jueves, 5 de enero de 2017

¿Ver moléculas individuales con luz? Imposible... hasta ahora!

La microscopía óptica convencional tiene un límite: Está en el orden del micrón (µ) o algo menos, (entre la milésima y la diesmilésima parte de un milímetro). Este límite está fijado por la longitud de onda de la luz visible, ya que (en principio) no es posible ver algo menor a la longitud de onda de la luz con la que se lo ilumina.

Para superar esta barrera, la tecnología desarrolló los microscopios electrónicos, con los cuales es posible "ver" objetos mil veces mas pequeños aún, mediante un truco especial: se "ilumina" el objeto con un haz de electrones (partículas que como sabemos, también se comportan como una onda de longitud extremadamente pequeña) y se obtiene una imagen procesando digitalmente la información de los electrones reflejados sobre el objeto.



Pero esto tiene dos pequeños problemas:

  • El primero es que, para que la muestra sea "visible" al haz de electrones, tiene que ser previamente recubierta con un metal vaporizado.
  • el segundo es que la muestra debe estar al vacío.

Como imaginarán, es complicado someter un organismo vivo a este procedimiento, y pretender que sobreviva después de la observación... si es que resiste a la propia transferencia de energía a la que lo somete la "luz" de electrones con la que se lo ilumina.
Por lo tanto, esto solo sirve para objetos inertes, o muestras biológicas sin vida.

Un paso intermedio para esto se desarrolló durante la década pasada y ganó un premio Nobel en 2014: Eric Betzig, Stefan W. Hell y William E. Moerner desarrollaron un microscopio óptico de ultra resolución basado en fluorescencia, técnica que denominaron "microscopía de superresolución".
El concepto es simple: si un tipo de molécula en particular es "teñida" con una sustancia fluorescente, y luego introducida en una célula viva, la fluorescencia que produce (fotones de luz, en definitiva) es posible de ser detectada, y por lo tanto, observar éstas moléculas (objetos de pocas decenas de nanómetros), dentro de una célula viva.
“A mi nivel, lo más impresionante es ver las moléculas pequeñas, los virus con una resolución atómica”.
“Además, poder ver organismos vivos sin tener que sacrificarlos y verlos en el vacío, después de sacrificarlos, como hacemos con el microscopio electrónico de transmisión”.
“Es increíble lo que podemos hacer ahora. Si hace 50 años, uno hubiese sugerido que se podría ver algo en una escala nanométrica, todos se hubiesen reído”

Pero ahora, se ha dado un paso más:

 Uno de los ganadores de aquel Nobel, Stefan Hell, junto a un grupo de investigadores argentinos y alemanes del Instituto Max Plank de Química Biofísica en Alemania, ha llevado ésta técnica a nuevos límites impensados apenas un par de años atrás, logrando resoluciones extraordinarias para objetos visibles con luz.

Hell y parte de su equipo de investigación.


La tecnología llamada MINFLUX permite obtener imágenes con un mínimo de fluorescencia (de allí el nombre) haciendo posible capturar unos pocos fotones y obtener de ellos una imagen útil, observando objetos biológicos de apenas un nanómetro (la millonésima parte de un milímetro)

La comparación de la resolución lograda anteriormente y la actual es evidente en ésta imagen:

Sistema PALM/STORM versus MINFLUX
"Para usar uno de estos microscopios, uno tiene que excitar las moléculas con luz. Los fluorósforos [sustancias fluorescentes], absorben luz de un color y emiten luz de otro. Es un proceso exigente para las moléculas, porque tienen que absorber y emitir energía. En el interín, por ahí usan la energía en una reacción química y uno las pierde; tarde o temprano se degradan. Por este motivo, los fotones de fluorescencia que puede dar una molécula son limitados. Esto es lo que ha restringido la resolución alcanzable en la práctica por las microscopías de superresolución. Si uno quiere superar la resolución, necesita aprovechar mejor la información que brinda cada fotón. Típicamente, cada molécula fluorescente brinda alrededor de 1000 fotones. Con esa cantidad y los mejores métodos actuales, se puede alcanzar una resolución de 10 nanómetros. 
Minflux es mucho más eficiente: permite alcanzar una precisión de 10nm con sólo 50 fotones. Esto permite, por ejemplo, seguir las trayectorias de proteínas dentro de una célula con mayor velocidad. O alternativamente, podemos usar los 1000 fotones para alcanzar la máxima resolución posible; es decir, el propio tamaño molecular de 1nm
Esta técnica, además, relaja muchísimo las condiciones sobre los fluorósforos, brinda más posibilidades y requiere menos tiempo para adquirir las imágenes. Antes se podían tomar 30 imágenes por segundo en condiciones especiales, pero no se podían seguir moléculas de manera muy rápida, por ejemplo, la trayectoria de una proteína en una célula."
en síntesis:

  • Ahora, es posible observar moléculas individuales dentro de células vivas.


 El equipamiento y la tecnología están siendo ahora replicados en el Centro de Investigaciones en Bionanociencias (CIBION) del CONICET (Argentina) como parte de la colaboración científica que acaba de desarrollar éste logro.


2 comentarios:

  1. cuando se habla de moléculas excitadas finalmente se refiere a los electrones y sus transiciones o incluye también el núcleo?

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    1. Como estamos hablando de fluorescencia, se trata efectivamente de los electrones y sus transiciones, los que producen la luz que se detecta.

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