Investigación y Ciencia 305 - Febrero 2002

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FEBRERO 20024,81 EURO 800 PTA.

CRISTALES FOTONICOS FITOCROMOS Y DESARROLLO VEGETAL

Alimentacin en Harappa

ESTRELLAS PRIMIGENIASANGIOGENESIS

BIOLOGIA DEL ULTIMOCUARTO DE SIGLO

ESTRELLAS PRIMIGENIASANGIOGENESIS

BIOLOGIA DEL ULTIMOCUARTO DE SIGLO

Alimentacin en Harappa

4Febrero de 2002 Nmero 305

SECCIONES3

HACE...50, 100 y 150 aos.

30PERFILES

Susan Solomon:el legado de Scott

32CIENCIA Y SOCIEDAD

Cartografa cromosmica,Drosophila buzzatii...Plantas medicinales,

el clquico...Excitacin e inhibicin

nerviosas... Reconocimientodel habla.

38DE CERCA

Camuflarse o exhibirse?Fitocromos y desarrollo vegetalJaime F. Martnez Garca, Elena Montey Francisco J. Ruiz Cantn

Los fitocromos son unos pigmentos vegetalesque controlan diferentes aspectos del desarrolloe informan a las plantas de los cambios operadosen el entorno para optimizar su crecimiento.

Cristales fotnicosEli Yablonovitch

Estos materiales nanoestructuradoscon formaciones ordenadas de agujeros podranllevarnos a una revolucin optoelectrnica.Realizan con luz lo que los semiconductoreshacen con electrones.

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AngiognesisteraputicaRakesh K. Jainy Peter F. Carmeliet

Cuando sea posible regularla formacin de vasossanguneos nuevos,o angiognesis, se contarcon un nuevo tipo detratamiento del cncery de las enfermedadesdel corazn. Los ensayosen seres humanos conla primera generacinde frmacos desarrolladospara cumplir ese objetivose encuentran en la ltimafase de experimentacin.

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Edicin espaola de

SECCIONES85

CURIOSIDADES DE LA FSICAFsica del remo

por Roland Lehoucqy Jean-Michel Courty

88JUEGOS MATEMTICOS

La paradoja de los dos sobres,por Juan M.R. Parrondo

90IDEAS APLICADAS

Cobro electrnico de peajes,por Mark Fischetti

92LIBROS

De la materia mdicaa la botnica... Materiales.

96AVENTURAS PROBLEMTICAS

Grupo modal: Casi iguales,por Dennis E. Shasha

Poder nuclearde la India y PakistnM. V. Ramana y A. H. Nayyar

El subcontinente indio es el lugarms probable para una guerra nuclear.

50 Estrellas primigeniasRichard B. Larson y Volker Bromm

Con una masa y un brillo excepcionales,las primeras estrellas que irrumpieronen el universo cambiaron el cursode la historia csmica.

58 La biologaen el ltimo cuarto de sigloJos Mara Valderas

La aparicin de nuevas tcnicas,sumada al creciente conocimiento molecularde las estructuras biolgicas, han aceleradoel desarrollo de las ciencias de la vida en los ltimos 25 aos.

76 Los casquetes polaresFrdrique Rmy y Catherine Ritz

No son los inmensos bloques de hieloen reposo que se haba credo. Junto conzonas estacionarias, los cruzan glaciaresque se deslizan muy rpidos.

70 La pescaen la cultura de HarappaDietrich Sahrhage

Pese al parco conocimiento de la antiguacultura del valle del Indo, lasrepresentaciones pictricas, los hallazgosseos y los restos de artes sugieren queel pescado era una fuente importante dealimentacin de esa histrica ciudad.

INVESTIGACION Y CIENCIADIRECTOR GENERAL Francisco Gracia GuillnEDICIONES Jos Mara Valderas, directorADMINISTRACIN Pilar Bronchal, directoraPRODUCCIN M.a Cruz Iglesias Capn

Bernat Peso InfanteSECRETARA Purificacin Mayoral MartnezEDITA Prensa Cientfica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa)

Telfono 93 414 33 44 Telefax 93 414 54 13

SCIENTIFIC AMERICANEDITOR IN CHIEF John RennieEXECUTIVE EDITOR Mariette DiChristinaMANAGING EDITOR Michelle PressASSISTANT MANAGING EDITOR Ricki L. RustingNEWS EDITOR Philip M. YamSPECIAL PROJECTS EDITOR Gary StixSENIOR WRITER W. Wayt GibbsEDITORS Mark Alpert, Steven Ashley, Graham P. Collins, Carol Ezzell,

Steve Mirsky y George MusserPRODUCTION EDITOR Richard HuntVICE PRESIDENT AND MANAGING DIRECTOR, INTERNATIONAL Charles McCullaghPRESIDENT AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER Gretchen G. TeichgraeberCHAIRMAN Rolf Grisebach

PROCEDENCIADE LAS ILUSTRACIONES

Portada: G. Helmes, Aachen

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Fuente

Hurd StudiosKeith Kasnot (ilustracin); MichaelAbbey (folculo); Simon Fraser(cerebro, trombos en las piernas ycncer de mama); Salisbury DistrictHospital (huesos fracturados); P.Motta (tejido adiposo); Cecil H.Fox (endometriosis); Stanford EyeClinic (retina); Spl/PhotoResearchers, Inc.CNRI PhototakeEdward BrownCortesa de Eli YablonovitchCortesa de Blaze Photonics(izquierda y centro); Crystal Fibrea/s (derecha)Paul Beard (izquierda); HelenGhiradella, de The Annals of theEntomological Society of America,vol. 78, 1985 (centro); The PurcellTeam Corbis (derecha)Slim FilmsJaime F. Martnez Garca, ElenaMonte y Francisco J. Ruiz CantnAamir Qureshi AFP Photo (Corbis)AP Photo; Terry C. Wallace,Universidad de Arizona (inserto)B. K. Bangash AP Photo (Khan);Cortesa de Bhabha atomic ResearchCenter (Bhabha)Bryan ChristieCortesa de Urenco NederlandDon DixonNature, vol. 171, pg. 737; 1953J. Parkhill y B. W. Wren et al.James King-Holmes SPLDavid E. Coming y Tadashi OkadaKeith R. Porter, David M. Prescotty Jearl F. Frye, Univ. de ColoradoScott Henderson y David Spector(micrografa); Tomo Narashima(abajo)M. M. Perry y A. B. Gilbert (a-d);Lelio Orci (e)Seong-Gi Kim y Kamil UgurbilC. Daiguet y C. EdelmannHans PfletschingerG. Helmes, AachenJean DesseAtelier KhnG. Helmes (arriba); Inst. Italianoper LAfrica e LOriente, Roma(abajo)T. Gloerfelt-Tarp y P. J. Kailola(Pomadasys y Arius); JohnnyJensen (Wallago)CorbisPour la ScienceBernard Gely, Obs. Cte dAzurLEGOS/CNRS/CNESLEGOS/LGGELEGOS/CNRS/CNESFFSA Presse J.-P. Surault (arriba);Bruno Vacaro (abajo)Bruno VacaroMark SchroederSara Chen

COLABORADORES DE ESTE NUMEROAsesoramiento y traduccin:

Jos M. Valderas Martnez: Angiognesis teraputica; Ceferino Lpez: Cristales fotnicos;J. Vilardell: Poder nuclear de la India y Pakistn, Hace..., Curiosidades de la fsica e Ideasaplicadas; M. Rosa Zapatero: Estrellas primigenias; Francesc Asensi: La pesca en la culturade Harappa; Manuel Puigcerver: Los casquetes polares; Angel Garcimartn: Perfiles;Luis Bou: Aventuras problemticas

Copyright 2001 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017.

Copyright 2002 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 mediomecnico, fotogrfico o electrnico, as como cualquier clase de copia, reproduccin, registro otransmisin 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.ISSN 0210136X Dep. legal: B. 38.999 76Filmacin y fotocromos reproducidos por Dos Digital, Zamora, 46-48, 6 planta, 3 puerta - 08005 BarcelonaImprime Rotocayfo-Quebecor, S.A. Ctra. de Caldes, km 3 - 08130 Santa Perptua de Mogoda (Barcelona)Printed in Spain - Impreso en Espaa

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Difusincontrolada

INVESTIGACIN Y CIENCIA, febrero, 2002 3

...cincuenta aos

HACIA EL ESPACIO. Mucho an-tes de que el primer habitante dela Tierra recale en la Luna, habrotros hitos. Se est incluso tantean-do en los bordes del espacio. Enun reciente vuelo experimental, elDouglas Skyrocket, ingenio pilo-tado con un motor cohete, se elevhasta una altura (se dice que 24.000metros) donde ms del 96 por cientode la atmsfera terrestre se hallapor debajo de los pies del piloto.En lo que respecta a la disponi-bilidad de oxgeno, el hombre cruzala frontera del espacio a unos 16.000metros de altura. El piloto delSkyrocket rompi esa barrera. Paraello tuvo que ser encerrado en unaindumentaria estanca dentro de lacabina, o sea, vestido con un trajeespacial.

EUGENESIA. Podemos intentarsuprimir los genes nocivos, no slocontrolando la reproduccin sino,mejor an, identificando y sepa-rando las clulas germinales desea-bles de las indeseables, que pre-visiblemente se hallan en todos losindividuos. Podemos ver de mejo-rar la creacin de variedades g-nicas por mutacin artificial conradiaciones y sustancias qumicas.Las mutaciones suelen ser apeor, pero bien podra aconte-cer que el futuro coloque ennuestras manos herramientas es-pecficas con las que cambiarlas variedades gnicas menosdeseables por otras ms desea-bles. Los avances en esos cam-pos de la biologa probablementeirn por delante de nuestro pen-sar social y poltico.

...cien aos

STONEHENGE. Los trabajosde volver a levantar el GranMonolito de Stonehenge han per-mitido a los arquelogos for-marse un juicio ms fiable so-bre la poca en que se erigieron

esos monumentos druidas. Se de-senterraron numerosos tiles de pie-dra neolticos que muestran todoslos signos de haberse empleadopara cortar y escuadrar las piedras.Muestran todos seales de una la-bor dura. Actualmente, los expertosalbergan pocas dudas de que Sto-nehenge fue construido en el Neo-ltico, pues de haberse construidoen la Edad del Bronce o la delHierro se habran empleado herra-mientas de bronce o hierro. Sueleadmitirse que el bronce se introdu-jo en Britania hacia el 1500 a.C.

WRIGHT. El seor WilburWright, de Dayton (Ohio), ha le-do un trabajo de sumo inters antela Sociedad de Ingenieros del Oeste,titulado Algunos experimentos deAeronutica. Proyectaron los se-ores Wilbur y Orville Wright pla-near desde cimas de cerros de arena.Pareca razonable que, si el cuerpodel operador pudiera colocarse enposicin horizontal, y no derecho,como en las mquinas de OttoLilienthal, Percy Pitcher y OctaveChanute, se reducira sustancial-mente la resistencia del viento. Lanueva mquina de 1901 era de msde 28 metros cuadrados, un arti-lugio que, por su magnitud, se ve-na considerando imposible de con-

trolar. En las costas de Carolinadel Norte, planeando desde la cimade un cerro de arena, con el vientosoplando a 20 kilmetros por hora,la mquina despeg y ejecut unvuelo ondulante de 90 metros. Alos espectadores el vuelo les pa-reci perfecto, pero el operador sehaba dado cuenta de que habanecesitado toda la potencia del ti-mn para que la mquina no seprecipitase en el suelo ni se ele-vara tanto, que perdiese el mpetu.Mostraron asimismo los experi-mentos que uno de los mayorespeligros de las mquinas de colashorizontales haba sido salvado porel uso de un timn frontal. [Notade la redaccin: la famosa m-quina voladora de los hermanosWright se hizo al aire el mes dediciembre de 1903.]

...ciento cincuenta aos

DISPARATES EVOLUTIVOS. Losautores [annimos] de Vestigios dela Creacin han propagado la doc-trina de que la vida es progresiva,o sea, que se elev paso a pasodesde estadios elementales. Inclusose sostiene que el hombre prima-rio era un delfn, y dislates as.Esa clase de gelogos, como prue-ba fundamental de lo correcto de

su teora, afirmaron que entrelas formaciones areniscas dev-nicas de Old-Red nunca se ha-llaron animales de inteligenciasuperior. Sin embargo, ante laSociedad Geolgica Britnica,se ha demostrado que esa doc-trina materialista es una false-dad amaada. Se ley un tra-bajo acerca del descubrimientoen la arenisca amarilla cristali-na de Old-Red, cerca de Elgin,norte de Escocia, de treinta ycuatro huellas de pisadas de tor-tuga, y en los mismos estratos,los restos del esqueleto de rep-til fsil ms antiguo hasta ahoradescubierto. Ha sido designadoTelerpeton (reptil muy viejo) el-ginense.

HACE...

Planeador Wright, 1902

AngiognesisteraputicaCuando sea posible regular la formacin de vasos sanguneos nuevos,

o angiognesis, se contar con un nuevo tipo de tratamiento del cncer

y de las enfermedades del corazn. Los ensayos en seres humanos

con la primera generacin de frmacos desarrollados para cumplir

ese objetivo se encuentran en la ltima fase de experimentacin

Cuando sea posible regular la formacin de vasos sanguneos nuevos,

o angiognesis, se contar con un nuevo tipo de tratamiento del cncer

y de las enfermedades del corazn. Los ensayos en seres humanos

con la primera generacin de frmacos desarrollados para cumplir

ese objetivo se encuentran en la ltima fase de experimentacin

Rakesh K. Jain y Peter F. CarmelietRakesh K. Jain y Peter F. Carmeliet

Serpentean por nuestro organismo,transportando la sangre que nos dala vida. Su curso es visible a tra-vs de nuestra piel como tenuescaminos o delgados hilos azules. Slo nosacordamos de ellos cuando nos hacemosun corte o nos acercamos a un hospital adonar sangre. Pero los vasos sanguneosdesempean funciones capitales en muchasenfermedades crnicas.

La proliferacin de los capilares, vasosdiminutos, est implicada en el crecimientode ciertos tumores, cuya diseminacin fa-cilita. Contribuye tambin a la ceguera quepueden desarrollar los diabticos. Y a la in-versa, cuando merma la capacidad de fabri-cacin de capilares, aparecen enfermeda-des, como en la muerte hstica del msculocardaco por un infarto de miocardio. Portodo ello, diversos grupos de cientficos, en-tre ellos los autores, trabajan para desen-traar los mecanismos que subyacen bajoel crecimiento anormal de los vasos. Cabeesperar que este empeo fructifique en formade nuevos frmacos que bloqueen el creci-miento de los vasos o mejoren su funcin,en razn del efecto buscado.

El estudio del crecimiento de los peque-os vasos, el fenmeno de la angiognesis,ha despertado un profundo inters en la co-munidad cientfica y no en menor medidaen la industria farmacutica. Decenas deempresas investigan ahora mismo procedi-mientos teraputicos relacionados con la an-giognesis. Se estn probando en humanosalrededor de veinte compuestos que modi-fican la formacin de nuevos vasos, en tr-minos tanto de inhibicin como de estimu-lacin. En principio, tales frmacos podranservir para tratar un amplio nmero de en-fermedades, pero la curacin del cncer esel verdadero reto, motivo por el cual la ma-yora de los que se investigan inhiben laangiognesis. En ellos nos vamos a centraren lo sucesivo.

En contra de lo que podra pensarse, enexperimentos en animales se ha observadoque los inhibidores del crecimiento de va-sos pueden potenciar los efectos de los tra-tamientos tradicionales contra el cncer(quimioterapia y radioterapia). Los estu-dios preliminares sugieren que estos agen-tes podran administrarse en un futuro comomedida preventiva para evitar que apare-cieran tumores en las personas ms sus-ceptibles de desarrollarlos.

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6 INVESTIGACIN Y CIENCIA, febrero, 2002

A principios del ao 2001 se presentaron los re-sultados de los primeros estudios en humanos de va-rios frmacos que inhiben el crecimiento de nuevosvasos. Algunos cientficos han quedado decepciona-dos porque slo se ha observado mejora en algunosde los enfermos con cncer. Pero estas pruebas sedisearon al objeto de determinar la seguridad de ta-les sustancias y su exencin de efectos txicos, algoque s ha quedado demostrado. Ya estn en marchaestudios encaminados a comprobar su eficacia en hu-manos, que han de demostrar si los inhibidores dela angiognesis responden a las expectativas creadas.

Angiognesis

El trmino angiognesis remite a la ramificacin yextensin de los capilares existentes. La paredde estos capilares consta de una capa nica de c-lulas endoteliales. La funcin fisiolgica principal dela angiognesis estriba en la reparacin de tejidosdaados. Interviene tambin en la proliferacin men-sual de la pared del tero que precede a la mens-truacin y en el desarrollo de la placenta despus dela fecundacin. El desarrollo de los vasos sanguneosest controlado por una serie de factores naturalesen equilibrio. Los proangiognicos estimulan la an-giognesis y los antiangiognicos la inhiben. As, elfactor de crecimiento endotelial vascular pertenece alos primeros, mientras que la trombospondina inhibela angiognesis. Si se altera la regulacin de esteequilibrio, como ocurre durante el desarrollo de lostumores, los vasos se forman en el sitio equivocadoen el peor momento.

Los onclogos se interesaron por la angiognesisen 1968, cuando aparecieron los primeros indiciosde que los tumores podan segregar estas sustanciaspara estimular su progresin. Melvin Greenblatt yPhillipe Shubik, por un lado, y Robert L. Ehrmanny Mogens Knoth, por otro, observaron que los tu-mores en evolucin liberaban una sustancia enton-ces no identificada que estimulaba en su interior el

desarrollo de vasos sanguneos. Semejante prolifera-cin favorece el crecimiento tumoral porque aseguraun aporte rico en sangre cargada con oxgeno y nu-trientes. En 1971 Judah Folkman propona bloqueareste factor para combatir los tumores al limitar elsuministro de nutrientes. Folkman defendera mstarde que as se podra tambin frenar la disemina-cin del cncer, o metstasis, porque las clulas tu-morales deben entrar en los vasos sanguneos parainiciar su viaje a otras partes del organismo.

Los ensayos actuales con inhibidores de la angio-gnesis contra el cncer emplean estrategias diver-sas. La ms importante se basa en la interaccin conel factor de crecimiento endotelial vascular (FCEV).Esta molcula fue llamada en un comienzo factor depermeabilidad vascular por sus descubridores, el grupoencabezado por Harold F. Dvorak, de la Universidadde Harvard, en 1983. Se trata del factor proangio-gnico ms comn identificado hasta la fecha. En1989, Napoleone Ferrara y su equipo, de la empresaGenentech, identificaron el gen que la codifica y brin-daron una nueva herramienta para entender mejor elfuncionamiento del factor de crecimiento endotelialvascular. En 1996 los equipos de Ferrara y de unode los autores (Carmeliet) demostraron, sin previoacuerdo, el papel crtico desempeado por el factorde crecimiento endotelial vascular en la formacinde nuevos vasos. Obtuvieron experimentalmente ra-tones que carecan de una de las dos copias del gendel factor de crecimiento endotelial vascular. Al fa-bricar slo la mitad de la cantidad esperada de di-cha protena, moran en el tero, pues slo dispo-nan de vasos escasos y anormalmente organizados.

Se est considerando una amplia gama de posibi-lidades para neutralizar la actividad angiognica deeste factor en humanos. Se ensaya con anticuerpos,protenas del sistema inmunitario, que se unan espe-cficamente al factor de crecimiento y lo inactiven;formas solubles de los receptores celulares del fac-tor que hagan de seuelo e impidan la unin del fac-tor de crecimiento endotelial vascular antes que seuna a las clulas; pequeas molculas que penetrenen las clulas y bloqueen los mensajes que el fac-tor de crecimiento enva al interior de las clulas en-doteliales cuando ya se ha unido a los receptores enla superficie celular. Entre los compuestos en estu-dio citaremos los interferones, que rebajan la pro-duccin del factor de crecimiento endotelial vascu-lar, y los inhibidores de metaloproteasas, que bloqueanla liberacin de este factor de su almacn en la ma-triz extracelular, esa entidad que mantiene a las c-lulas unidas para formar tejidos.

Aunque la reduccin a la mitad de factor de cre-cimiento endotelial vascular resulta letal para los em-briones de ratn, es probable que, para eliminar uncncer en humanos, hubiera que inactivar toda lacuanta presente de dicha protena, una tarea hartocomplicada. El factor es un agente poderoso; basta-ran quiz cantidades mnimas para proteger de lamuerte a las clulas endoteliales. Pero aunque fueraposible neutralizar del todo al factor de crecimientoendotelial vascular, el tumor podra recurrir a otros

Resumen/Angiognesis En la actualidad se estn realizando ensayos

con ms de veinte compuestos que modificanla angiognesis, ya sea estimulando el desarrollode nuevos vasos sanguneos o bloquendolo,en mltiples aplicaciones que incluyen desdeel cncer hasta el infarto de miocardio.

Los inhibidores de la angiognesis son, en general,ms seguros y menos txicos que los frmacosempleados en quimioterapia, pero no es probableque se conviertan en un tratamiento exclusivocontra el cncer. Los mdicos habrn de disearplanes de tratamiento que se combinen con ciru-ga, radioterapia y quimioterapia.

Los vasos sanguneos de los tumores suelenpresentar anomalas. La angiognesis parecesubsanarlas antes de eliminar el tumor. Esteefecto puede permitir que los agentes anticance-rosos alcancen el tumor con eficacia mayor.

CALVICIELos folculos dependen deun buen aporte sanguneo

ENFERMEDADESNEURODEGENERATIVASEl incremento del aportede sangre podra minimizarlas lesiones cerebrales

ATAQUE AL CORAZONNuevos vasos coronariospodran ayudar a repararun corazn daado

FRACTURASDE LOS MIEMBROSNuevos vasos sanguneospodran ayudar a repararlas fracturas seas

TROMBOSEN LAS PIERNAS*La angiognesis facilitaravas alternativas a lostrombos y mejorarala circulacin

ENFERMEDADESDE LA RETINA*Los inhibidores de la angiog-nesis podran eliminar los vasossanguneos anmalos del ojo

LOS VASOSSANGUINEOS SONPARTE DELPROBLEMA EN...

CANCER DE MAMA(Y OTROS)*Impedir la llegada de nutrien-tes a los tumores podra ayu-dar a eliminarlos

ATEROSCLEROSISLas placas que ocupanlos vasos podran aumentarcon aporte de sangre

ENDOMETRIOSISLos agentes que bloqueanla angiognesis pueden evitarel crecimiento de tejidouterino fuera del tero

OBESIDADLa grasa precisa de una granvascularizacin, que podracomprometer los inhibidoresde la angiognesis

SE NECESITARIAN MAS VASOSSANGUINEOS EN...

La proliferacin vascular es causa de diversas enfermeda-des (derecha) potencialmente susceptibles de tratamientocon inhibidores de la angiognesis. Otras enfermedades(izquierda) podran beneficiarse de agentes proangiogni-cos para la estimulacin del desarrollo de la vascularizacinsangunea.

Las dos caras de la angiognesis

*Los ensayos en humanos con aplicaciones de modificadoresde la angiognesis para estas enfermedades estn en curso.

factores proangiognicos, como el factor de creci-miento fibroblstico bsico o la interleucina 8.

Para inhibir la angiognesis en los pacientes afec-tos de cncer existe tambin otro mtodo, fundadoen el incremento de la produccin natural de facto-res antiangiognicos. La idea le vino a Folkman trasenterarse de que Noel Bouck haba identificado en1989 un inhibidor natural, la trombospondina. Loscirujanos ya saban que, al eliminar el tumor pri-mario de un paciente, en algunos casos se acelerabael crecimiento de otros tumores menores. Parecacomo si el tumor primario secretara algo que man-tuviera a stos a raya. En la mayora de los casosno se cuestiona la necesidad de extirpar el tumor,porque con frecuencia sucede que impide las fun-ciones normales del tejido u rgano. Por otra parte,su permanencia en el interior del organismo es unafuente de nuevas metstasis de clulas cancerosas.Folkman consider que el descubrimiento de un in-hibidor natural de la angiognesis abra la posibili-dad de que las secreciones del tumor primario sir-vieran para frenar el crecimiento lo mismo del tumorprimario que de las pequeas metstasis.

Con esta idea en mente, Folkman y su grupo ha-llaron dos molculas ms con capacidad antiangiog-nica, en 1994 la angiostatina y tres aos despus laendostatina. Estos inhibidores han despertado enormeinters, en parte porque los estudios de Folkman de-mostraron que podan erradicar tumores en ratones.

Los ensayos clnicos con angiostatina y endosta-tina se encuentran an en fases tempranas (experi-mentos con un pequeo nmero de pacientes que per-mitirn determinar la seguridad de su potencial empleocomo frmacos). En el postrer congreso de la So-ciedad Norteamericana de Oncologa Clnica se pre-sentaron los resultados preliminares ya comentados yque parecen confirmar la seguridad de la endosta-tina, sin que se hayan observado efectos secundarios.En los prximos aos se publicarn los resultados devarios ensayos clnicos de estos y otros inhibidoresde la angiognesis.

Vasos sanguneos ya formados

Los dos enfoques abordados se centran en la formade impedir la aparicin de nuevos vasos san-guneos. Qu hacer con los vasos sanguneos yaconstituidos en un tumor? Sera posible atacarlos deuna manera selectiva, sin afectar a los vasos de te-jidos y rganos sanos (la llamada terapia vascular)?

Para nuestra fortuna, los vasos que se forman enel interior de los tumores son anormales. Dilatadosy estructuralmente desorganizados, son tortuosos yporosos. Pero no se acaban aqu sus diferencias. Lasclulas componentes presentan en su superficie cier-tas molculas del tipo de las integrinas, que estnausentes, o son escasamente detectables, en los va-sos maduros. Se acaba de lograr la sntesis de pp-tidos RGD, pequeas protenas que reconocen prefe-rentemente las integrinas de los vasos tumorales. Talespptidos pueden acoplarse a frmacos citotxicos queporten a estos agentes teraputicos directamente hastalos tumores sin lesionar otros tejidos. Tambin po-dran emplearse para obstruir los vasos que facilitanla nutricin del tumor, mediante su unin a mol-culas que promueven la formacin de trombos.

Pero podra no resultar tan sencillo que un frmacoanule a todos los vasos de un tumor. Cada una delas clulas que forman un mismo vaso tumoral pue-den presentar variaciones importantes respecto a lasotras. Los estudios realizados en el laboratorio deJain, coautor del artculo, han demostrado que un 15 porciento de las clulas de los vasos sanguneos de lostumores malignos de colon presentan mosaicismo: unasexhiben determinadas protenas en su superficie y otrasno. Si las protenas a las que se dirigen los nuevosfrmacos difieren de un tumor a otro o incluso va-ran en un mismo tumor a lo largo de su desarrolloo durante el tratamiento, semejante heterogeneidadhar difcil encontrar tratamientos que acten sobrelos vasos sanguneos y que sean autnomos.

Combinar

En un futuro prximo es probable que se conti-nenutilizando la ciruga y la radioterapia para erradi-

car el tumor primario. Hoy en da la quimioterapiase administra antes o despus de tales medidas parareducir el tamao del tumor y para eliminar las c-lulas malignas que no sean detectables. Podran com-binarse los frmacos antiangiognicos con cualquierade los otros tratamientos para mejorar la tasa de xi-tos.

Ahondando en los estudios seminales de BeverlyTeicher en Harvard en los aos noventa, varios gru-pos han demostrado los beneficios de un tratamientocombinado. Folkman, Robert Kerbel y el equipo deJain han observado ya que el tratamiento combinadopuede producir remisiones duraderas en ratones.

Reviste particular inters advertir que la terapiaantiangiognica parece potenciar la eficacia de lostratamientos habituales contra el cncer. La paradojaresulta, por un lado, de los agentes quimioteraputi-cos, que dependen de la integridad de los vasos san-guneos para alcanzar el tumor, y, por otro, de laradiacin, que slo elimina las clulas que recibenun aporte adecuado de oxgeno (al convertir el ox-geno en radicales libres citotxicos). La lgica nosconducira a pensar que, si se ponen trabas a la cir-culacin del tumor, el tratamiento antiangiognico de-bera reducir la eficacia de los tratamientos habitua-


RAKESH K. JAIN y PETER F. CARMELIET aportan per-files complementarios al estudio de la angiognesis. Jain,profesor de la ctedra Andrew Werk Cook de biologa tu-moral en la facultad de medicina de Harvard y director dellaboratorio Edwin L. Steele del Hospital General de Massa-chusetts, curs la carrera de ingeniera qumica. Carmelietensea medicina en la Universidad Catlica de Lovaina.

Los autores


Angiognesis teraputicaLa formacin de nuevos vasos sanguneos beneficia al organismo

Como se ha comentado, la inhibicin de la forma-cin de nuevos vasos sanguneos puede ayudar aeliminar tumores. No obstante, tambin la estimula-cin de la proliferacin vascular, o angiognesis te-raputica, resulta muy til en otras enfermedades.

Se est estudiando si las sustancias bloqueantesen el tratamiento del cncer podran aplicarse a pa-cientes con ataque al corazn o expuestos a sufrirlo.Tambin podran emplearse en los que presentan pro-blemas vasculares de las extremidades.

Durante un infarto de miocardio, se forma un tromboen una de las arterias que surten de sangre al mscu-lo cardaco. De ese modo, una parte del tejido deja

de recibir oxgeno y nutrientes, un fenmeno cono-cido como isquemia. A menos que el trombo se di-suelva o emigre en seguida, esa parte del miocardiomorir. Adems, muchos diabticos presentan pro-blemas circulatorios en las extremidades por oclu-siones vasculares y en algunos casos es precisa laamputacin.

La angiognesis teraputica puede consistir en laadministracin directa de una sustancia estimuladorade la proliferacin vascular, como el factor de creci-miento endotelial vascular. Puede tener cabida tam-bin en terapia gnica, que recurre a la administra-cin de virus, clulas o fragmentos de ADN modificadosgenticamente portadores del gen que codifica el fac-

tor de crecimiento endotelial vascular u otro factorangiognico.

El tratamiento angiognico con factor de crecimientoendotelial vascular o factor de crecimiento fibrobls-tico se ha venido estudiando a lo largo de los lti-mos diez aos. En 1991, el equipo dirigido por Ste-phen H. Epstein, del norteamericano Instituto Nacionalde la Salud, abord los efectos del factor de creci-miento fibroblstico en los vasos sanguneos de losanimales. Un ao ms tarde, el grupo de Paul Fried-mann, del Hospital Baystate de Springfield, observabaque la inyeccin del factor en conejos estimulaba laangiognesis en las extremidades inferiores. A me-diados del decenio de los noventa, varios equipos deinvestigadores, entre ellos los liderados por Epstein,Michael Simons, de la facultad de medicina de Har-vard, Jeffrey M. Isner, del Hospital St. Elizabeth deBoston, y Ronald G. Cristal, de la facultad de medi-cina de la Universidad de Cornell, demostraron quelos tratamientos basados en la administracin de fac-tores angiognicos o de los genes que los codificanestimulaban la angiognesis en el corazn y en lasextremidades inferiores de animales.

Los ensayos clnicos destinados a evaluar la segu-ridad y eficacia de estos agentes estn en curso. Car-meliet y otros tambin estn investigando el potencialteraputico de otras molculas prometedoras, comoel factor de crecimiento placentario, una molcularelacionada con el factor de crecimiento endotelialvascular. Pero la formacin de vasos sanguneos fun-cionales plantea todava un desafo formidable. Losinvestigadores persiguen la mejor combinacin de fr-macos angiognicos y su justa dosificacin, posolo-ga y va de administracin. Se estudia si se puedeincrementar la regeneracin de los vasos sanguneosmediante el trasplante de clulas madre endoteliales,clulas precursoras de las clulas endoteliales queforman los vasos sanguneos. Estas clulas puedenaislarse en la mdula sea de los adultos.

Existen riesgos potenciales que acompaan al pro-metedor recurso a frmacos angiognicos. As, po-dra aumentar el riesgo de padecer cncer al favo-recer que los tumores muy pequeos que hubieranpermanecido en estado latente desarrollaran su vas-cularizacin y crecieran. Adems, como las placasateroesclerticas que se forman en la enfermedad co-ronaria precisan un aporte propio de sangre, la an-giognesis teraputica podra ejercer un efecto reboteal promover el crecimiento de las placas que son res-ponsables del infarto.

Los estudios en humanos para comprobar todasestas hiptesis apenas han empezado. Esperamosque un da seamos capaces de utilizar pruebas ge-nticas para determinar el equilibrio natural de fac-tores angiognicos y antiangiognicos en cada pa-ciente, antes de iniciar un tratamiento modificador dela angiognesis. Esta informacin tambin nos servi-ra para determinar si la isquemia miocrdica se debea un defecto en la produccin de factores proangio-gnicos o a un exceso de inhibidores de la angio-gnesis. Los resultados ayudarn al desarrollo de es-trategias ms directas de angiognesis teraputica.

ISQUEMIA MIOCARDICA (reas en azul y en verde), faltade oxgeno que aparece en los ataques al corazn yque se podra tratar con los frmacos proangiognicosque estimulan la formacin de vasos sanguneos.

les. Pero se ha demostrado que la administracin dequimioterapia, as como de nutrientes y de oxgeno,mejora durante ciertos tratamientos antiangiognicos.

De hecho, los investigadores liderados por Jain hanrevelado que los factores antiangiognicos pueden, encierta medida, normalizar la vascularizacin tumoralantes de atacarla. Parece que en un primer paso seeliminaran vasos redundantes e ineficientes, conser-vando intactos los eficientes. En ratones se ha ob-servado que los inhibidores de la angiognesis redu-jeron el dimetro de los vasos sanguneos tumoralesy los hicieron menos porosos; se asemejaban a losnormales. Si estos estudios se reproducen en huma-nos, habra que ajustar la dosificacin e identificarla posologa apropiada.

Como sucede con muchos frmacos, es probable quelas generaciones futuras de frmacos antiangiognicosgocen de una eficacia mayor que la primera oleada.Para optimizar los futuros agentes, debern modificarselos mtodos de investigacin. La mayora de los es-tudios preclnicos, realizados antes de que el frmacose ensaye en humanos, se efectan sobre tumores ar-tificiales provocados bajo la piel de ratones y otrosanimales de experimentacin. Sin embargo, son pocoslos tumores humanos que aparecen cerca de la piel.Para tener una idea ms ajustada a la realidad del fun-cionamiento de un frmaco en pacientes, habr que es-tudiar animales con tumores que aparezcan de formaespontnea en localizaciones ms habituales.

Otra limitacin de los estudios preclnicos radicaen su caresta y carcter intensivo, por cuyo motivolos experimentos suelen darse por terminados cuandolos tumores empiezan a remitir, pero antes de poderestablecer de forma clara que el tratamiento sea real-mente capaz de erradicar el cncer. Puesto que lostumores pueden regenerarse a partir de un escassimonmero de clulas, los investigadores deberan seguira los animales durante perodos ms prolongados conel fin de tener expectativas ms realistas de los can-didatos a nuevos frmacos.

An ms, los frmacos experimentales suelen ad-ministrarse antes de que los tumores estn plena-mente asentados, un perodo en el que el cncer es

ms vulnerable, sesgando la probabilidad de que elxito se atribuya al frmaco. Los tumores en ani-males tienden a desarrollarse de forma ms rpidaque en los humanos y las sustancias que demuestranactividad contra tumores de crecimiento rpido pue-den no resultar eficaces contra los tumores humanos,de crecimiento ms lento.

Se impone abordar combinaciones de medicinas an-tiangiognicas. Las clulas tumorales dominan el artede la evasin, por lo que los investigadores deberntambin estudiar combinaciones de frmacos antian-giognicos. Cada tumor produce una combinacin di-ferente de molculas angiognicas que puede modifi-carse, e incluso ampliarse, a medida que el tumorcrece. Al administrar un frmaco antiangiognico quebloquee determinada molcula, como el factor de cre-cimiento endotelial vascular, puede acontecer que eltumor recurra a otra sustancia proangiognica para re-cabar aporte de sangre. En ltima instancia, el trata-miento antiangiognico ptimo podra consistir en unacombinacin de varios inhibidores de la angiognesis.

Prevencin

Si los inhibidores de la angiognesis cumplen lasexpectativas creadas para el tratamiento del cn-cer, es probable que se tengan que administrar du-rante largo tiempo a los pacientes. Los frmacos po-dran indicarse, asimismo, para prevenir el cncer enpersonas expuestas a un alto riesgo de un determi-nado tipo de tumor, una idea que ya formul en 1976Pietro M. Gullino. Por ello debe demostrarse su se-guridad a largo plazo. (El interfern, un agente an-tiangiognico indirecto, se ha administrado duranteaos a nios con hemangiomas, tumores benignos delos vasos sanguneos, sin que se hayan observadoefectos secundarios.) Los actuales ensayos clnicosen humanos no podrn contestar esta pregunta, por-que se han diseado para evaluar la seguridad a cortoplazo, escasos meses. Los estudios en animales su-gieren que algunos compuestos tal vez no sean su-ficientemente seguros en administraciones a largoplazo, tal como sera deseable en la prevencin del


PRODUCTO LABORATORIO DESCRIPCION ENFERMEDADAvastatina Genentech Anticuerpo monoclonal que bloquea el factor de crecimiento

endotelial vascular, un promotor de la angiognesisCncer de mama y de colon

BMS275291 Bristol-Myers Squibb Compuesto sinttico polivalente Cncer de pulmn no microctico

Interfern alfa Roche, Schering Protena que inhibe la liberacin de factores de crecimientocomo el endotelial vascular

Diversos tumores

Marimastat British Biotech Compuesto sinttico polivalente Cncer de mama y de prstata

Neovastat Aeterna Inhibidor natural con diversas propiedades Cncer de pulmn no microcticoy cncer de rin

SU5416 Sugen Compuesto sinttico que bloquea el receptor del factor de creci-miento endotelial vascular

Cncer colorrectal

Talidomida Celgene Molcula orgnica cuyo mecanismo de accin se desconoce Cncer de rin y mieloma mltiple

INHIBIDORES DE LA ANGIOGENESIS EN AVANZADO ESTADO DE EVALUACIONFrmacos potenciales del tratamiento del cncer en la fase III de evaluacin, la ltima antes de que la Agencia norteamericanade Alimentacin y Farmacologa considere su aprobacin. La angiostatina y la endostatina se hallan en etapas menos avanzadas. Otroscompuestos parecidos se estn estudiando como tratamiento de la degeneracin macular.

cncer o de su recidiva. Los ratones sometidos a ma-nipulacin gentica para reducir la produccin de fac-tor de crecimiento endotelial vascular desarrollan al-teraciones neurolgicas tras perodos prolongados; lohan demostrado los experimentos de Carmeliet.

Una angiognesis insuficiente empeora la capaci-dad de recuperacin del corazn en la isquemia, faltade perfusin de los tejidos secundaria a un aporte desangre insuficiente. Durante un ataque al corazn, seforma un trombo en una arteria responsable del aportesanguneo del msculo cardaco, produciendo la muertehstica de una parte del rgano. Se estn ensayandoya agentes que estimulen la angiognesis, como tra-tamiento de la enfermedad isqumica coronaria. Poreso la terapia antiangiognica podra incrementar elriesgo de desarrollar enfermedad isqumica corona-ria. En consecuencia, como en cualquier otro trata-miento, los pacientes y los mdicos debern sopesarbeneficios y riesgos en la aplicacin de inhibidoresde la angiognesis.

La comprensin de los fenmenos asociados a laangiognesis ha modificado nuestras nociones sobreel tratamiento del cncer. El habitual recurso a la qui-mioterapia o la radioterapia, o a su combinacin, de-tiene la progresin de muchos tumores, pero con ex-cesiva frecuencia los tratamientos existentes sloproporcionan un perodo asintomtico antes de que eltumor vuelva a dar seales de actividad, se diseminey acabe con la vida del paciente. Parte del problemaradica en la carencia de pruebas fiables, sensibles,baratas y fciles de utilizar que permitan identificarcaractersticas tumorales que nos orienten sobre la me-jor opcin teraputica. El anlisis de las caractersti-cas genticas del tumor y del paciente puede mejo-rar la precisin del diagnstico, as como la eficaciay seguridad de los tratamientos en un futuro. De aqua 10 o 20 aos, resultar de valiosa ayuda la repre-sentacin visual de las anomalas vasculares estruc-turales y funcionales de los tumores.

Los enfoques antiangiognicos han demostrado yasu beneficio en pacientes con hemangiomas. A me-dida que avance el conocimiento sobre la angiogne-sis tumoral, podremos detectar el cncer por niveleselevados de molculas angiognicas en sangre, muchoantes de que se presenten los sntomas. Los mdicospodran explorar regularmente a sus pacientes con prue-

bas moleculares y nuevas tcnicas de formacin deimgenes para determinar mejor el perfil individual defactores proangiognicos y antiangiognicos.

A partir de esas pruebas, los mdicos sabrn esta-blecer estrategias teraputicas que, adems de otrostratamientos, incluyan una combinacin de los inhi-bidores de la angiognesis ms apropiados para esetumor en concreto. Los exmenes que detecten la pre-sencia de vasos anormales permitirn una identifica-cin precoz de las recidivas, en estados de desarrollotumoral susceptibles de un tratamiento ms eficaz. Talvez cuando se desarrollen frmacos antiangiognicosde administracin oral y se facilite su distribucin,los pacientes con cncer podrn tomar una pastilla alda para mantener el cncer a raya. Si as fuera, al-gunas formas de cncer hoy sin tratamiento podrancontrolarse como un problema de salud crnico (lomismo que la hipertensin o la diabetes) y permitiruna vida larga y llena de satisfacciones.

EN LOS VASOS SANGUINEOS se observan dos tipos decambios en respuesta al tratamiento antiangiognico.Los vasos normales (a), bien organizados, presentan di-metros regulares. Aparecen tortuosos y dilatados los deun cncer de colon (b). Los inhibidores de la angiog-nesis eliminan los vasos redundantes e ineficientes (c),lo que inicialmente normaliza la vascularizacin y faci-lita el acceso de los frmacos quimioteraputicos hastael tumor. Pese a ello, va creciendo el nmero de vasosque mueren (d ).


a b c d

AN ADDRESS SYSTEM IN THE VASCULATURE OF NORMALTISSUES AND TUMORS. E. Ruoslahti y D. Rajotte en An-nual Review of Immunology, vol. 18, pginas 813-827;2000.

ANGIOGENESIS IN CANCER AND OTHER DISEASES. P. Car-meliet y R. K. Jain en Nature, vol. 407, pginas 249-257;14 de septiembre, 2000.

ANGIOGENESIS. J. Folkman en Harrisons Principles of In-ternal Medicine. Quinta edicin. Dirigido por E. Braun-wald, A. S. Fauci, D. L. Kasper, S. L. Hauser, D. L. Lon-go y J. L. Jameson. McGraw-Hill, 2001.

Bibliografa complementaria

Cristalesfotnicos

Eli Yablonovitch

1. EL PRIMER CRISTAL FOTONICO que funcion se hizotaladrando, en un bloque de material cermico, tres matricesde agujeros que se cruzaban. En cada grupo los agujeros para-lelos entre s forman 35 grados de inclinacin con la verticaly dan lugar a la estructura conocida por yablonovita. Dichodiseo de agujeros de seis milmetros de dimetro corta ondasde radio de entre 13 y 16 gigahertz.

Estos materiales nanoestructuradoscon formaciones ordenadas de agujerospodran llevarnos a una revolucinoptoelectrnica. Realizan con luzlo que los semiconductores hacencon electrones

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Era la segunda llamada exas-perante que reciba. Otrogrupo de tericos repetaque mi descubrimiento nofuncionaba. Me embargaba una sen-sacin de frustracin. Haba em-pleado tres largos aos en probar ydescartar innumerables diseos parallegar a lo que yo crea era un xito.Pero si los tericos andaban en locierto, tendra que volver al labo-ratorio y seguir buscando. Tal vezlo que estaba intentando crear uncristal artificial capaz de manipularhaces de luz a la manera en que elsilicio y otros semiconductores con-trolan la corriente elctrica nofuera ni siquiera posible.

Los semiconductores electrni-cos constituyen la entraa de to-dos los computadores y dems ar-tilugios distintivos de la economaglobal. Los semiconductores pti-cos podran llevar la revolucin dela informacin y las telecomuni-caciones un paso ms adelante alpermitir, llegado su momento, sus-tituir nuestros microchips por fi-bras pticas de mayor capacidad,lseres nanoscpicos y circuitos in-tegrados fotnicos.

Pese al inicio tambaleante a fina-les de los ochenta y al general es-cepticismo por parte de la comu-nidad cientfica en sus comienzos,el campo de los cristales fotnicosha florecido. Por doquier han apa-recido empresas (yo he fundado unpar) que estn desarrollando pro-ductos comerciales. La clave esta-ba en hacerles ver a los escpticossu error demostrndoles que era

posible crear para la luz la mis-ma clase de fenmenos que se danen semiconductores electrnicos,a saber, la brecha o intervalo debanda.

En electrnica, se llama intervalode banda a una franja estrecha deenergas que los electrones no pue-den ocupar. Cuando los electronesde un semiconductor llenan todoslos estados disponibles por debajode esa brecha, no pueden fluir, porla sencilla razn de que los elec-trones no tienen dnde ir. Cata-pultar un electrn por encima dela brecha cuesta mucha energa. Sihay unos pocos electrones en ex-ceso, deben acomodarse automti-camente en estados por encima delintervalo prohibido, donde puedenviajar por los amplios espacios deestados vacos. De igual forma, undficit de electrones abre huecos,dotados de carga positiva, justo de-bajo de la brecha, posibilitando asel flujo expedito de corriente.

La magia que rodea a los se-miconductores la conmutacin ylas funciones lgicas surge delcontrol sobre la disponibilidad deelectrones y huecos por encima ypor debajo del intervalo prohibido.La existencia y propiedades de esabrecha en las bandas electrnicasdependen, fundamentalmente, deltipo de tomos del material y dela estructura cristalina de stos (elespaciado y la forma de la red).Mediante la sustitucin por otrostomos (llamados dopantes) en lared o sus intersticios, los ingenie-ros deciden el nmero de electro-

nes o huecos del semiconductor y,as, pergean sus propiedades.

En el silicio y otros semicon-ductores los tomos estn separa-dos por un cuarto de nanmetro,ms o menos. Los materiales debrecha fotnica presentan estructu-ras similares, si bien a escalas mu-cho mayores. Un ejemplo tpico se-ra un bloque de cierto vidrioatravesado por grupos de perfora-ciones cilndricas equiespaciadas enque cada agujero tenga un dime-tro de unos 400 nanmetros. Estosporos desempean un papel an-logo al de los tomos de un se-miconductor. En general, aunqueno siempre, el espaciado de las per-foraciones ha de ser razonablementeparecido a la longitud de onda dela luz o radiacin electromagnticaque se desea controlar. La longi-tud de onda de luz visible se ha-lla entre 400 y 700 nanmetros;los telfonos mviles utilizan on-das de unos 35 centmetros.

La luz que penetra en ese ma-terial agujereado se refractar enparte y, en parte tambin, se re-flejar en los millares de interfa-ces internas entre aire y vidrio. Envirtud del complejsimo patrn derayos superpuestos, stos se refor-zarn o anularn segn la longi-tud de onda, su direccin, el n-dice de refraccin del vidrio y eltamao y distribucin de los agu-jeros. La cancelacin completa paratodas las direcciones de propaga-cin en una estrecha banda de lon-gitudes de onda es como el inter-valo de energa prohibido para loselectrones en un semiconductor: esabanda de luz no puede propagarsepor el cristal. Si se altera la es-tructura de bandas por ejemplo,rellenando algunos agujeros seproducirn otros efectos, similaresa los que ocurren con el dopadoen semiconductores. A menudo seconstruye un cristal fotnico conun material que es semiconductorelectrnico; en ese caso, el cris-tal, adems de intervalo de bandaelectrnica, tiene brecha fotnica.

500.000 agujeros

La bsqueda del intervalo en lasbandas fotnicas se inici sinapenas ruido en 1987. Con dos me-ses de diferencia, se enviaron sen-

La microelectrnica y la revolucin de la informacin se basanen el estricto control de la corriente elctrica logrado con semicon-ductores de silicio. Dicho control depende de la brecha o intervalode banda: un rango de energas en que los electrones ven blo-queada su propagacin por el semiconductor.

Se han producido materiales con brecha fotnica: un rango de longi-tudes de onda de la luz que ve impedida su propagacin por elmaterial. A ello se ha llegado gracias a la estructuracin de mate-riales con una cuidadosa trama a una escala mesoscpica. Estoscristales fotnicos funcionan como semiconductores lumnicosy prometen innumerables aplicaciones tcnicas.

Muchos recibieron la idea de una brecha para bandas fotnicascon escepticismo. Hoy, los cristales fotnicos se estn convirtiendoen un negocio importante. Los cristales fotnicos hallarn suaplicacin en fibras pticas de gran capacidad, pigmentos y circuitosintegrados fotnicos que no slo manipularan la corriente electrnicasino la luz tambin.

Resumen/Cristales fotnicos

das propuestas independientes parasu publicacin. El autor firmabauna; remita la otra Sajeev John,desde la Universidad de Princeton.A cada uno nos mova un obje-tivo distinto. Trabajaba yo para laempresa Bell Communications Re-search; pretenda construir lseresde comunicaciones ms eficientes.La mayor parte de la corriente con-sumida para producir la emisinlser se malgasta en fotoemisinespontnea; un intervalo fotnicoprohibido podra suprimir ese dis-pendio: los tomos no pueden emi-tir luz espontneamente cuando for-man parte de un material que prohbela propagacin de la luz.

John, por el contrario, perseguaun objetivo de investigacin pura.Postulaba la brecha en las bandasfotnicas para confinar la luz. Lacontrapartida electrnica de ese fe-nmeno de localizacin de la luz,as se conoce, es un efecto cun-tico llamado localizacin electr-nica, que se da en materiales de-sordenados, en semiconductoresamorfos por ejemplo. El desordenatrapa, o confina (localiza), elec-

trones en sitios fijos obstruyendoel flujo de corriente.

John y yo no nos conocamos.Pero cuando supimos de nuestraspropuestas convergentes concerta-mos un encuentro. Presentamosque tenamos algo importante en-tre manos y acordamos emplear lamisma terminologa: brecha fot-nica y cristal fotnico. Regresa mi laboratorio algo ms animadode la cuenta. Cre que podra fa-bricar el primer modelo que fun-cionara en slo unos meses.

Aunque el adjetivo fotnico sepredica de la luz, el principio delintervalo de bandas se aplica igual-mente a ondas electromagnticas decualquier longitud de onda. Por con-siguiente, podra yo tantear con es-tructuras dotadas del espaciado en-tre filas ms conveniente y ensayarlascon la radiacin electromagnticaapropiada. Empec la bsqueda enun taller mecnico tallando estruc-turas en planchas de material die-lctrico con un taladro. Slo la ima-ginacin humana poda poner lmiteal diseo y la estructura. Pero ahradicaba otro problema. Ante lasinnumerables elecciones posibles,qu diseo producira el deseadointervalo de banda fotnico?

En los cristales de semiconduc-tores electrnicos, el intervalo debanda se abre debido a que loselectrones se comportan, en parte,como ondas; las filas y capas detomos esparcen dichas ondas. Partede la onda se dispersa hacia atrs,por donde vino; si la longitud deonda se aproxima al espaciado en-tre capas de tomos sucesivas, to-

das las ondas retrodispersadas sesumarn coherentemente. Resultadode ello, la onda electrnica se verreflejada en su integridad, como laluz en un espejo. Para que un in-tervalo prohibido sea pleno, se re-quiere que la reflexin cabal se den un amplio espectro de longitu-des de onda y para frentes de ondaque viajen en cualquier direccina lo largo del cristal.

Saba que, para tener un inter-valo de banda electromagntico, nobastaba con emular un cristal de si-licio. En el caso de la luz, la di-fusin se produce por cambios enel ndice de refraccin (entre el vi-drio y el aire); una interaccin di-rectamente comparable con la delos electrones y el silicio requeri-ra un ndice de refraccin muy alto.

No resulta inmediato inferir unaestructura a partir de los principiostericos: la brecha depende de lainteraccin entre la luz y cientosde agujeros, un proceso harto com-plicado. Los tericos han desarro-llado modelos de ordenador paraclculos correspondientes a semi-conductores. Ahora bien, tales pro-gramas no sirven para fotones. Pri-mero, porque son diferentes lasecuaciones del movimiento. Loselectrones obedecen a la ecuacinde Schrdinger, en tanto que elcomportamiento de la luz viene de-terminado por las ecuaciones deMaxwell. Segundo, no se puede ig-norar la polarizacin de los foto-nes como se hace con los electro-nes. En resumen, no poda yo preversi una estructura propuesta acaba-ra presentando un intervalo de


ELI YABLONOVITCH fue uno de losinventores del concepto de brecha fo-tnica y fabric el primer cristal conintervalo de banda fotnico mientrastrabajaba en Bell Communications Re-search en Nueva Jersey. En 1992 setraslad al departamento de ingenie-ra elctrica de la Universidad de Ca-lifornia en Los Angeles.

El autor

2. LAS FIBRAS OPTICAS aplican el principio de intervalode banda fotnico para guiar la luz. La envoltura formadapor cientos de capilares de vidrio constituye un materialptico de brecha fotnica que confina la luz en el agu-jero central, de unas 15 micras de dimetro (izquierda).En el diseo de la derecha, en que la luz se confina en

el ncleo slido de unas dos micras, la fibra es altamenteno lineal, lo que puede ser til para conmutar y corregirla forma de los pulsos de luz. En el centro se ilustra, pormedio de un patrn de colores, la variacin del confina-miento en una fibra de cristal fotnico, para diferenteslongitudes de onda.

banda fotnico. Y as, guiados nomenos por la intuicin fsica quepor los clculos, mis colaborado-res y yo fabricamos estructura trasestructura en busca de la buena. Alo largo de cuatro aos mi mec-nico, John Gural, taladr ms de500.000 agujeros en planchas die-lctricas (aislantes) auxiliado poruna mquina con control numrico.Era desmoralizante marrar una veztras otra en los diseos.

La sorpresa del diamante

Esperbamos que la estructuracbica centrada en las caras(ccc) fuera la adecuada para ge-nerar intervalos de banda electro-magnticos. Se puede crear estaestructura tomando un tablero deajedrez y poniendo cubos negrosen las casillas blanca y blancos enlas casillas negras. En la segundacapa, se sigue colocando cubos ne-gros sobre blanca y viceversa, yas sucesivamente. Los cubos ne-gros (y por su lado tambin losblancos) forman una red ccc.

Pero semejante estructura per-mita todava una variedad infinitade elecciones; podan sustituirse loscubos negros por cualquier otraforma geomtrica, con el cambioconsiguiente del patrn de refrac-cin y reflexin de las ondas lu-mnicas. Tras dos aos de trabajo,llegamos a algo que pareca fun-cionar: una estructura ccc en laque se haba sustituido cada cubo

negro por un hueco esfrico en elmaterial. Publiqu este resultado,pero estaba equivocado.

Por aquel entonces los tericoshaban empezado a abordar la cues-tin. Algunos haban adaptado susprogramas de clculo de estructurade bandas para que trabajaran conluz. K. Ming Leun y Kai MingHo, entre otros tericos, descolga-ron el telfono con las intencionesdescritas al principio. Mi estruc-tura ccc, tan tenazmente perseguida,slo tena una pseudobrecha: unabanda prohibida de anchura cero,lo cual significa que hay una, yslo una, longitud de onda que estprohibida. Pareca que la natura-leza no iba a permitir que exis-tiera un intervalo de banda fot-nico. Tal vez fuera precisa unasustancia con un ndice de refrac-cin mucho mayor que el de losmateriales transparentes conocidos.

En unas semanas, sin embargo,el grupo de Iowa encontr que laestructura de diamante, la geome-tra tetradrica asociada con la joya,producira un intervalo de banda.La forma que abre la brecha msancha consta de barras dielctricasen las posiciones de los enlaces qu-micos entre tomos de carbono, conlos tomos reducidos a puntos. Eldiamante no es, en s mismo, quese sepa, un material con brechafotnica. Record antes que, cuan-do empezamos nuestra investiga-cin, sabamos que no podamosemular la estructura del cristal de

silicio para generar una brecha enlas bandas fotnicas. Qu equi-vocados estbamos! La estructuracristalina del silicio es justamentela del diamante.

Que la estructura tetradrica seala mejor para hacer una brecha enlas bandas fotnicas fue un ha-llazgo de profundo calado. Antesde la llegada de los cristales fo-tnicos, la configuracin del diaman-te no era ms que otra estructuramineral, surgida de una complejainteraccin entre tomos, enlacesqumicos y minimizacin de ener-ga en condiciones adecuadas detemperatura y presin. Su capaci-dad para formar una brecha en lasbandas fotnicas, que emerge en-tera y exclusivamente de las ecua-ciones de Maxwell (las leyes de laelectricidad, el magnetismo y laluz), muestra que la configuracinde diamante encierra tambin unaimportancia capital por lo que con-cierne al magnetismo y la geome-tra del espacio tridimensional.

La estructura tetradrica del dia-mante adopta muchas apariencias;dependen stas de la forma que seubica en cada sitio de la red, ascomo del punto de vista en quese observa el cristal. El recuadroBandas en todas las dimensionesincluye dos cristales fotnicos muydistintos, basados en la estructurade diamante. Mi grupo cre el pri-mer cristal con brecha en las ban-das fotnicas (y esta vez de ver-dad) en 1991, sirvindose de una


3. LOS CRISTALES FOTONICOS NATURALES se dan en lasalas de las mariposas (izquierda) y los palos (derecha).En ambos casos el intervalo es incompleto no es efec-tivo en todas las direcciones, pero produce colores iri-discentes. La micrografa de una escama iridiscente de

una mariposa verde (centro) muestra en su interior la es-tructura cbica centrada en las caras de tamao submi-cromtrico. Los palos constan de esferas de slice, sub-micromtricas y apiladas en una estructura cbica centradaen las caras (empaquetamiento compacto).


En un sistema bidimensional, cada celda unidad de la estructura (1) produceondas reflejadas (no se muestran) y ondas refractadas, que han decombinarse para cancelar la onda incidente (2), sin importar en qu direccinviaja (3). Un material de brecha tridimensional funciona de la misma forma,si bien en las tres dimensiones.

1 2 3

LAMINA DIELECTRICA1 ONDA INCIDENTE

2 ONDAS REFLEJADAS EN FASE

3 ONDA TOTAL

1 ONDA INCIDENTE

2 ONDAS REFLEJADAS NO EN FASE

3 ONDA TOTAL

2

3

1

4

UNA DIMENSION

DOS DIMENSIONES

TRES DIMENSIONES

LONGITUDES DE ONDA EN EL INTERVALO DE BANDALa onda incidente sobre un material de intervalo fotnico (1) se refleja parcial-mente en cada capa de la estructura (2 ). Las ondas reflejadas estn en fasey se refuerzan. Su combinacin con la onda incidente origina una onda estacio-naria (3 ), que no se propaga a travs del cristal.

BANDAS EN TODAS LAS DIMENSIONES

La configuracin tetradrica del diamante (1)constituye la geometra ms eficaz para crearmateriales de brecha fotnica tridimensionales.Esta geometra queda disfrazada en la yablono-vita, en la pila de troncos (2) y en este diseo(3) que usa canales de slice (claros) en silicio(oscuro). La estructura en andamio (4) es unraro ejemplo con una estructura subyacentedistinta, pero tiene slo un estrecho intervalo.

LONGITUDES DE ONDA FUERA DEL INTERVALO PROHIBIDOCuando la longitud de onda no se encuentra en el intervalo de banda (1),las ondas reflejadas se cancelan (2 ). La luz se propaga por el materialcon una pequea atenuacin (3 ).

variante de la estructura de dia-mante conocida hoy por yablono-vita. Despus de todo, la natura-leza es agradecida: en la estructurade diamante se da un intervalo debanda para ndices de refraccinde slo 1,87; hay materiales pti-cos disponibles con ndices de re-fraccin de hasta 3,6.

La estructura de diamante no esla nica con un intervalo fotnico.En 1992 el terico Joseph W. Hausdemostr que habamos descartadolas estructuras ccc demasiado pronto.Se haban buscado brechas en laestructura de bandas fotnicas dela ccc slo a longitudes de ondapara las que aproximadamente me-dia onda encaja en una celda dela red (algo as como la vibracinfundamental de una cuerda de gui-tarra). Como vimos, a esa fre-cuencia slo se abre una pseudo-brecha. Haus, sin embargo, considertambin frecuencias mayores paralas que una onda entera encaja enuna celda (algo as como el pri-mer armnico de la cuerda de gui-tarra); demostr que en la ccc seabre una brecha en esa precisa ubi-cacin. Adems, descubri que lapropia configuracin simple cbicaa la que se llama estructura en an-damio (por su similitud con dichoarmazn) puede tener una brecha,aunque pequea.

Mariposas y microchips

Sabemos ya que la naturalezacrea tambin cristales fotni-cos en los chispeantes palos, en

las alas cromticas de las maripo-sas y en las cerdas del ratn demar, un gusano. Todos ellos pre-sentan una estructura de bandas fo-tnicas, aunque no una brecha plena,pues la luz puede propagarse almenos en algunas direcciones. Larealizacin de una brecha plena haeludido a la naturaleza quiz de-bido a que requiere un contrastede ndices de refraccin demasiadoalto.

En cualquier caso, una brecha in-completa puede resultar muy til.Por ejemplo, partculas de dixidode titanio de tamao inferior a unamicra pueden llegar a ordenarse enuna estructura opalina. El dixidode titanio constituye el pigmentoblanco que se usa en la pintura ypara blanquear el papel. La dis-persin coherente de la luz que tienelugar en el dixido de titanio es-tructurado con intervalo de bandaspuede dotar de mayor blancura acantidades inferiores de dicho ma-terial. Quizs algn da los crista-les fotnicos inunden nuestro en-torno, desde las paredes pintadashasta los montones de papel quecubren nuestras mesas de despacho.

Existe otro tipo, muy til, de ma-terial de brecha incompleta. Se tratade los cristales fotnicos bidimen-sionales que pueden bloquear lapropagacin de la luz en un plano.Tales estructuras, estiradas en latercera dimensin, originan un nuevotipo de fibras pticas. Las fibraspticas clsicas tienen un ncleode alto ndice que confina la luzpor reflexin total interna. En 1999,

Phillip St. J. Russell mostr el ca-mino para construir tales fibras deintervalo fotnico. En una versin,la luz viaja a lo largo de un agu-jero central, confinada ah por elintervalo fotnico del material quelo rodea. Por tal hueco central sepuede inyectar ms potencia pticaque por vidrio, permitiendo mayo-res capacidades de transporte de in-formacin, hasta centuplicar acasola potencia de las fibras de tele-comunicaciones al uso. De entrelos productos comerciales cuya tc-nica se basa en el concepto de bre-cha fotnica, este tipo de fibras es-peciales es el que ms ha avanzado.En Dinamarca y en el Reino Unidoalgunas empresas ya han distribuidopequeas cantidades; pronto pasa-rn a la produccin en masa.

En vez de estirar un sistema bi-dimensional para crear una fibra,podemos avanzar hacia el otro ex-tremo y crear una lmina delgadaa partir de un cristal fotnico bi-dimensional, como calcularon en1997 Shanhui Fan y John D. Joan-nopoulos. Sin particular dificultad,y por mtodos estndar, pueden con-vertirse los cristales fotnicos delmina delgada en circuitos inte-grados. La introduccin de defec-tos en una estructura con intervalode banda se asemeja al dopado ensemiconductores electrnicos. Posi-bilita un gran abanico de funcio-nes. Hallamos un ejemplo de do-pante en el agujero central de lasfibras de cristal fotnico. De ma-nera similar, al rellenar uno de losagujeros de un cristal en lmina


APLICACIONES DE LOS CRISTALES FOTONICOSDISPOSITIVO DESCRIPCION ESTADOFIBRAS OPTICAS

LASERES NANOSCOPICOS

PIGMENTOS ULTRABLANCOS

DIODOS EMISORES DE LUZ

CIRCUITOS FOTONICOSINTEGRADOS

ANTENAS Y REFLECTORESDE RADIOFRECUENCIAS

Material bidimensional de intervalo de banda, estirado en la terceradimensinLas cavidades pticas ms pequeas del mundo y los lseres mspequeos; formados en un material fotnico bidimensional de lminadelgada

Material fotnico con brecha tridimensional incompleta, de textura similara las estructuras opalinas

Las estructuras de brecha fotnica pueden extraer luz con gran eficiencia(ms de 50 %)Las lminas delgadas con estructura bidimensional pueden servir paragrabar, al modo de los circuitos integrados clsicos, filtros, moduladores,acoples, etc.

Se sirven de inductancias y capacitancias en vez de dielctricosordinarios

Primeras versiones ya comercializadas

Demostrado en laboratorio

Demostrado; mtodos de manufacturacinde bajo coste, en desarrollo

Demostrados, aunque han de competir con otrosmtodos

En desarrollo

Demostrados para resonancia magnticay antenas

delgada se produce el elemento cr-tico de los lseres, a saber, una di-minuta cavidad que puede alber-gar un modo electromagntico local.(Imagine el lector una pequea ondaestacionaria de luz atrapada entredos espejos.) Recientemente el grupode Axel Scherer recurri a estas pe-quesimas cavidades para construirlseres no mayores que 0,03 mi-cras cbicas de volumen, los mspequeos jams construidos.

La grabacin litogrfica sobrecristales fotnicos en lmina del-gada para encastrar circuitos pti-cos representara el lmite ltimode miniaturizacin optoelectrnica.Muchos sostienen que los circui-tos integrados que combinan elec-trnica y fotnica estn listos parageneralizar la revolucin de los cir-cuitos integrados al dominio de lasseales pticas de banda ancha. Eldesarrollo de dispositivos basadosen el fenmeno de intervalo de ban-da fotnico probablemente atraerla mxima atencin en los prxi-mos aos, aunque los productoscomerciales se encuentren todavaa dos o tres aos vista.

No es de esperar que los cris-tales de ondas electromagnticassean de gran utilidad para ondasde radio, ya que requeriran cris-tales demasiado grandes. Los tel-fonos mviles, por ejemplo, utili-zan ondas de radio de unos 35 cm.Un cristal con muchos agujeros obarras de ese tamao y espaciadodifcilmente podra reputarse por-ttil. A nuestro rescate acude elcircuito LC ordinario de la elec-trnica, que combina una induc-tancia (bobinado; L) y una capa-cidad (condensador; C). Talescircuitos pueden comprimir unaonda electromagntica en un pe-queo volumen. Un ordenamientode circuitos LC puede comportarsecomo un cristal fotnico y con-trolar las ondas electromagnticasque tienen longitudes de onda mu-cho mayores que el espaciado.

Luz reversa

Por medio de ordenamientos decircuitos LC, Sheldon Schultzy David R. Smith crearon materia-les de mano izquierda, que tienenun ndice de refraccin negativopara frecuencias de microondas. En

stos, las ondas electromagnticasviajan hacia atrs: cuando las cres-tas de las ondas se mueven de iz-quierda a derecha, la energa dela onda se transmite de derecha aizquierda!

John B. Pendry ha utilizado dis-positivos LC con intervalo de bandaelectromagntico para manipularcampos magnticos de radiofrecuen-cia de los usados con fines mdi-cos en resonancias magnticas. Hayconsorcios para la investigacin enindustria, defensa y universidades(incluyendo mi grupo) que estudianel empleo de ordenamientos de re-sonadores LC para controlar ondasde radio. Entre las posibles venta-jas de tales dispositivos se encuentrala fabricacin de antenas GPS demayor precisin, al reducir las re-flexiones en la Tierra y aumentarla eficiencia del telfono mvil porla reduccin del acople con la ca-beza del usuario.

No parece imposible que estoscircuitos LC se introduzcan en eldominio de las longitudes de ondapticas. Tales dispositivos haranuso de plasmones, que son corrien-

tes oscilantes a frecuencias pti-cas en superficies metlicas. Losordenamientos de tan diminutos cir-cuitos LC, menores incluso que lalongitud de onda ptica, podransuponer el lmite ltimo de la mi-niaturizacin de cristales fotnicos.

Algunos aventureros han de con-fiar contra toda esperanza; de lo con-trario, nunca iniciaran su viaje niperseveraran hasta el final. Cuandome paro a considerar la magnitudde la actividad desarrollada hoy eneste campo, me alegro de que, hacediez aos, tomara aquellas desa-lentadoras llamadas como un aci-cate para proseguir las investiga-ciones y resolver los problemas.


PHOTONIC CRYSTALS: MOLDING THEFLOW OF LIGHT. John D. Joannpou-los, Robert Meade y Joshua N. Winn.Princeton University Press, 1995.

OPTICAL PROPERTIES OF PHOTONICCRYSTALS. Kasuaki Sakoda. SpringerSeries en Optical Sciences, vol. 80.Springer Verlag, mayo 2001.

Bibliografa complementaria


Fitocromosy desarrollo vegetalLos fitocromos son unos pigmentos vegetales que controlan diferentes

aspectos del desarrollo e informan a las plantas de los cambiosoperados en el entorno para optimizar su crecimiento

Jaime F. Martnez Garca, Elena Monte y Francisco J. Ruiz Cantn

DIA

INTENSIDAD(ADAPTACION

FOTOSINTETICA)

DIRECCION(FOTOTROPISMO)

DURACION DIA-NOCHE(FOTOPERIODO)

DESETIOLACION

COLOR

PERCEPCIONPLANTA VECINAGERMINACION

SEMILLA PLANTULA PLANTA JOVEN PLANTA ADULTA

NOCHE

1. LAS PLANTAS responden a la intensidad, direccin, duracin y color de la luz. Gracias a su plasticidad,se adaptan ptimamente al entorno. Esas respuestas, desencadenadas a lo largo del ciclo biolgico, com-prenden la induccin de la germinacin de las semillas, el desarrollo en luz de las plntulas (desetiolacin),la adaptacin de la capacidad fotosinttica a la intensidad lumnica, el fototropismo o crecimiento hacia lafuente de luz y el sndrome de huida de la sombra. La respuesta de floracin se inicia en la estacindel ao adecuada gracias a la percepcin de cambios en el fotoperodo o duracin da-noche.

L as plantas, fijas en elsuelo, no pueden ir enbusca de condicionesambientales ptimas. Ellugar donde germina lasemilla determina la disponibilidadde luz, agua y nutrientes. De en-tre esos factores, la luz cumple unpapel principal a lo largo del ci-clo biolgico. Sirve de carburanteen la fotosntesis, que posibilita laformacin y desarrollo de hojas,tallos, races y flores.

La luz constituye tambin unafuente de informacin sobre el en-torno. Las plantas perciben dife-rentes segmentos de su espectro deradiacin, as como su intensidad,duracin, periodicidad y direccin.Detectan, adems, los cambios detales propiedades experimentadosen el transcurso del ao y del dao en la cercana de otras plantas.En razn de esa informacin lasplantas adaptan sus propios proce-sos, desde el momento de la ger-minacin hasta la desetiolacin, yel fototropismo o la floracin. Elconjunto de respuestas que afectanal desarrollo y aspecto de la plantaen funcin de la luz se conocecomo fotomorfognesis.

Cmo perciben las plantas lascaractersticas de la luz del medio?La radiacin solar consta de dife-rentes colores, acordes con las dis-tintas longitudes de onda en que setransmite. Para captarlos, las plan-tas poseen receptores especiales, lospigmentos fotosensibles o fotorre-ceptores. De stos, clorofilas y ca-

rotenoides absorben la gama que vadel azul al rojo, implicada en lafotosntesis. Pero en el control dela fotomorfognesis participan otrosfotorreceptores que captan y trans-miten seales de diferentes regio-nes del espectro: el receptor de luzultravioleta-B, los criptocromos, quecaptan la luz ultravioleta cercana yazul, y los fitocromos, que perci-ben la luz roja y roja lejana.

Los fitocromos se descubrieronen los aos cincuenta en elmarco de una investigacin sobreel efecto de la luz en la germina-cin de las semillas de lechuga.Se observ que no llegaban al 20 %las semillas que germinaban en os-curidad; por contra, el porcentajede germinacin era mximo cuandoirradiaban las semillas con un pulsode luz roja (R). Se hall, adems,que la irradiacin subsiguiente conun pulso de luz roja lejana (RL)anulaba el efecto inductor de laluz roja, evitando la germinacin.Las irradiaciones alternas con luzR y RL (R, R + RL, R + RL + R,

R + RL + R + RL, etctera) pusie-ron de manifiesto que el ltimocolor aplicado determinaba la ger-minacin de las semillas, y que laluz roja constitua el factor esti-mulante del proceso y, su inhibi-dor, la luz roja lejana.

En busca de una explicacin detales fenmenos se propuso la exis-tencia de un pigmento, al que lla-maron fitocromo, que absorba laluz roja. El fitocromo en cuestin,tras absorber luz roja, se conver-ta en una forma capaz de absor-ber radiacin roja lejana; formaque tornaba a su condicin inicialtras realizar dicha absorcin. Lahiptesis hall respaldo experi-mental a principios de los aossesenta con la purificacin, a par-tir de extractos de plntulas decereales, de una protena dotadade las caractersticas predichas.Los fitocromos son protenas so-lubles que se encuentran en lassemillas, hojas, tallos, races y de-ms rganos de la planta.

Aparecen en dos configuracio-nes intercambiables, denominadas


L

JAIME F. MARTINEZ GARCIA, ELE-NA MONTE COLLADO y FRAN-CISCO J. RUIZ CANTON trabajandesde hace varios aos en pigmentosvegetales. Martnez, actualmente en elInstituto de Biologa Molecular deBarcelona, estudi en la Universidadde Valencia y complet su formacinen el Instituto John Innes de Norwichy en el Centro de Expresin Gnicade Plantas (PGEC) de Albany. Mon-te, que trabaja en esta ltima insti-tucin, se form en la UniversidadAutnoma de Barcelona. Ruiz, quetambin pas por el PGEC de Al-bany, trabaja en el Departamento deBiologa Molecular y Bioqumica dela Universidad de Mlaga.

Los autores

500 600 800700

uv-B uv-A azul verde rojo rojo lejano amarillo

uvB CRIPTOCROMOS

CAROTENOIDES

CLOROFILAS

OJO HUMANO

CLOROFILAS

FITOCROMOS

LONGITUD DE ONDA(NM)

300 400

2. LA LUZ SOLAR se compone de diferentes colores, que se correspondencon luces de diferentes longitudes de onda (expresadas en nanmetros). Elespectro visible al ojo humano cubre la regin de 400 a 700 nm, mientrasque las plantas perciben adems las regiones del ultravioleta (uv) y delrojo lejano. Para ello estn dotadas de distintos tipos de protenas: re-ceptores de luz uv-B (280-320 nm); criptocromos, que absorben mayorita-riamente luz uv-A (320-390 nm) y azul (400-500 nm); clorofilas, que ab-sorben luz azul y roja (600-700 nm); carotenoides, que absorben luz verdey amarilla (400-600 nm), y los fitocromos, que absorben luz roja y roja le-jana (700-800 nm).


Pr y Pfr. De la absorcin de laluz roja se encarga la forma Pr;de la radiacin roja lejana, la formaPfr. Puesto que en los procesosfisiolgicos la luz roja tiene unefecto activador y la roja lejanaun efecto inhibidor, Pfr se consi-dera la forma biolgicamente ac-tiva del fitocromo y Pr, la inac-tiva. Esta ltima se aloja en elcitoplasma, mientras que la formaactiva (Pfr) se localiza preferen-temente en el ncleo celular.

Por tratarse de molculas recep-toras, los fitocromos cumplen dosfunciones, una sensora y otra re-guladora. La funcin sensora im-plica la percepcin de la seal lu-minosa incidente. Compete a lafuncin reguladora transferir la in-formacin recibida a los compo-nentes de la cadena de transduc-cin de la seal, encargada detransmitir la informacin captadaa otros componentes celulares. Enla naturaleza, donde la luz es po-licromtica, los fitocromos operana la manera de interruptores mo-leculares, que informan a la plantade la presencia y los cambios enlas proporciones relativas de luzroja y de roja lejana del ambiente,para que acometa las respuestas fi-siolgicas oportunas.

Los fitocromos intervienen en elciclo biolgico de la planta,desde la germinacin a la flora-cin y tuberizacin, pasando porla desetiolacin de las plntulas yel alargamiento de tallo y entre-nudos. Segn la cantidad y dura-cin de irradiacin requeridas parainducir esos procesos en condi-ciones controladas de laboratorio,se han clasificado las respuestas entres tipos: respuestas de baja fluen-cia (RBF), respuestas de muy bajafluencia (RMBF) y respuestas dealta irradiancia (RAI).

Las respuestas de baja fluenciavienen inducidas por pulsos bre-ves de luz roja; se anulan si sesuministra un subsiguiente pulsode luz roja lejana. Son las que ini-cialmente identificaron procesoscontrolados por fitocromos, comola germinacin. Para desencadenaruna respuesta de muy baja fluen-cia bastan cantidades exiguas decualquier longitud de onda entre300 y 780 nm. Ocurre as en la

2000 400 600 800 12001000

NH2

COO

H

aminocidos

PAS1 PAS2 DHQa

b

c

300 400 500 600 700 800

0,2

0,6

0,4

0,8

0

CROMOFORO

ROJO (R)

ABSO

RCIO

N

R RL

ROJO LEJANO (RL)

LONGITUD DE ONDA (NM)

FITOCROMOINACTIVO

(FORMA Pr)FITOCROMO

ACTIVO(FORMA Pfr)

NUCLEO

3. LOS FITOCROMOS son protenas solubles constituidas por dos subunida-des idnticas de unos 1200 aminocidos y 125 kilodalton de masa molecu-lar. Cada subunidad consta de un dominio amino terminal, globular, al quese une un cromforo responsable de la absorcin de la luz, y de un domi-nio carboxilo terminal, implicado en la dimerizacin y en la funcin regula-dora del fitocromo (a). En el dominio carboxilo distinguimos el ncleo, deinters en la transmisin de la informacin ambiental percibida, las regionesPAS1 y PAS2, implicadas quizs en interacciones entre protenas, y la re-gin DHQ, que debe su nombre a la semejanza que guarda con los dominioshistidina quinasa. El dmero de fitocromo existe en dos formas fotoconver-tibles (b): Pr, que absorbe luz roja, y Pfr, que absorbe luz roja lejana. Losfitocromos se sintetizan en la forma inactiva Pr; la absorcin de luz rojaproduce un cambio reversible en la conformacin de la protena (acercamientoentre los extremos globulares de las dos subunidades del dmero) que la con-vierte a la forma activa Pfr. Esta ltima forma puede inactivarse y volvera la conformacin Pr por la absorcin de luz roja lejana. Los espectros deabsorcin de Pr y Pfr (c) se solapan en buena parte, lo que significa que laforma activa Pfr coexiste siempre con la inactiva Pr en un fotoequilibrio quese establece en funcin de la proporcin relativa de luz roja y roja lejanade la irradiacin incidente.

expresin de los genes LHC, quecifran protenas del aparato fotosin-ttico que unen clorofilas. Por fin,las respuestas de alta irradianciase presentan ante una irradiacinde intensidad moderada o elevaday continuada de luz R (Rc) o RL(RLc). El ejemplo mejor estudiadode este tipo de respuesta es el pro-ceso de desetiolacin, que consisteen el conjunto de cambios en eldesarrollo de plntulas germinadasen oscuridad cuando se exponen ala luz.

La naturaleza fotorreversible dela molcula de fitocromo explicalas respuestas RBF, emitidas anteun pulso de luz roja y anulablessi, tras ste, se suministra un pulsode luz roja lejana. Las respuestasRMBF y RAI, que no reviertennunca, pueden iniciarse por luz rojalejana, un pulso en el caso deRMBF o irradiacin continua en elcaso de respuestas de alta irradian-cia. El efecto inductor de la luzRL se explica en parte por el so-lapamiento de los espectros de ab-sorcin de las formas Pr y Pfr delos fitocromos, que implica la exis-tencia de forma activa (Pfr) inclu-so tras irradiacin con luz RL.

Los fitocromos pueden regularun proceso fisiolgico a travs dediversos modos de accin. La de-setiolacin presenta un componentede RBF y otro de RAI, la induc-cin de los genes LHC muestranun componente de RMBF y otrode RBF y la germinacin de Ara-bidopsis se apoya en un triple com-ponente de RMBF, RBF y RAI.

La variedad y complejidad derespuestas fisiolgicas mediadas porluz roja y roja lejana sugirieron laposibilidad de que hubiera ms deun tipo de fitocromo implicado ensu regulacin. A tenor de la in-vestigacin fisiolgica, ciertas res-puestas aparecan sometidas al con-trol de un fitocromo fotolbil, quese degradaba tras la exposicin ala luz, y otras sujetas a un fito-cromo fotoestable, que no se de-gradaba tras la exposicin.

Se agregaban a esos resultadoslos datos bioqumicos e inmunita-rios que apoyaban la existencia dedos especies moleculares de fito-cromos, los de tipo I y tipo II. Am-bos fitocromos se convertan a laforma activa al absorber luz roja,

pero diferan en la estabilidad invivo tras la exposicin; y as, laforma Pfr (activa) del tipo II eraestable, y la forma Pfr del tipo Iinestable al degradarse rpidamente.

La confirmacin definitiva de laexistencia de fitocromos dife-rentes vino con la identificacin delos ADN complementarios (ADNc,es decir, ADN transcrito a partirdel ARN mensajero) que cifrabantales protenas en una misma es-pecie vegetal. Estas secuencias deADNc sirvieron luego para aislarlos correspondientes genes. As, enArabidopsis thaliana se aislaronhasta cinco genes distintos para losfitocromos A, B, C, D y E. Cuandose compar la secuencia aminoa-cdica de esas cinco protenas se

observ que slo un 50 % de losaminocidos de la protena son igua-les, excepto los fitocromos B y D,que comparten un 80 % de la se-cuencia de aminocidos.

Del cotejo entre la secuencia deuna porcin del fitocromo de tipo Iy las secuencias traducidas de ADNcde los genes identificados en di-ferentes especies se desprenda queel fitocromo A era el nico de ti-po I. Siguiendo un mtodo similar,se vio que el fitocromo B era detipo II. Los anlisis de la abun-dancia relativa de los distintos fi-tocromos mostraron que los A yB constituan las formas predomi-nantes en la plntula.

El fitocromo A se acumula enplntulas etioladas, para decaer deinmediato tras la exposicin a luz


65b

R RL

3 4

5aR RL

1 2

R RL R RL R RL

R RL

R RL

4. RAZON ENTRE LUZ ROJA Y ROJA LEJANA. Esa proporcin percibida porlas plantas, simbolizada por la expresin R:RL, constituye un ndice de ladensidad y la proximidad de vegetacin. Esta razn establece un fotoequili-brio entre las formas Pr y Prf de los fitocromos. En la radiacin solar di-recta, R:RL es constante, con valores entre 1,05 y 1,25 (1). Las condicionesclimticas apenas alteran la relacin, aunque en un da muy nublado la in-tensidad total se puede reducir hasta 10 veces (2). Ante ciertas condicionesecolgicas s vara la relacin R:RL. Los pigmentos fotosintticos de las plan-tas (clorofilas y carotenoides) absorben luz de casi todo el espectro visible,mientras que son casi transparentes al rojo lejano. Por eso, en la zona desombra vegetal la relacin R:RL disminuye hasta valores entre 0,05 y 0,15(3 ). Parte del rojo lejano incidente se refleja, con la cada consiguiente dela razn en R:RL captada por las plantas vecinas (4 ). La relacin R:RL de laluz que se filtra informa a la semilla enterrada o a la plntula emergentede las condiciones en la superficie (5a, 5b). Asimismo, un incremento de larelacin R:RL puede informar a las plantas acuticas de la profundidad a quese hallan, ya que el agua absorbe luz roja lejana (6 ).

roja o blanca, debido a la fotola-bilidad de la forma activa de laprotena y tambin a una repre-sin coordinada de la expresin desu gen. En plntulas crecidas enluz y en plantas adultas, los ni-veles de fitocromo A son muy ba-jos; de los fitocromos restantes,predomina el B.

El efecto dispar que la luz ejer-ca sobre la concentracin relativade los fitocromos A-E respaldabala hiptesis de la singularidad fun-cional de stos. Cada fotorrecep-tor desempeaba una funcin pro-pia en la regulacin del desarrollo.La fotolabilidad del fitocromo Asugiere que intervendra en las tran-siciones de oscuridad a luz, comolas que ocurren durante la germi-nacin de la semilla bajo tierra oen los ciclos noche-da, mientrasque los fitocromos fotoestables par-ticiparan en los procesos regula-dos por luz roja y roja lejana, enlas plantas crecidas en luz.

Para obtener pruebas ms sli-das de la peculiaridad funcional seinici la bsqueda, identificaciny anlisis de mutantes carentes deun fitocromo concreto. Se trabajcon Arabidopsis thaliana, angios-perma ideal para la experimenta-cin, pues su genoma consta deslo 100 megabases, desarrolla unciclo biolgico de un mes apenasy alcanza un tamao pequeo.

La investigacin se centr en lalongitud del hipoctilo, un carctersimple y fcil de observar, cuyo alar-gamiento se inhibe con la luz. Lasplntulas mutantes que carecierande algn fitocromo deberan mani-

festar una menor respuesta (o hipo-sensibilidad) a la luz; se las iden-tificara en seguida por ser mslargas que las no mutantes si cre-can en un medio de irradiacin con-tinua con luz blanca, roja o rojalejana.

Se identific un primer mutanteque presentaba el hipoctilo alar-gado en un entorno de luz blanca.Cuando se utiliz luz monocro-mtica, la plntula retena la res-puesta normal bajo luz roja lejana,pero presentaba ceguera a la luzroja. Esa Arabidopsis mutante ca-reca de fitocromo B, por culpa deuna mutacin bloqueadora del gensubyacente (PHYB); se la rotulphyB.

De ello se desprenda que la per-cepcin de luz roja continua porla plntula dependa principalmentedel fitocromo B. La ausencia del

fotorreceptor afectaba al desarrollode la planta en diferentes estadios,prueba del papel destacado que de-sempeaba en el control de variasrespuestas fotomorfognicas; inter-vena, por ejemplo, en la desetio-lacin, alargamiento del tallo, ger-minacin y control de la floracin.

La investigacin fisiolgica, porotro lado, atribua al fitocromofotolbil la induccin de la dese-tiolacin bajo iluminacin con luzroja lejana continua. Ahondando enesa lnea, se aislaron los primerosmutantes deficientes en fitocromo A,denominados phyA. Estos se carac-terizaban por su ceguera absoluta ala luz roja lejana continua, mien-tras seguan respondiendo con nor-malidad bajo iluminacin roja oblanca. Por tanto, la percepcin deluz roja lejana corresponda en ex-


GERMINACION

OSCURIDAD

SEMILLAS

MEDIODE CULTIVO

R

R+RL

R+RL+R

R+RL+R+RL

5. UN EJEMPLO CLASICO de las respuestas mediadas por los fitocromos esel control por luz de la germinacin de las semillas. En condiciones de os-curidad, el porcentaje de germinacin es bajo. Basta un pulso inicial de luzroja (R) para inducir la germinacin. Pero si tras ese pulso se aplica otrode luz roja lejana (RL), se obtienen porcentajes de germinacin similares alos de semillas mantenidas en oscuridad. La observacin de la sucesin depulsos (R + RL + R, R + RL + R + RL) permiti descubrir que el color delltimo pulso aplicado controlaba la germinacin.

clusividad al fitocromo A. La in-vestigacin ulterior en este mutanteha demostrado que, en condicionesnaturales, el fitocromo A contribuyea la supervivencia de las plntulasque germinan bajo una zona desombra vegetal, en que el ambientese enriquece en luz roja lejana.

Los cribados bajo luz roja con-tinua en plntulas de Arabidopsisno descubrieron mutantes deficien-tes en los fitocromos C, D y E.Adems, las plantas que carecande los fitocromos A y B seguanreaccionando ante algunos estmu-los de la luz roja y roja lejana,especialmente en estado adulto. Pa-reca clara la regulacin de talesrespuestas por los fitocromos C,D y E.

Y eso es lo que se confirm enun ecotipo de Arabidopsis deno-minado Wassilewskija o WS, de-ficiente en fitocromo D (phyD) acausa de una mutacin espontneaen el gen correspondiente. Dadala ligera hiposensibilidad a la luzroja de las plntulas mutantes phyD,cabe suponer que este fitocromoparticipa, junto con el B, en lapercepcin de luz roja. Tambinse han identificado plantas mu-tantes en el fitocromo E (phyE),que muestran, en ausencia de fi-

tocromo B, alteraciones en la per-cepcin de la razn entre luz rojay roja larga.

La complementariedad o redun-dancia de funcin observada entrelos fitocromos B, D y E les permi-te, quizs, a las plantas percibirpequeos cambios en las condi-ciones de luz y ajustar su creci-miento. No se ha obtenido ningunaplanta deficiente en fitocromo C,por lo que se desconoce el pro-ceso fisiolgico concreto en queinterviene.

Tras la percepcin de la luz, losfitocromos transforman la infor-

macin ambiental en una seal ce-lular. Se supone que sta se trans-mite a la cadena de transduccininiciada por la funcin reguladorade los fitocromos. Esta cadenaconsta, as se cree, de elementosque actan como mensajeros mo-leculares desde el fitocromo hastalos genes implicados en l

Investigación y Ciencia 305 - Febrero 2002

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