Ultracentrífuga

Una ultracentrífuga es una centrífuga optimizada para hacer girar un rotor a velocidades muy altas, capaz de generar una aceleración de hasta 1 000 000 g (aprox. 9800 km/s² ). ^{[ 1 ]} Existen dos tipos de ultracentrífugas: la preparativa y la analítica . Ambas clases de instrumentos tienen aplicaciones importantes en biología molecular , bioquímica y ciencia de polímeros . ^{[ 2 ]}

En 1924, Theodor Svedberg construyó una centrífuga capaz de generar 7000 g (a 12 000 rpm) y la denominó ultracentrífuga, para contrastarla con el ultramicroscopio desarrollado previamente. Entre 1925 y 1926, Svedberg construyó una nueva ultracentrífuga que permitía campos de hasta 100 000 g (42 000 rpm). ^{[ 3 ]} Las ultracentrífugas modernas suelen clasificarse como aquellas que permiten campos superiores a 100 000 g. ^{[ 4 ]} Svedberg ganó el Premio Nobel de Química en 1926 por su investigación sobre coloides y proteínas utilizando la ultracentrífuga. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 3 ]}

A principios de la década de 1930, Émile Henriot descubrió que chorros de aire comprimido colocados adecuadamente podían hacer girar una peonza sin cojinetes a velocidades muy altas y desarrolló una ultracentrífuga basada en ese principio. Jesse Beams, del Departamento de Física de la Universidad de Virginia, adaptó primero ese principio a una cámara de alta velocidad y luego comenzó a mejorar la ultracentrífuga de Henriot, pero sus rotores se sobrecalentaban constantemente. ^{[ 7 ]}

El alumno de Beam, Edward Greydon Pickels, resolvió el problema en 1935 al aplicar vacío al sistema, lo que permitió reducir la fricción generada a altas velocidades. Los sistemas de vacío también posibilitaron el mantenimiento de una temperatura constante en toda la muestra, eliminando las corrientes de convección que interferían con la interpretación de los resultados de sedimentación. ^{[ 8 ]}

En 1946, Pickels cofundó Spinco (Specialized Instruments Corp.) para comercializar ultracentrífugas analíticas y preparativas basadas en su diseño. Pickels consideró que su diseño era demasiado complejo para uso comercial y desarrolló una versión más fácil de operar y "a prueba de errores". Pero incluso con el diseño mejorado, las ventas de centrífugas analíticas siguieron siendo bajas y Spinco estuvo a punto de quebrar. La empresa sobrevivió concentrándose en las ventas de modelos de ultracentrífugas preparativas, que se estaban popularizando como herramientas indispensables en los laboratorios biomédicos. ^{[ 8 ]} En 1949, Spinco presentó el Modelo L, la primera ultracentrífuga preparativa en alcanzar una velocidad máxima de 40 000 rpm . En 1954, Beckman Instruments (más tarde Beckman Coulter ) compró la empresa, formando la base de su división de centrífugas Spinco. ^{[ 9 ]}

Las ultracentrífugas están disponibles con una amplia variedad de rotores adecuados para una gran gama de experimentos. La mayoría de los rotores están diseñados para contener tubos que contienen las muestras. Los rotores de cubeta oscilante permiten que los tubos cuelguen de bisagras, de modo que se reorientan a la horizontal cuando el rotor acelera inicialmente. ^{[ 10 ]} Los rotores de ángulo fijo están hechos de un solo bloque de material y sujetan los tubos en cavidades perforadas en un ángulo predeterminado. Los rotores zonales están diseñados para contener un gran volumen de muestra en una sola cavidad central en lugar de en tubos. Algunos rotores zonales son capaces de cargar y descargar muestras dinámicamente mientras el rotor gira a alta velocidad.

Los rotores preparativos se utilizan en biología para la sedimentación de fracciones particuladas finas, como orgánulos celulares ( mitocondrias , microsomas , ribosomas ) y virus . También se pueden utilizar para separaciones por gradiente , en las que los tubos se llenan de arriba abajo con una concentración creciente de una sustancia densa en solución. Los gradientes de sacarosa se utilizan habitualmente para la separación de orgánulos celulares. Los gradientes de sales de cesio se utilizan para la separación de ácidos nucleicos. Después de que la muestra haya girado a alta velocidad durante el tiempo suficiente para producir la separación, se deja que el rotor se detenga suavemente y el gradiente se bombea suavemente fuera de cada tubo para aislar los componentes separados.

La tremenda energía cinética rotacional del rotor en una ultracentrífuga en funcionamiento hace que la falla catastrófica de un rotor giratorio sea una preocupación grave, ya que puede explotar de forma espectacular. Tradicionalmente, los rotores se han fabricado con metales de alta resistencia en relación con su peso, como el aluminio o el titanio. Las tensiones del uso rutinario y las soluciones químicas agresivas acaban provocando el deterioro de los rotores. Para mitigar este riesgo, es necesario utilizar correctamente el instrumento y los rotores dentro de los límites recomendados, así como realizar un mantenimiento cuidadoso de los rotores para prevenir la corrosión y detectar el deterioro. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Más recientemente, algunos rotores se han fabricado con material compuesto de fibra de carbono ligero, que es hasta un 60 % más ligero, lo que resulta en tasas de aceleración/desaceleración más rápidas. Los rotores de material compuesto de fibra de carbono también son resistentes a la corrosión, eliminando una causa importante de falla del rotor. ^{[ 13 ]}

• Ultracentrifugación analítica
• Ultracentrifugación por densidad de flotación
• Centrifugación diferencial
• Centrífuga de gas
• Theodor Svedberg
• Centrífuga tipo Zippe

Contenido multimedia relacionado con ultracentrífugas de laboratorio en Wikimedia Commons.

• Ultracentrifugación analítica moderna en la ciencia de las proteínas: una revisión didáctica.
• Estudio de complejos multiproteicos mediante ultracentrifugación analítica de velocidad de sedimentación multiseñal.
• Informe sobre una explosión en una ultracentrífuga.