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 (aproximadamente 9.800 km/s² ). [1] 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 . [2]
En 1924, Theodor Svedberg construyó una centrífuga capaz de generar 7.000 g (a 12.000 rpm), y la llamó ultracentrífuga, para yuxtaponerla al 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). [3] Las ultracentrífugas modernas suelen clasificarse como que permiten más de 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 pueden 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, primero adaptó 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 aspirando el sistema, lo que permitió reducir la fricción generada a altas velocidades. Los sistemas de vacío también permitieron mantener una temperatura constante en toda la muestra, eliminando las corrientes de convección que interferían con la interpretación de los resultados de la 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 complicado para uso comercial y desarrolló una versión "infalible" más fácil de operar. Pero incluso con el diseño mejorado, las ventas de centrífugas analíticas siguieron siendo bajas y Spinco casi quebró. 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. [8] En 1949, Spinco presentó el Modelo L, la primera ultracentrífuga preparativa que alcanzó 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 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 hacia 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 única 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 granulación de 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 a abajo con una concentración creciente de una sustancia densa en solución. Los gradientes de sacarosa se utilizan normalmente para la separación de orgánulos celulares. Para la separación de ácidos nucleicos se utilizan gradientes de sales de cesio . Después de que la muestra haya girado a alta velocidad durante un tiempo suficiente para producir la separación, se permite 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 seria, ya que puede explotar espectacularmente. Los rotores convencionalmente se han fabricado con metales de alta resistencia al peso, como aluminio o titanio. El estrés del uso rutinario y las soluciones químicas agresivas acaban provocando que los rotores se deterioren. Para mitigar este riesgo es necesario el 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. [11] [12]
Más recientemente, algunos rotores se han fabricado con un 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 fallo del rotor. [13]