Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

Detrás de un irradiante mundo diminuto

La  curiosidad  es  una   característica  innata   de la  humanidad  que   ha   motivado   a  expandir las fronteras del conocimiento a lo largo  de la historia.  A principios del siglo XVI se descubrió un universo lleno  de seres  invisibles  a la vista  del ser humano con  la  invención del  microscopio dando origen  a la microbiología. Antes del microscopio, las muertes  inexplicables de ganado  y de seres humanos eran atribuidas a la magia negra, la mala suerte, entre otras. Este fue la llave que permitió  abrir  las puertas de  un  mundo   de  diminutas  “cosas”,  que  además estaban  vivas y que después se les denominaría como microorganismos revelándose un sinfín  de misterios de aquella época.

Es tanta  la importancia de  la miscroscopía que en el año  2014  el Premio  Nobel de química  fue obtenido por  los  científicos  estadounidenses  Eric Betzig, William E. Moerner   y  el  alemán  Stefan  W. Hell, por  haber  llevado  a  cabo  las  investigaciones que   permitieron  el  desarrollo  de  la  microscopía de fluorescencia de alta  resolución. Ante esto,  nos podríamos preguntar: ¿qué tiene  que ver la química en  el  campo   de  la  microscopía?  Desde  el  punto de  vista  químico,  la  microscopia de  fluorescencia está  basada  en  las  propiedades que  tienen  algunas moléculas   de  absorber ciertas   longitudes de  onda de  la  luz  y posteriormente liberarla   (fluorescencia o fosforescencia), así como en el desarrollo de moléculas   que  tienen  la  propiedad de  excitarse   y relajarse  a diferentes longitudes de onda.

 

¿Cómo se aplica esto en microscopía de alta resolución?

Hasta   finales    del   siglo   XIX,    no   existía un microscopio con capacidad de observar a resoluciones moleculares debido al llamado  límite de difracción, el cual menciona dos puntos importantes acerca   de  la  resolución  microscópica. El  primero hace   mención   a  la  capacidad  de  poder   resolver (separar)  dos objetos  que estén  muy cerca  entre  sí y el segundo  establece  que  no  es posible  enfocar  un láser en un pequeño lugar (a menudo el láser es quien proporciona la energía a las moléculas de la muestra).

Para    superar   estos    límites    surgieron varias  propuestas, entre  ellas el uso  de un  objetivo que   emitiera   dos   láseres   a  diferentes  longitudes de onda,  uno  a una  longitud  de onda  baja y el otro a una  longitud  de onda  alta  dentro  de la radiación ultravioleta y ultravioleta visible, lo que permite delimitar el área de enfoque.

Básicamente un láser lleva a un conjunto de moléculas con características especiales a un estado excitado, mientras que el otro de-excita la molécula, es decir  la lleva rápidamente a un  estado  excitado haciéndola  relajarse    sin   emitir   fluorescencia  y así  sólo  captar   las  que  sí  emitían   fluorescencia o  captar   la  que  nos   interesa,   esta   captación  de energía  es dirigida  a un  detector  y posteriormente es utilizada para construir una imagen, de este modo la fluorescencia de alta resolución debe entenderse como   un   método   capaz   de  “super-localizar”  un punto  como fuente de fotones.

¿Cómo se llega a una imagen de ultra alta resolución?

Inicialmente, se empezaron a usar  proteínas (conjunto  de aminoácidos) acopladas a anticuerpos, debido  a que éstos se unen  fácilmente  a estructuras biológicas de  manera  específica.  Sin  embargo,  las moléculas  orgánicas de bajo peso  molecular  tienen la capacidad de emitir más fotones  que las proteínas fluorescentes, además de que son menos propensas a perturbar la biología de los especímenes en estudio. De este modo se diseñaron moléculas  de bajo peso molecular  que fueran sensibles a longitudes de onda específicas.

En  la  figura  1  se  esquematiza grosso  modo la secuencia para  la obtención de una  imagen  por medio de microscopía de fluorescencia de alta resolución.  ¿Cómo   se   logra   la  alta   resolución?

Pues  bien,  después de que  las moléculas  se llevan a un estado excitado por un plano selectivo de iluminación un láser  (a), éstas  regresan a su estado basal produciendo fluorescencia y emitiendo  cierta cantidad de luz, hay que recordar que a la par  otro láser  estará  emitiendo  luz a una  longitud  de onda diferente  dentro  de  la  radiación UV que  llevará  a las  moléculas  a un  estado  de-excitado (b), la cual es  captada  y  recolectada  por   un   detector.   Este proceso dura aproximadamente algunos  micro o milisegundos y se repite  en diferentes secciones de la muestra  siguiendo coordenadas con precisión nanométrica,  finalmente,  se determina la ubicación de las fuentes  de fotones  hasta  que el conjunto de éstos  produce una  imagen  de  alta  resolución (d). Como se puede dar cuenta, la obtención de las imágenes   en  alta  resolución  depende   mucho   del tipo de moléculas  que están  absorbiendo, con el fin de evitar  interferencias entre  las moléculas  que  se encuentran de manera  natural en la muestra.

Este importante descubrimiento puede aplicarse en una variedad  muy amplia de las ciencias biológicas como  biología  molecular,  neurobiología, microbiología y medicina  al permitir  análisis cualitativos y cuantitativos a niveles  de nanoescala con los cuales se logre describir y entender procesos biológicos en constante cambio.


 ºM. en C. Israel Bonilla Landa / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
ºDr. Juan Luis Monribot Villanueva / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Red de Estudios Moleculares Avanzados del Instituto de Ecología A.C., Xalapa, Veracruz.

 

Figura 1. Esquema general de cómo se obtiene una imagen de ultra alta  resolución.