Especial Premio Nobel de Química 2014: el nanoscopio

Artículo publicado en enero de 2015.

Especial Premio Nobel de Química 2014.

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2015.01.1

Cristina Flors 
IMDEA Nanociencia
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El Premio Nobel de Química 2014 ha sido otorgado conjuntamente a Eric Betzig, Stefan Hell y William E. Moerner por el desarrollo de la "microscopía de súper-resolución", también llamada "nanoscopía". El nanoscopio mejora un orden de magnitud la resolución espacial del microscopio de fluorescencia, y permite por primera vez observar estructuras y procesos dinámicos en células vivas a escala nanométrica.

 

Hace más de un siglo, el científico Ernst Abbe estableció que la difracción de la luz limita la calidad de las imágenes que pueden obtenerse a través de un microscopio óptico. La difracción hace que los pequeños detalles de la imagen aparezcan borrosos, es decir, que no se puedan resolver. Abbe puso un valor concreto a este "límite de difracción" formulando una ecuación que nos dice que no se pueden discernir detalles más pequeños que 0.2 micras. Cualquier usuario de un microscopio óptico convencional, por ejemplo un microscopio de fluorescencia, ha tenido que convivir con esa limitación durante años. En la práctica, el límite de difracción implica la imposibilidad de observar con claridad lo que ocurre dentro de una bacteria, o en los compartimentos y orgánulos de una célula. Aunque hay otras modalidades de microscopía, como la electrónica, que sí pueden resolver detalles más pequeños, sólo la microscopía óptica permite observar el interior de células vivas.
El límite de difracción sigue siendo una realidad, pero los galardonados de este año consiguieron sortearlo utilizando una serie de ingeniosos trucos, y así nació la nanoscopía. La solución vino de la Química: las moléculas fluorescentes que se usan para marcar las estructuras de interés pasaron a tener un papel protagonista, y se convirtieron en parte activa a la hora de formar la imagen en el microscopio. Stefan Hell, del Instituto Max Planck de Química Biofísica en Göttingen, desarrolló la microscopía STED (stimulated emission depletion). Esta técnica consiste en confinar la fluorescencia a un punto más pequeño que el límite de difracción usando el fenómeno de emisión estimulada. Un primer láser excita las moléculas de una muestra para que emitan fluorescencia. Un segundo láser en forma de "donut" apaga las moléculas periféricas mediante emisión estimulada, confinando la fluorescencia a una zona nanométrica en el centro del "donut". Con estos dos láseres combinados se barre la muestra para formar la imagen. Hell propuso el concepto de STED en 1994, y consiguió demostrarlo experimentalmente en 2000 [1]. Sólo siete años más tarde, se vendía el primer nanoscopio comercial.
Otra variante de microscopía de súper-resolución está basada en la detección de moléculas individuales cuya fluorescencia se puede encender y apagar. Moerner, que ahora trabaja en la Universidad de Stanford, sentó las bases de esta modalidad, ya que en 1989 fue capaz de detectar por primera vez una molécula individual [2]. Además, en 1997 observó que algunas proteínas fluorescentes (que ya fueron objeto del Nobel de Química en 2008) se encendían y apagaban al irradiar con luz de diferentes colores [3]. Fue Eric Betzig quien conectó de manera brillante estos dos descubrimientos para desarrollar la técnica de súper-resolución llamada PALM (photoactivated localization microscopy) [4]. En PALM, los fluoróforos de una muestra se encienden y se apagan para que puedan detectarse y localizarse por separado a diferentes tiempos en la misma zona de una muestra. Con la suma de las posiciones de estas moléculas se construye un mapa de coordenadas con precisión nanométrica. Betzig, que trabaja ahora en el Instituto Médico Howard Hughes (EEUU), desarrolló este concepto desde el desempleo. Había pasado siete años alejado de la ciencia para trabajar en la empresa de su padre y quería volver al mundo académico con una idea ganadora. Montó un prototipo de PALM en el salón de la casa de un amigo suyo también científico, comprando componentes con sus propios ahorros. Sin duda, le salió bien la jugada.
Aunque han pasado pocos años desde la invención de las diferentes modalidades de microscopía de súper-resolución, encontramos innumerables estructuras y procesos biológicos que se han revelado por primera vez. Por ejemplo, se ha visualizado que el esqueleto de los axones, que son prolongaciones de las neuronas cuya función principal es la de canalizar los impulsos nerviosos, tiene una estructura sorprendente compuesta por unos anillos de actina con un espaciamiento periódico de 180 nm, justo por debajo del límite de difracción (Figura 1) [5,6]. Esta estructura, similar al tubo de una aspiradora micrométrica, es tan insólita que su hallazgo obliga a revisar las teorías actuales sobre comunicación entre neuronas.
Una reflexión que se ha hecho a propósito de la concesión de este premio Nobel de Química (y también el de Física al LED azul) es que se ha premiado la investigación aplicada. Pero la "aplicabilidad" de la microscopía de súper-resolución, que es inmensa, no debe hacernos olvidar que las piedras angulares de estas técnicas son hallazgos fundamentales y relativamente recientes que se hicieron por pura curiosidad e inconformismo ante barreras supuestamente infranqueables. Una de las razones del gran éxito de estas técnicas ha sido la colaboración entre científicos y fabricantes de microscopios para construir versiones comerciales de los distintos nanoscopios. Esto ha propiciado su rápida implantación en numerosos laboratorios no especializados en microscopía, incluidos aquellos que investigan las bases moleculares de todo tipo de enfermedades. Otro ejemplo más que sirve para reivindicar que la curiosidad puede tener un gran  impacto económico y social.

 

 

Figura 2. Estructura periódica de actina en axones de neuronas vivas registrada con microscopía de súper-resolución STED (adaptado con permiso de Maxmillan Publishers Ltd: Nature Methods [6], copyright 2014).

 

REFERENCIAS

 

[1] T.A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, S.W. Hell (2000), Proc. Natl. Acad. Sci. 87, 8206.
[2] W.E. Moerner, L. Kador (1989) Phys. Rev. Lett. 62, 2535.
[3] R.M. Dickson, A.B. Cubitt, R.Y. Tsien, W.E. Moerner (1997) Nature 388, 355.
[4] E. Betzig et al, Science (2006) 313, 1642.
[5] K. Xu, G. Zhong, X. Zhuang, Science (2013) 339, 452.
[6] G. Lukinavičius et al, Nat. Methods (2014) 11, 731.

 

 

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Entrevista

Cristina Flors 
IMDEA Nanociencia 
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P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- A parte de las obvias como la rigurosidad y la perseverancia, hay una que está bastante infravalorada sobre todo por los que nos ven desde fuera, que es la creatividad. Para mí es casi tan importante para un científico como para un artista. Sin creatividad no se avanza. Por otra parte, es muy difícil ser a la vez creativo, habilidoso en el laboratorio, analista implacable, buen escritor de proyectos y artículos, conferenciante carismático, y gestor competente, así que hay que conocernos a nosotros mismos y saber jugar con las cartas que se nos han dado.
Me parece difícil dar consejos a los que empiezan, porque mucho de lo bueno que pasa en la vida y en la ciencia ocurre por estar en el lugar adecuado en el momento adecuado. En todo caso, es importante que se conozcan a sí mismos, como he dicho antes, y que tengan buen instinto para saber aprovechar lo mejor posible las oportunidades que se les vayan presentando. Dicho esto, las oportunidades hay que ir a buscarlas.

 

P.- ¿Cuál ha sido su mayor sorpresa en el área de investigación en que trabaja?

R.-Me ha sorprendido y alegrado que se haya otorgado tan pronto el Premio Nobel a la microscopía de súper-resolución. Todos en el campo suponíamos que iba a tocar tarde o temprano, pero yo personalmente no me lo esperaba ahora. Me ha parecido muy curioso ver en los telediarios y periódicos a tres científicos con los que coincido regularmente en congresos. Fue un día de celebración también para mí.

 

P.- ¿Recibió de joven algún consejo al cual siga siendo fiel?

R.- Se me ocurre uno muy de andar por casa y que vale para cualquier trabajo: "Preséntate voluntario a hacer cosas que no te importe hacer, antes de que te toque lo que nadie quiere hacer". No recuerdo de dónde lo he sacado, quizás lo leí en un libro.

 

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- No tengo más remedio que distinguir entre la carrera científica basada en el sistema funcionarial y la que no lo está. Lo poco que conozco del primer sistema me desconcierta, y simplemente me pregunto para cuándo un anuncio de una plaza de profesor universitario en España en el Nature Jobs en vez del BOE. Un sistema flexible (que no es lo mismo que precario) es imprescindible para estar al día y no quedarse atrás, y por suerte hay centros en España donde esto es una realidad.
Respecto a lo que falta por hacer, la lista es larga. Podríamos empezar con algo fácil (¿?) como que se publiquen y se resuelvan a tiempo los diferentes tipos de convocatorias.  

Perfil biográfico

Cristina Flors
IMDEA Nanociencia
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Después de licenciarme en Química, me doctoré en el Institut Químic de Sarrià (Barcelona) en 2004 bajo la supervisión del Prof. Santi Nonell. Durante ese periodo, estudié procesos de fotosensibilización de oxígeno singlete en contexto biológico utilizando diferentes técnicas espectroscópicas. En mi etapa postdoctoral (2005-2008) trabajé en el laboratorio del Prof. Johan Hofkens en Leuven (Bélgica), donde aprendí microscopía de fluorescencia de moléculas individuales y microscopía de súper-resolución. En 2008 me trasladé al Departamento de Química de la Universidad de Edimburgo (Escocia) para empezar mi etapa independiente. Inicié un nuevo programa de investigación con el objetivo de desarrollar métodos de microscopía de súper-resolución de ADN. Desde febrero de 2012 soy investigadora en IMDEA Nanociencia, donde continúo trabajando en el desarrollo de técnicas de súper-resolución y su aplicación en Biología. Otra línea de investigación paralela es el diseño y caracterización de proteínas fluorescentes como generadoras de especies reactivas de oxígeno genéticamente codificables, y su uso en terapia fotodinámica y microscopía avanzada.

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