John B. Fenn
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John Bennett Fenn (15 de junio de 1917 – 10 de diciembre de 2010) fue un químico y profesor estadounidense, laureado con el Premio Nobel de Química en 2002, cuyo ingenio y perseverancia revolucionaron la química analítica y abrieron una nueva y vasta frontera en las ciencias biológicas.
Fenn es célebre por el desarrollo de la ionización por electrospray (ESI, por sus siglas en inglés), una técnica que transformó la espectrometría de masas de una herramienta limitada a moléculas pequeñas y volátiles en un método universalmente aplicable a macromoléculas gigantes y frágiles, como las proteínas y los polímeros.
Su invención, a la que él mismo se refirió con humor como dar «alas a los elefantes moleculares», no solo resolvió un problema que había desconcertado a los científicos durante décadas, sino que también se convirtió en un pilar indispensable en campos como la proteómica, el descubrimiento de fármacos y el diagnóstico médico.
De la Gran Depresión a un Doctorado Inesperado
John Fenn nació el 15 de junio de 1917 en la ciudad de Nueva York y pasó sus primeros años en Hackensack, Nueva Jersey. La llegada de la Gran Depresión en 1928 obligó a su familia a mudarse a la pequeña ciudad de Berea, Kentucky, en busca de estabilidad.
Su padre, un ingeniero eléctrico graduado de Rutgers, encontró trabajo como profesor de artes industriales en las escuelas asociadas con el Berea College, una institución notable dedicada a educar a estudiantes necesitados de la región de los Apalaches.
Fenn ingresó a la escuela de Berea en octavo grado. Una de sus anécdotas favoritas de esa época, que solía citar con ironía, fue una nota en tinta roja que un profesor escribió en su primer examen de álgebra: «¡Nunca intentes ser un científico o un ingeniero!».
A pesar de este consejo, y aunque no encontró particularmente emocionante su único curso de ciencias en la escuela secundaria (química), al ingresar al Berea College decidió especializarse en esta materia, una elección de la que, admitió más tarde, no estaba del todo seguro.
Su vocación fue rápidamente reforzada por el profesor Julian Capps, quien impartía un cautivador curso de química para estudiantes de primer año y se convirtió en el modelo a seguir para Fenn cuando él mismo se convirtió en profesor. Fenn completó su licenciatura en solo tres años, y en 1937, en medio de un mercado laboral difícil, fue aceptado en la Universidad de Yale para realizar sus estudios de posgrado.
Su experiencia doctoral en Yale, sin embargo, estuvo lejos de ser inspiradora. Fue asignado al profesor Gosta «Gus» Akerlof para un proyecto que él mismo describió como una «tarea aburrida e inútil». El trabajo consistía en medir rutinariamente el potencial eléctrico en más de tres mil soluciones de electrolitos. Su tesis doctoral reflejó este tedio: consistió en cuarenta y cinco páginas de tablas y solo tres páginas de texto. Esta experiencia lo dejó con un «interés muy disminuido en la investigación científica». Décadas más tarde, se deleitaría con la ironía de que su Premio Nobel proviniera de un regreso a la electroquímica de soluciones, el mismo campo que casi apaga su curiosidad científica.
A pesar de la desilusión profesional, su último año en Yale fue felizmente transformado por su matrimonio con Margaret Wilson, a quien había conocido en Berea casi una década antes.
Un Interludio en la Industria y el Nacimiento de una Pasión
Después de obtener su doctorado en 1940, Fenn se alejó de la investigación fundamental y entró en la industria, trabajando primero en Monsanto y luego en Sharples Chemical. El verdadero punto de inflexión en su carrera llegó en 1945, cuando un amigo, Jim Mullen, lo invitó a cofundar una empresa de investigación en Richmond, Virginia, llamada Experiment, Inc.. La compañía obtuvo un subcontrato de la Marina para investigar problemas aeronáuticos relacionados con el desarrollo de misiles ramjet.
Como vicepresidente de la empresa, Fenn se sumergió en la dinámica y termodinámica de los flujos de fluidos compresibles y la combustión. Publicó su primer artículo de investigación en 1949, casi una década después de su doctorado, y descubrió, en un «cambio radical con respecto a mis sentimientos en Yale», que realmente disfrutaba de la investigación.
Su creciente reputación en la comunidad de la combustión lo llevó a ser nombrado director del Proyecto SQUID en 1952, un programa de investigación financiado por la Marina y administrado por la Universidad de Princeton. Su rol implicaba viajar extensamente, interactuar con científicos de diversas disciplinas y supervisar la investigación en unos treinta laboratorios.
Los «Grandes Fugas al Vacío»: La Revolución de los Haces Moleculares
Fue durante su tiempo en Princeton, y en particular durante un año sabático en la Oficina de Investigación Naval en Londres, cuando Fenn descubrió el campo que definiría la primera mitad de su carrera académica: los haces moleculares supersónicos. La idea era simple pero poderosa: al expandir un gas a alta presión a través de una pequeña boquilla hacia el vacío, se crea un chorro libre (free jet) donde las moléculas, después de una breve fase de colisiones intensas, viajan casi en la misma dirección y a la misma velocidad.
Este proceso, que Fenn describía con su característico ingenio como «grandes fugas deliberadas al vacío», tenía propiedades extraordinarias. La rápida expansión enfriaba drásticamente las moléculas, alcanzando temperaturas de traslación y rotación de un grado Kelvin o menos. Esto simplificaba enormemente sus espectros, ya que solo los estados cuánticos más bajos estaban poblados, abriendo nuevas posibilidades para la espectroscopia de alta resolución.
A su regreso a Princeton, y más tarde en Yale, a donde se trasladó en 1967, Fenn se convirtió en un «evangelista incansable» de los haces supersónicos. Su laboratorio fue pionero en varias aplicaciones clave:
- Formación de Cúmulos Moleculares: Demostró que en los chorros supersónicos se podían generar grandes concentraciones de cúmulos moleculares, como el agua agrupada alrededor de protones hidratados, creando un vasto reino de química inexplorada en condiciones de no equilibrio.
- Aceleración por «Siembra» (Seeding): Desarrolló una técnica en la que una pequeña cantidad de una molécula pesada se mezcla con un gran exceso de un gas portador ligero como el helio. Durante la expansión, las moléculas pesadas son arrastradas por el gas ligero, alcanzando altas energías cinéticas. Esta técnica se convirtió en un pilar fundamental para los experimentos de haces cruzados que estudian la dinámica de las colisiones moleculares.
El trabajo de Fenn con los haces moleculares lo estableció como una figura central en la físico-química, pero su mayor contribución aún estaba por llegar.
La Ionización por Electrospray: «Alas para Elefantes Moleculares»
La génesis de la ionización por electrospray se remonta a un artículo de 1968 de Malcolm Dole, quien intentó, sin mucho éxito, medir el peso de polímeros sintéticos mediante espectrometría de masas. El problema fundamental era que la espectrometría de masas requiere que las moléculas estén en fase gaseosa y cargadas (ionizadas). Sin embargo, las macromoléculas como las proteínas o los polímeros no pueden ser vaporizadas; al calentarlas, simplemente se descomponen.
El método de Dole consistía en pulverizar una solución diluida del polímero a través de una aguja hipodérmica a la que se aplicaba un alto voltaje. Esto creaba una fina niebla de gotitas cargadas. La idea era que, a medida que el disolvente se evaporaba de las gotitas, la carga se concentraría hasta que, finalmente, los iones del polímero fueran expulsados al gas y pudieran ser analizados.
El laboratorio de Fenn intentó replicar y mejorar los experimentos de Dole en la década de 1970, pero los resultados fueron desalentadores, en gran parte debido a una instrumentación inadecuada. Después de una pausa de casi diez años, Fenn decidió revisitar el problema a principios de la década de 1980. Esta vez, comenzó con moléculas pequeñas y un espectrómetro de masas modesto, y los resultados fueron inmediatos y espectaculares. Las especies pequeñas producían espectros limpios y sin fragmentación.
El verdadero avance se produjo cuando observaron que algunas de estas moléculas pequeñas adquirían múltiples cargas. Fenn tuvo una corazonada: ¿y si las moléculas más grandes pudieran acumular aún más cargas? Esta idea era crucial porque un espectrómetro de masas no mide la masa (m) directamente, sino la relación masa-carga (m/z). Si una molécula muy grande (m alta) pudiera acumular muchas cargas (z alta), su relación m/z podría caer dentro del rango de un instrumento convencional.
En 1988, su grupo confirmó esta hipótesis de manera espectacular. Aplicaron la ESI a proteínas con pesos moleculares de hasta 40,000 Daltons. El espectro resultante no era un solo pico, sino una hermosa serie de picos, cada uno correspondiente a la misma proteína, pero con un número diferente de protones adheridos (cargas). Por ejemplo, una proteína de 40,000 Da con 40 cargas tendría una relación m/z de solo 1000, fácilmente detectable.
La reacción inicial de la comunidad de la espectrometría de masas fue de «total consternación». Pensaban que la multiplicidad de picos haría los espectros imposibles de interpretar. Pero Fenn se dio cuenta de que esta aparente complicación era en realidad una bendición: «cada uno de estos picos constituye una medida independiente del peso molecular de la molécula madre». Desafió a un nuevo estudiante de posgrado,
Matthias Mann, a encontrar una manera de promediar esta información. Dos días después, Mann regresó con un algoritmo de deconvolución que podía transformar la serie de picos en un único pico, revelando el peso molecular exacto de la proteína.
Este fue el momento decisivo. La combinación de la ionización por electrospray y la deconvolución desató una «revolución del electrospray». En pocos años, la técnica se estaba utilizando para analizar moléculas de más de 100 millones de Daltons, e incluso virus enteros sin que perdieran su viabilidad. Se convirtió en una herramienta estándar en laboratorios de todo el mundo, impulsando avances masivos en la genómica, la proteómica y el desarrollo de nuevos medicamentos.
Años Finales, Reconocimiento y Legado de Fenn
En 1987, John Fenn alcanzó la edad de jubilación obligatoria de 70 años en Yale. Afortunadamente, se le permitió mantener su laboratorio el tiempo suficiente para completar el trabajo que desató la revolución. En 1994, después de la trágica muerte de su esposa Margaret, se trasladó a la Virginia Commonwealth University, que le dio la bienvenida como Profesor de Investigación y le proporcionó un amplio espacio de laboratorio para continuar su trabajo.
Finalmente, en 2002, a la edad de 85 años, John Fenn recibió el Premio Nobel de Química, compartiéndolo con Koichi Tanaka y Kurt Wüthrich, por «el desarrollo de métodos de ionización suave por desorción para los análisis de espectrometría de masas de macromoléculas biológicas».
Más allá de sus logros científicos, Fenn era una figura exuberante y multifacética. Fue un mentor y profesor apasionado, autor de un encantador libro de texto de termodinámica para estudiantes de artes liberales titulado Engines, Energy, and Entropy. Era un ávido lector, amante de la poesía y la música, y un viajero incansable. Su ingenio rápido, su «gran capacidad de indignación» y sus opiniones poco convencionales eran legendarios entre sus colegas y estudiantes.
John Fenn falleció el 10 de diciembre de 2010. Dejó un legado que va mucho más allá de sus más de 100 publicaciones y numerosos premios. Proporcionó a la ciencia una herramienta que derribó una barrera aparentemente insuperable, permitiendo a los científicos ver, pesar y analizar las moléculas de la vida con una claridad sin precedentes. Su trabajo ejemplifica el viaje de un «químico oficial» («journeyman chemist»), como él mismo se describía, cuya curiosidad, creatividad y tenacidad finalmente enseñaron a los «elefantes moleculares» a volar.
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