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

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
Enlace Original

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Comments (11)

  1. Información Bitacoras.com…

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  4. fandila

    Si es cierto que la materia oscura se va transformando hasta la materia normal, podría idearse una manera de recoger dicha materia oscura, de la forma direccional que se explica en el artículo, si fuese posible “atraparla” y cuantificar que donde nada había, sólo m. oscura, al cabo de un tiempo aparece cierta cantidad de materia medible. El aislamiento podría conseguirse mediante campos o pozos controlados libres de la influencia externa salvo en una línea de entrada de “vacío”. Algo prolemático si la materia oscura es el sosten de los propios campos y participa en la reposición energética de la materia.

  5. Dr. Pest

    Puntualización pijotera: “highly-ionised gold nuclei”, correctamente traducido pero la frase es desafortunada en su original inglés: si es un núcleo (pelado, mondo y lirondo), entonces no es que esté “altamente ionizado”, es que está *totalmente* ionizado, decir núcleo ahorra decir ionizado, es consustancial. Si conserva corteza electrónica, entonces no es un núcleo de oro, es un átomo de oro (ahora sí, todo lo ionizado que se quiera, tiene 79 electrones para palmar, y que lo dejen con menos de 74 le sienta francamente mal), porque lo que irá aporreando por ahí serán los orbitales, no el núcleo, que son “considerablemente” más grandes.

    Se me ocurren 14 buenas razones por las cuales esto no va a funcionar (con independencia de que sea posible detectar materia oscura suponiendo que exista), va a ser interesante ver cómo llevan a efecto el cachivache (si pueden). ¿Y por qué razón concreta usan oro? Porque se me ocurren alternativas más baratas (1 kg, oiga) perfectamente estabilizables (Pb, por ejemplo). Y supongo que no tendrá que ser monoisotópico xD.

  6. Tomj Wood

    ¡No importa si la detectan o no! Me parece que estamos ante la aparición, al menos en el planteamiento formal, de un nuevo detector/sensor; tal vez de la relevancia de la cámara de niebla. Esta es mi queja actual con la enseñanza de la física. Crean mentes que no pueden entender la naturaleza como Faraday, ni combinar los distintos descubrimientos con la ingeniosidad de Alba Edison, personan sin imaginación física. Quieran o no: física es física. El sistema de enseñaza, elimina a este tipo de personas que tanto necesitamos, solo porque tienen problemas con la física-matemática, algo si se quiere, técnico/temporal. Si queremos salir del atraso actual, del atolladero teórico en que estamos metido, del caos que crea ese desbalance, hay que replantearse muchas cosas con la enseñaza universitaria de la física. Para empezar los graduados, no los puede decidir la enorme masa de físicos teóricos que han comprado las universidades. Hay muchos muchachos con habilidades matemáticas, que nunca pasarían, si se le aumentan las necesarias prácticas de laboratorio; lo mismo y viceversa,… su imaginación física es insípida. Ya he dejado por ahí mis “incoherentes ideas” sobre las causas y las consecuencias del negocio que eso representa para las universidades y el enorme daño que sufren los países, la sociedad en general, por esas causas. Las sociedades tienen que entender que la física y las carreras de ciencias tienen que basarse en los laboratorios, por caros que resulten esto, los docentes, los equipos, los reactivos….; Tienen que entender que si quieren una sociedad y una economía moderna, creciente, agresiva, las carreras de ciencias son caras, llevan recursos, paciencia y tiempo en organizarlas. Al final, a la larga, mis ideas tienen un alto valor agregado, más inmediato que el camino que siguen o desperdician algunos durante toda su vida, con cosas intrascendentes. Voltearse para no ver esto ahora, a tiempo; para seguir viviendo de ese caduco sistema, de ese corrupto sistema, solo será: pan pa’ hoy y hambre para mañana.
    Las causas que hacen esto posible: Abaratar la enseñaza, al ser mas económico comprar un docente con la cabeza cangada de formulitas y entusiasmar a los estudiares (y otros que después de graduados siguen creyéndoselo,…) con la idea de que mezclando formulitas lograran un premio Nobel. Eso, no es mas importante que dar de “comer” a un pueblo. Eso, los distancia de las meditaciones profundas sobre la naturaleza física de las cosas, no tienen esa base creada a tiempo, que en el fondo, es la que ha antecedido a la exitosa mezcla de formulitas, que le ha dado Nobeles a otros. Ese es el sistema que ha creado el teorisidio desmedido actual, que tiene implícito un desproporcionado gasto intelectual, con relación a su bajo redimiendo físico explicativo. Algo que alimentan las revistas,… además de que filtra, elimina a estudiantes con gran talento, he imaginación experimental. En fin todo se ha ido a razón de ~80/20, por lo teórico; cuando al menos, debería de ser 50/50.
    Las consecuencias son claras y palpables. Enormes gastos en maquinas que no tienen mucho rendimiento. Baja aplicación de los adelantos científicos. Sociedades atrasadas en aplicar la enorme cantidad de investigaciones que existen, por no saber conjugar una con otras, no tienen esas habilidades creadas, desde jóvenes, mejor desde niños. Una queja constante de que se gasta mucha energía, estando creadas muchas bases que de desarrollarse, de conjugarse, con imaginación física, estarían ahorrando millones de dólares, creando valores. Otra absurda idea que yo no me creo, la ciencia actual es suficiente par vivir todos con abundancia, solo que tenemos que inventarnos los genios del pasado. Ya he leído varios estudios que lo demuestran muy bien, sin mentiras. Una bola de nieve de modelos, que por simple y racional lógica, la mayoría son especulaciones, al no contar con los acotes experimentales necesarios, por falta de talentosos experimentales. Los teóricos los eliminan con arrogante desprecio y ahora los necesitan más que nadie. Pero como el daño es de décadas, demorara un buen tiempo en aparecer personas con la imaginación de esos científicos que mencionas. La vieja categoría filosófica, de la unidad y lucha de contrarios. El desequilibrio: La pulga mata al perro, que le daría de comer, por lo que ella también muere. Por lo que sus modelos no servirán de nada, no describen nada. La aparición de un semillero de revistas científicas que lucran, que enrarecen el quehacer científico y crean muchos vicios científicos y morales,… Hay muchos problemas científicos organizativos, que irremediablemente conducirán a grandes escándalos, ya verán. Como siempre, léanlo varias veces, para que vean la idea, no cuento con tiempo.

  7. MR

    Con independencia del metal utilizado, el oro, quizá sea posible usar otro metal como comenta el doctor, el modelo me parece ingenioso. Si la hipótesis que manejo es correcta, que la bariónica es un producto de la materia oscura, poca materia oscura puede quedar por los alrededores del sol, salvo que nuestro sistema estelar siga creando materia aunque no lo advirtamos.

  8. Fusma0

    Ummm interesante que empiecen a ser multi-disciplinares, pero hace nada no se desmonto la teoría de un anillo de materia oscura alrededor de las galaxias, o de los sistemas solares, un grupo cuantifico la materia visible y las interacciones gravitacionales y dijo que en el sistema solar hay la masa que hay no hay nada mas escondido, curioso es que se acaba de descubrir un “puente” de materia oscura entre galaxias, pero no alrededor de las mismas…..
    Últimamente se han subido a la parra con las simulaciones informáticas, pero poner un valor a un factor, en este caso la materia oscura, asta que la simulación da los resultados que quieres no me parece ni una explicación, ni muy científico. Hay que empezar desde la humildad, desde el principio d que desconocemos todo, lo que si sabemos es que no emite ningún tipo de radiación, la luz puede atravesarlo pero le afecta su campo gravitacional….
    peor es lo de la energía oscura, todo se separa en el universo pero las galaxias colisionan, la vía láctea esta en dirección de choque irremediable, y la fuerza de la gravedad no llega para explicar esta atracción, nos inventamos la energía blanca?
    o algo así, vamos a seguir escudándonos en simulaciones estadísticas que cada uno se inventa para mantener su puesto y subvención? si la mitad de estudios se contradicen o van por lados diferentes.

    • MR

      La separación de las galaxias es un hecho aparente para distancias lejanas. Para distancias cercanas tenemos galaxias que, en efecto, chocan o andan camino de chocar. Claro, chocan en el plano tridimensional.

  9. fandila

    Muy problemático lo que expones Fusma0.
    Si la materia oscura “sólo” obedece a la fuerza de la gravedad, lo lógico ha de ser que tienda a aglomerarse con cierta uniformidad hacía los grandes centros de gravedad, es decir que será atraída por las grandes masas del cosmos. Pero en eso habría que distinguir entre lo que se dice m. oscura fría o caliente.
    La propia energía de la materia oscura la hará impulsarse por el espacio tan libre o de forma parecida a la luz u otros tipo de radiación. Sin embargo la más pesada, másica, o menos energética se afectará más intensamente por la gravedad.
    Por otro lado, si efectivamente así fuera, que la m. oscura es la base para la “construcción” de la materia normal, lo que ha de ocurrir en un porcentaje relativo muy pequeño, el resto de la la m.o. aún ibre, no andará muy lejos de los grandes o no tan grandes astros.
    Esa distribución filamentosa entre grandes agrupaciones o masas vendría a ser la punta del iceberg, como la parte emergente más próxima a la materia normal, o de dimensión mayor. “Macroefectos” muy cercanos ya al polvo cósmico.
    El gran problema estriba en la ceguera aún de nuestra Física para conseguir ver en esas dimensiones de una forma eficiente. Hasta entonces que ello sea posible casi todo son conjeturas razonables.
    Saludos.

  10. Goooor

    Es una idea genial la de estos chicos!! Solo por la idea y su factible realización es de admirar. Pienso que hay que intentarlo para asi confirmar si existe o no la materia oscura y descartar posibilidades. Es genial!!

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