Ultracentrífuga

Ultracentrifuge

Una ultracentrífuga es una centrífuga optimizada para hacer girar un rotor a velocidades muy altas, capaz de generar una aceleración tan alta como 1 000 000 g (aprox. 9 800 km/s²). Hay dos tipos de ultracentrífugas, la ultracentrífuga preparativa y la ultracentrífuga analítica. Ambas clases de instrumentos encuentran usos importantes en biología molecular, bioquímica y ciencia de polímeros.

Historia

En 1924, Theodor Svedberg construyó una centrífuga capaz de generar 7000 g (a 12 000 rpm) y la llamó ultracentrífuga, para yuxtaponerla con el ultramicroscopio que se había desarrollado anteriormente. En 1925-1926, Svedberg construyó una nueva ultracentrífuga que permitía campos de hasta 100 000 g (42 000 rpm). Las ultracentrífugas modernas generalmente se clasifican como que permiten más de 100 000 g. Svedberg ganó el Premio Nobel de Química en 1926 por su investigación sobre coloides y proteínas utilizando la ultracentrífuga.

La ultracentrífuga de vacío fue inventada por Edward Greydon Pickels en el Departamento de Física de la Universidad de Virginia. Fue su aporte del vacío lo que permitió una reducción de la fricción generada a altas velocidades. Los sistemas de vacío también permitieron el mantenimiento de una temperatura constante en toda la muestra, eliminando las corrientes de convección que interferían con la interpretación de los resultados de la sedimentación.

Comparación de números de serie 1 y 1000 del modelo E de Spinco Ultracentrifuge, 1965

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 complicado para uso comercial y desarrolló una versión "infalible" más fácil de operar. Pero incluso con el diseño mejorado, las ventas de centrífugas analíticas se mantuvieron bajas y Spinco estuvo a punto de quebrar. La empresa sobrevivió concentrándose en las ventas de modelos de ultracentrífugas preparativas, que se estaban volviendo populares como caballos de batalla en los laboratorios biomédicos. 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.

Instrumentación

Las ultracentrífugas están disponibles con una amplia variedad de rotores adecuados para una gran variedad de experimentos. La mayoría de los rotores están diseñados para contener tubos que contienen las muestras. Los rotores de cangilones oscilantes permiten que los tubos cuelguen de bisagras para que los tubos se reorienten a la horizontal cuando el rotor acelera inicialmente. 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 granular fracciones de partículas finas, como orgánulos celulares (mitocondrias, microsomas, ribosomas) y virus. También se pueden utilizar para separaciones en 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 típicamente 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 permite que el rotor se detenga suavemente y se bombea suavemente el gradiente fuera de cada tubo para aislar los componentes separados.

Peligros

La tremenda energía cinética rotacional del rotor en una ultracentrífuga en funcionamiento hace que la falla catastrófica de un rotor giratorio sea una preocupación seria, ya que puede explotar espectacularmente. Los rotores se fabrican convencionalmente con metales de alta resistencia al peso, como el aluminio o el titanio. El estrés del uso rutinario y las soluciones químicas agresivas eventualmente hacen que los rotores se deterioren. Para mitigar este riesgo, es necesario un uso adecuado del instrumento y los rotores dentro de los límites recomendados y un mantenimiento cuidadoso de los rotores para evitar la corrosión y detectar el deterioro.

Más recientemente, algunos rotores se fabricaron con material compuesto de fibra de carbono liviano, que es hasta un 60 % más liviano, lo que resulta en tasas de aceleración/desaceleración más rápidas. Los rotores compuestos de fibra de carbono también son resistentes a la corrosión, lo que elimina una de las principales causas de falla del rotor.