a las mejoras del acelerador, los quarks

cima se producirn a un ritmo veinte veces mayor; con el refinamiento de los detectores, se registrarn sin am-bages. Eso significa que se hallarn los quarks cima a un ritmo 30 veces superior que lo conseguido hasta en-tonces, lo que permitir estudiar con mayor detalle sus caractersticas. El Gran Colisionador de Hadrones del CERN empezar a funcionar hacia el 2006. Producir dos haces de protones que chocarn a 14 TeV (tera, o 1012, electronvolts) siete veces la energa del Fermilab, y as se generar casi un par cima-anticima por segundo.

Dentro de unos pocos aos el quark cima servir para buscar la solucin de las preguntas que siguen en el aire acerca de la materia y de las fuerzas que rigen el mundo fsico. Qu nuevos principios de la fsica surgirn ms all de lo que ahora sabemos es pura cbala.


3. UNOS 1000 FISICOS e innumerables tcnicos, entre el equipo del CDF y el del D0/, contribuyeron al descubrimiento del quark cima. Las primeras pginas de las respectivas comunicaciones del descubrimiento slo incluyen nombres.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

OBSERVATION OF TOP QUARK PRODUC-TION IN pp- COLLISIONS WITH THE COLLIDER DETECTOR AT FERMILAB. F. Abe et al. en Physical Review Letters, vol. 74, n.o 14, pgs 2626-2631; 3 de abril de 1995.

OBSERVATION OF THE TOP QUARK. S. Abachi et al., id., pgs. 2632-2637.

TOP-OLOGY. Chris Quigg en Physics Today, vol. 50, n.o 5, pgs. 20-26; mayo de 1997.

Desde hace aos se viene dis- cutiendo sobre la fecha y el lugar en donde se invent el ordenador universal. Ciertas institu-ciones de los Estados Unidos cele-braron en 1996 las bodas de oro, en conmemoracin de que se cumplan 50 aos de la presentacin pblica del ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Computer). Esta m-quina fue en su poca el ordenador ms rpido. De ah que la prensa la considerase durante muchos aos el primer ordenador del mundo. La verdad es que los propios norteame-ricanos han ignorado el trabajo de

otros compatriotas, as John Atanasoff (1903-1995), o no han otorgado la debida importancia a las invenciones de extranjeros, como ha sucedido con Konrad Zuse (1910-1995).

En este artculo me propongo anali-zar la estructura lgica de las mqui-nas de cmputo creadas por Zuse. Me ocupar, sobre todo, de la estructura de dos de sus primeras creaciones, la Z1 y la Z3, que llama la atencin por su sorprendente actualidad cuando se las compara con la estructura de procesadores construidos hasta hace pocos aos. Para realizar este trabajo, cont con la ayuda directa de Zuse.

En 1995 me entreg, fotocopiada, la documentacin que haba adjuntado a la solicitud de patentes en los aos de la se

Investigación y ciencia 255

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