Anni ’30: Pickels e un professore illuminante

Quando le notizie sull’ultracentrifugazione analitica iniziarono a diffondersi in tutto il mondo, gli intraprendenti scienziati degli anni ’30 iniziarono a pensare a tutti i modi in cui questa poteva essere migliorata.

All’inizio di quel decennio, il chimico francese Émile Henriot sviluppò una centrifuga in grado di raggiungere elevate velocità di rotazione attraverso una parte superiore priva di cuscinetti, azionata da aria compressa. Si trattò di un dispositivo in grado di spianare la strada all’uso dell’ultracentrifuga per la preparazione dei campioni.

Gli anni ’30 videro anche lo sviluppo e l’adozione di un sistema ottico Schlieren, che avrebbe dominato l’applicazione dell’AUC per i decenni a venire.³

Ma il passo avanti di gran lunga più importante nel progresso dell’AUC ebbe inizio grazie al fisico americano Jesse Wakefield Beams, che, ispirato dal sistema di Henriot, creò quella che definì la sua personale versione di un’ultracentrifuga. In realtà, questo nuovo dispositivo era un adattamento di una delle precedenti creazioni di Beams, una macchina fotografica ad alta velocità.

Questa fotocamera era costituita da specchi in grado di ruotare rapidamente, montati su supporti conici girevoli. Come per la centrifuga di Henriot, questi supporti erano azionati dall’aria compressa.

Quando iniziò a rendere cavi questi supporti girevoli, Beams stava effettivamente creando delle piccole centrifughe, anche se le definiva ultracentrifughe a causa delle elevate velocità di rotazione che era in grado di raggiungere con alcuni dei suoi rotori (a quanto si dice da 180.000 a oltre 1 milione di giri/min). Non sorprende che tali incredibili velocità riscaldassero il rotore, provocando correnti convettive all’interno soluzioni sedimentate. Mentre Beams si accingeva a risolvere questo problema, uno dei suoi studenti più promettenti alla University of Virginia, Edward Greydon Pickels, raccolse la sfida di perfezionare la sua invenzione.

Nel 1935, Pickels aveva già risolto il problema dei rotori surriscaldati, progettando uno strumento con un rotore che girava nel vuoto (al contrario, il precedente progetto di Svedberg prevedeva un rotore alloggiato in un’atmosfera di idrogeno a bassa pressione).¹

Con il problema della corrente di convezione ormai mitigato, l’ultracentrifuga di Pickels, come quella di Svedberg, poteva raggiungere forze che si avvicinavano a 1 milione x g. Questo colpì così tanto gli scienziati del Rockefeller Institute for Medical Research di New York che assunsero Pickels per sviluppare ulteriormente lo strumento per il proprio uso. Avrebbe continuato a lavorare su due strumenti diversi: un’ultracentrifuga preparativa utilizzata principalmente per concentrare i virus, e un’ultracentrifuga analitica per determinare le dimensioni delle particelle.

“Due tipi di centrifughe sembravano fondamentali”, scrisse Pickels nel 1937 a proposito del suo lavoro. “Una, per la concentrazione e la purificazione dei virus, e quindi in grado di accogliere una quantità relativamente grande di fluido; l’altra, con un sistema ottico adeguato, per lo studio delle caratteristiche fisiche dei virus attraverso la determinazione delle loro costanti di sedimentazione in un intenso campo centrifugo”. ⁷

Collaborando con il suo nuovo collega del Rockefeller Institute Johannes H. Bauer, Pickels perfezionò ulteriormente la sua versione dell’ultracentrifuga analitica, che, come quella di Svedberg, presenta un funzionamento molto simile agli strumenti AUC di oggi.

La camera presentava due finestre di quarzo per permettere l’osservazione e la fotografia delle sedimentazioni. Ogni disco di quarzo era cementato in un telaio circolare di ottone, fissato ad una piastra di acciaio. Tra i telai delle finestre e le piastre d’acciaio erano state installare rondelle di gomma per formare guarnizioni a vuoto.

Sopra la finestra superiore, una sezione di tubo metallico si collegava al soffietto della fotocamera e proteggeva la finestra dalla polvere, schermando inoltre il sistema della fotocamera dal rumore causato dalla luce sporadica (“stray light”). Per la temporizzazione delle esposizioni fotografiche, un otturatore elettromagnetico era inserito nel percorso della luce ottica sopra la finestra inferiore.

Con alcune piccole modifiche, i sistemi ottici adattati all’ultracentrifuga ad aria di Pickels/Bauer erano notevolmente simili a quelli progettati da Svedberg per la sua ultracentrifuga con motore a turbina a olio.⁷

Mentre Pickels e Bauer lavoravano al loro nuovo progetto di strumento AUC, anche Beams era impegnato a lavorare sulla sua ultracentrifuga a vuoto, con un occhio alla promozione del suo progetto ad altri ricercatori.

Anche se il suo design raffinato era generalmente considerato più semplice e facile da usare rispetto ad altri, l’ultracentrifuga a vuoto di Beams raggiunse una distribuzione limitata tra gli scienziati in quel periodo. Nel 1937 fu ampiamente commercializzato, ma alla fine si rivelò un fallimento commerciale. Solo pochi anni dopo, una società con sede a Stoccolma mise in vendita l’ultracentrifuga di Svedberg. Anch’essa fu una delusione commerciale, molto probabilmente a causa del suo prezzo che raggiungeva il 20.000 dollari.⁶

Beams, la cui passione era sempre stata la fisica, avrebbe dato un grande contributo alla scienza come pioniere nell’uso dell’ultracentrifuga per la separazione degli isotopi atomici dell’uranio, attività che gli valse un ruolo importante nell’ambito del Progetto Manhattan.

Nel campo delle scienze della vita, sarebbe stato Pickels, il suo ex studente, a dare alcuni dei contributi più importanti alla storia dell’AUC.

Tuttavia, dopo la risposta insoddisfacente del mercato alle ultracentrifughe analitiche in America e in Europa, la traiettoria ascendente dell’AUC sembrava essersi arrestata.

Infatti, ci sarebbe voluto circa un altro decennio prima che sul mercato apparisse un’ultracentrifuga analitica di successo commerciale.

¹ Koehler CSW. Developing the ultracentrifuge. Today’s Chemist at Work 2003:(2)63-66.
³ Serdyuk IN, Zaccai NR, Zaccai J. Methods in molecular biophysics: structure, dynamics, function. 1st ed. New York (NY): Cambridge University Press; 2007.
⁶ Bud R, Warner D, editors. Instruments of science – an historical encyclopedia (Garland encyclopedias in the history of science). 1st ed. New York (NY): Garland Publishers, Inc.; 1998.
⁷ Bauer JH, Pickels EG. An improved air-driven type of ultracentrifuge for molecular sedimentation. New York (NY): The Laboratories of the International Health Division, The Rockefeller Foundation; 1937.