Una revolucionaria “cámara de seguimiento de ADN” podría detectar materia oscura

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Artículo publicado el 2 de julio de 2012 en The Physics ArXiv Blog

Un insólito grupo de físicos y biólogos planean construir un detector de materia oscura a partir de ADN, el cual mejorará el rendimiento de cualquier otro detector disponible actualmente.

Tal vez la mayor y más competida carrera en la ciencia moderna sea la búsqueda de la materia oscura.

Los físicos no pueden verla, de ahí su nombre. Sin embargo, deducen su existencia debido a que pueden ver si influencia gravitatoria sobre la estructura de las galaxias y cúmulos de galaxias. Implica que el universo está repleto de materia oscura, mucha más que la materia visible que podemos ver.

Si tienen razón, la materia oscura debe estar por toda nuestra galaxia y Sistema Solar. En este mismo instante, deberíamos estar atravesando un denso mar de materia oscura conforme el Sol se mueve hacia la constelación de Cygnus en su órbita alrededor del centro de la galaxia.

Materia oscura y ADN


Por esta razón es por lo que distintos grupos están inmersos en una carrera por detectar esta materia usando caros detectores en profundas cavernas subterráneas, lo cual protege a los detectores de la radiación que, de otro modo, arruinaría la señal.

Estos experimentos buscan las distintivas señales que se cree que produce la materia oscura como resultado del paso de la Tierra alrededor del sol. Durante la mitad del año la materia oscura va con el viento en contra cuando la Tierra la atraviesa; durante la otra mitad del año va con el viento de cola.

Es más, un par de grupos afirman haber encontrado exactamente esta señal diurna, aunque los resultados son controvertidos y parecen estar en clara oposición con otros grupos que dicen no haber visto la señal.

Hay una forma sencilla de mejorar las observaciones y resolver este problema. La señal de materia oscura debería variar no sólo con el transcurso del año, sino también a lo largo del día con la rotación terrestre.

La materia oscura con el viento de cara debería proceder de la dirección de Cygnus, por lo que un detector adecuado vería un cambio de dirección cuando la Tierra rota a lo largo del día.

Sin embargo, hay un problema: nadie ha construido un detector direccional de materia oscura.

Por esto es por lo que una nueva y revolucionaria idea, procedente de una insólita colaboración entre físicos y biólogos, parece bastante emocionante. El grupo reúne a gente diversa como Katherine Freese de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, astrofísica y una de las principales pensadoras en el área de la materia oscura, y George Church de la Universidad de Harvard en Cambridge, genetista y pionero en el área de secuenciado del genoma.

Estos chicos dicen poder superar los problemas asociados a la detección convencional de materia oscura usando ADN para observar las partículas de materia oscura.

Su detector es poco convencional, siendo generosos. Su unidad básica de detección consta de una lámina de oro con numerosas hebras de ADN colgando de ella, como cortinas de cuentas o un bosque colgante. Cada hebra de ADN es idéntica excepto por una etiqueta que tiene en el extremo libre, que identifica su posición en la lámina de oro.

La idea es que la partícula de materia oscura impacta en un núcleo de oro pesado de la lámina, enviándola fuera de la hoja de oro a través del bosque de ADN. El núcleo de oro impacta entonces con una hebra de ADN durante su viaje, abriendo una brecha en el bosque.

Estas hebras caen sobre una bandeja recolectora que hay debajo, la cual se cambia cada hora aproximadamente. Los segmentos pueden copiarse muchas veces usando una reacción en cadena de polimerasa, ampliando de este modo la señal mil millones de veces.

Dado que se conoce tanto la posición como la secuencia de cada hebra, es fácil calcular dónde se produjo el corte, lo que permite la reconstrucción de la ruta de la partícula de oro con una precisión nanométrica.

Todo el detector consta de cientos o miles de estas láminas emparedadas entre láminas de mylar (PET), como páginas de un libro. En total, un detector del tamaño de una caja de té requeriría alrededor de un kilogramo de oro y unos 100 gramos de hebras de ADN.

Hay múltiples ventajas en este diseño. Primero, la secuencia de ADN determina la posición vertical del corte con un margen de error del tamaño de un nucleótido. Este tipo de resolución nanométrica es muchos órdenes de magnitud superior a la mejor posible en la actualidad.

Segundo, este detector funciona a temperatura ambiente, al contrario que otros diseños que tienen que enfriarse para medir la energía que producen las colisiones de materia oscura.

Y, finalmente, las láminas de mylar hacen que el detector sea direccional. Cada lámina absorbería los núcleos de oro de esta energía después de haber pasado a través del bosque de ADN. Mientras, un núcleo de energía superior procedente de la radiación de fondo o de rayos cósmicos, por ejemplo, pasaría a través de varias ‘páginas’, lo que permitiría observarlos y excluirlos.

Con el dispositivo orientado en un sentido, una partícula de materia oscura impacta en el núcleo de oro impulsándolo hacia el bosque de ADN. Pero en el otro sentido, el núcleo de oro es impulsado hacia la lámina de mylar donde es absorbido. Esto es lo que lo hace direccional – el detector sólo debería registrar eventos que procedan de un sentido.

Esto permitiría al dispositivo observar el cambio diario en la señal de materia oscura, lo que a su vez haría posible que la detección fuese mucho menos exigente estadísticamente.

Es una idea fascinante que probablemente va a generar un gran interés. Sin embargo, no está exenta de ciertos desafíos.

Primero, nadie sabe realmente cómo interactuarán los núcleo de oro de movimiento rápido y altamente ionizados con hebras individuales de ADN o incluso con bosques de ellas. Esto es algo que el equipo planea estudiar en detalle antes de que pueda construirse un detector.

Luego está el reto de crear hebras de ADN que sean lo bastante largas como para presentar un ‘bosque’ razonable atravesable por los núcleos de oro. Church, Freese y compañía dicen que les gustaría que las hebras contuvieran unas 10 000 bases para crear un bosque que absorba por completo la energía del núcleo de oro que lo atraviese.

Por el contrario, los equipos comerciales ofrecen hebras de ADN de apenas 250 bases aproximadamente. Estos chicos dicen que probablemente tendrán que conformarse con hebras de unas 1000 bases.

Las hebras de ADN también tienen que colgar rectas, no curvadas. Esto es mucho en comparación con el área de un metro cuadrado aproximadamente que cubrirá el detector. A esta escala, los campos eléctricos y magnéticos superan a la gravedad y es probable que resulten molestos, particularmente cuando se trata de recolectar el ADN dañado.

Por lo que el equipo tendrá que idea algún tipo de ‘peine’ de ADN que ponga rectos los cabellos. Una idea es unir un minúsculo imán al extremo libre de cada hebra, dejando que tire de la misma hacia abajo.

Las hebras de ADN también tienen que hacerse usando carbono-12 y carbono-13 en lugar de carbono-14 dado que es de naturaleza radiactiva y produciría un ruido de fondo no deseado. Usar solo carbono muy viejo, en el que ya se haya desintegrado todo el carbono-14 podría valer.

Finalmente, hay un notable desafío de ingeniería al crear conjuntos de ADN de un metro cuadrado, bandejas de recolección que capturen el ADN dañado y encajar todo en un detector funcional.

Hay algo más que algunas incertidumbres en este enfoque que hace que sea de alto riesgo. Pero también hay una potencial recompensa muy alta debido a que otros diseños de detectores de materia oscura direccionales son enormes, complejos y potencialmente mucho más caros de construir y poner en funcionamiento. Esto hace que el enfoque sea apasionante.

Los descubridores de la materia oscura tienen asegurado el Premio Nobel. Dado lo que está en juego, no me extrañaría ver cierta inversión en esta idea más pronto que tarde.

Pero hay razones para mantener la cautela. Una pequeña pero ruidosa minoría de físicos dice que la materia oscura no existe, que otras ideas explican mejor la estructura de las galaxias.

De estar en lo cierto, algún día miraremos atrás y pensaremos en estos trabajos de la misma forma en que ahora pensamos en  la búsqueda del flogisto o el debate sobre el surgimiento espontáneo de las formas de vida inferiores: como un divertido callejón sin salida de la física del siglo XXI.


Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1206.6809: New Dark Matter Detectors using DNA for Nanometer Tracking

Fecha Original: 2 de julio de 2012
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