La Física de la Nanoscopía

Científicos físicos chilenos comentan los alcances de la “microscopía de fluorescencia de alta resolución”, pionera técnica que fue reconocida este año 2014 con el Premio Nobel de Química.

Imagen obtenida por nanoscopio

Image taken from Wildanger, Maze & Hell, Physical Review Letters 107, 017601 (2011)

El académico de la Pontificia Universidad Católica de ChileDr. Jerónimo Maze, quien trabajó junto al Dr. Stefan Hell, uno de los físicos galardonados con el Premio Nobel de Química 2014 y; el investigador del Centro de Óptica y Fotónica de la Universidad de Concepción, Dr. Juan Pablo Staforelli, comentaron cuál es el rol de la física en el desarrollo de la nanoscopía, qué desafíos siguen pendientes en el uso de esta técnica y cuál es la importancia que otorgan al trabajo interdisciplinario.  

Vale recordar que el pasado miércoles 8 de octubre, los estadounidenses Eric Betzig y William Moerner junto al investigador de origen alemán, Stefan Hell fueron distinguidos con el Premio Nobel de Química 2014 por haber “sorteado con ingeniosidad” el límite teórico de la microscopía óptica definido en 1873 por el alemán Ernst Abbe: nunca se podría conseguir una mejor resolución que la mitad de la longitud de ondulación de la luz, un límite de 0,2 nanómetros.

La microscopía de fluorescencia de alta resolución según explica el Dr. Juan Pablo Staforelli se vale de luz propia del objeto nanométrico a observar, su fluorescencia. Para ello se utilizan dos rayos láser; uno excita las moléculas o partículas que se estudian para hacerlas brillar y el segundo suprime toda fluorescencia, salvo la emitida a nivel nanométrico: “Un desarrollo fundamental cuando se considera que la iluminación externa afecta el desarrollo de los especímenes biológicos. Por ende, la fluorescencia provee una forma de visualización selectiva sin exposición directa de iluminación y con el máximo detalle posible” explicó Staforelli.

Respecto al método de la microscopía de molécula individual desarrollado por los investigadores estadounidenses Betzig y Moerner, ganadores también del nobel, y que consiste en la súper posición de distintas fotografías de una misma área a la que se ha dejado brillar unas moléculas dispersas a la vez, comentó el Dr. Jerónimo Maze que este ha sido de gran ayuda para entender el comportamiento microscópico, para estudiar sistemas vivos.

El Dr. Maze explicó que “es de gran ayuda entender como estas entidades interactúan entre ellas al nivel de moléculas individuales. Poder aislar, ver y manipular una molécula única y observar su comportamiento frente a distintas perturbaciones como campos magnéticos, eléctricos, fármacos, etc. es crucial para entender y predecir el comportamiento de estas moléculas en las células vivas en condiciones de salud y enfermedad. Por otro lado, las propiedades ópticas y electrónicas de las moléculas individuales están comenzando a ser utilizadas para crear sensores de alta resolución y en un futuro cercano, transistores” comentó.

“Si hay dos panes, usted se come dos y su compañero ninguno: el consumo promedio es de un pan por persona” Antipoema de Nicanor Parra

Por su parte, el Dr. Staforelli destacó la importancia de esta innovación pues tradicionalmente la biología molecular había utilizado la estadística de población para explicar el comportamiento de los especímenes individuales. No obstante, explica Staforellli y tal como señala el antipoeta físico Nicanor Parra “el promedio colectivo de una población no explica el comportamiento individual, sobre todo considerando la naturaleza “ruidosa” de los procesos moleculares” y añade que es importante el estudio del comportamiento individual de las moléculas, “para escudriñar en los intrincados mecanismos de la biología de pequeños sistemas subcelulares y cómo estos cooperan hacia un comportamiento promedio que definen finalmente una macro-molécula, una célula, un individuo y finalmente una población” expresó.

Avances de la nanoscopía: Despoblamiento del Estado

En cuanto a los avances que ha experimentado el nanoscopio, el profesor Maze destaca aquellos relacionados con súper resolución, en particular una propuesta del Dr. Stefan Hell de 1994 que consiste en utilizar un haz de luz para despoblar alguno de los estados electrónicos involucrados en la generación de fluorescencia de las moléculas, pues el límite de difracción no permite concentrar la luz en una región más pequeña que aproximadamente un medio de la longitud de onda del láser de excitación y por lo tanto, moléculas que estén más cercanas que esta distancia son excitadas y por ende medidas al mismo tiempo. El efecto de “despoblamiento del estado” presenta un comportamiento no lineal con la intensidad del haz utilizado, logrando de esta manera que la variación espacial de la fluorescencia no esté limitada por la longitud de onda del haz, sino que por su intensidad. La técnica ha permitido, por ejemplo, distinguir la distribución de proteínas alrededor del núcleo con 10 nm resolución”.

Nanoscopía en Chile

Concuerdan los investigadores chilenos en la existencia de muchos grupos de investigación de nuestro país que utilizan la microscopía fluorescente. El Dr. Maze señala que es usada especialmente en los Departamentos de Biología para estudiar la dinámica de células vivas.

Otro de los laboratorios donde se utiliza la nanoscopía es en el de Microscopía y Trampas Ópticas del Centro de Óptica y Fotónica, CEFOP. En este laboratorio, explica el Dr. Staforelli los estudiantes de Postgrado Benjamín Sepúlveda y Jorge Tapia buscan aumentar las ventajas que ofrece la Microscopía por Iluminación de Campo Estructurado (SIM- en inglés), técnica que resuelve el límite de resolución impuesto por la microscopía óptica en muy pequeñas dimensiones espaciales (tradicionalmente, bajo los 250 nm en especímenes fijos). En síntesis, comenta Staforelli, “combinando técnicas de Holografía por medio de dispositivos de cristal líquido (moduladores espaciales, SLM), es posible otorgar considerables ventajas a la técnica SIM. Estas ventajas son, principalmente, la capacidad de acceder a una frecuencia de adquisición de imágenes suficiente para realizar reconstrucción dinámica en tiempo real para especímenes en movimiento y aumentar el límite de resolución espacial”.

Importancia de la investigación interdisciplinaria

Finalmente, se debe destacar que el Premio Nobel de Química 2014, junto a otros reconocimientos entregados en este año y anteriores, han sido posibles gracias al trabajo en conjunto de profesionales de diversas disciplinas científicas, originarios a su vez de distintos países.

Para el investigador Juan Pablo Staforelli, este tipo de trabajo colaborativo es fundamental para resolver problemas complejos de todo tipo, desde la planificación de una ciudad hasta el desarrollo del “nanoscopio”, pues “es necesario que exista una comunicación entre las diferentes disciplinas del conocimiento con el objetivo de resolver problemas en conjunto, donde cada una de las partes trabaja en pos de un objetivo común. No basta con una simple mezcla de conocimientos de distintas áreas si no existe una comunicación entre ellas, es decir, un lenguaje común”.

Similar opinión tiene el profesor Maze, quien explica que la combinación de las disciplinas de química, biología y física podrían llegar a generar aplicaciones de gran impacto en la biología: mediante la detección temprana de enfermedades; la electrónica: mediante la creación de transitores de bajo consumo electrónico basados en moléculas individuales; las comunicaciones: mediante el control de señales lumínicas de pocos fotones; y la generación de instrumentos precisos para la medición de constantes fundamentales”. En este sentido, concluyó que la investigación interdisciplinaria “es crucial para pensar fuera de la caja, especialmente ahora en que los avances en la generación de materiales están permitiendo controlar las propiedades de estos a escala nanométrica”.

*Dr. Jerónimo Maze, es académico del Instituto de Física de la Pontificia Universidad Católica de Chile.

*Dr. Juan Pablo Staforelli, es investigador del Centro de Óptica y Fotónica de la Universidad de Concepción.

*Crédito Imagen Dr. Jerónimo Maze.

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