Premi Nobel de Química 2014 per als quals van convertir la microscòpia en nanoscopia

2014/10/08 Carton Virto, Eider - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

Eric Betzig i William E. Moerners estatunidencs i Stefan W. La Reial Acadèmia Sueca ha premiat a l'alemany d'origen romanès Hell, i per a ells serà el Premi Nobel de Química 2014 per superar el límit insuperable per al microscopi òptic: la meitat de la longitud d'ona de la llum era, suposadament, la major resolució que es podia aconseguir amb el microconato òptic. Els tres premiats, amb l'ajuda de molècules fluorescents, van convertir la microscòpia en nanoscopia i van revelar el món de les molècules individuals.
Eric Betzig, Stefan W. Hell i William E. Moerner. Ed. Institut Mèdic Howard Huges / B. Schuller CC BY S.A. 3.0 / Kevin Lowder CC BY S.A. 3.0

0,2 micròmetres. En 1873, Ernst Abbe va posar el límit de l'estructura més petita que es podia veure amb el microscopi. Era un límit físic condicionat per la longitud d'ona de la llum. Això permetia veure cèl·lules, però no molècules molt més petites que aquestes, com les proteïnes. Segons la Reial Acadèmia Sueca, el treball dels tres investigadors premiats li ha donat una “solució intel·ligent” a la frontera i, des de llavors, no existeix una estructura massa petita.

Les molècules fluorescents són l'eina d'aquesta enginyosa solució i, dues, els principis que les sustenten. La primera, denominada microscòpia STED, va ser desenvolupada per Stefan Hell. L'altra és l'aportació d'Eric Betzigen i William Moerner. Els tres premiats per desenvolupar una microcopia de fluorescència d'alta definició.

Nanolinterna d'Hell

En la Universitat de Turbo (Finlàndia), Stefan Hell va tenir la idea de premi Nobel quan treballava en el microscopi de fluorescència. En el microscopi de fluorescència s'utilitzen molècules fluorescents que s'associen a molècules concretes de la cèl·lula; les molècules fluorescents, en excitar-se amb la llum, emeten llum, per la qual cosa els investigadors són capaços de localitzar les molècules que volen veure. Però llavors la resolució de la tècnica era massa baixa, per exemple, per a separar els filaments d'ADN. Per a aconseguir una major definició, Hell va proposar que es podia utilitzar l'emissió excitada.

Gràcies a l'emissió excitada, els científics són capaços d'apagar les molècules fluorescents al seu gust, utilitzant un raig làser. Un microscopi STED funciona com: un làser excita totes les molècules fluorescents de la mostra i un altre les apaga totes, excepte les que es troben dins d'una àrea nanométrica del centre de la mostra. El senyal es registra i es repeteix el procés en una altra zona de la mostra. D'aquesta forma es cobreix amb nanòmetres tota la mostra obtenint una imatge d'alta resolució.

Helle va presentar la idea en 1994 i li va donar un treball de sis anys més el desenvolupament del microscopi STED, el primer resultat va ser una imatge d'un bacteri E. coli. Va triplicar la resolució del microscopi òptic convencional.

A l'esquerra el bacteri E. coli, vista amb microscopi simple. A la dreta, vista amb el microscopi STED. Ed. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97: 8206–8210.

Moerner i Betzig, intentant encendre i apagar les molècules per separat

Igual que Hell, Betzig i Moerner es van dirigir a les molècules fluorescents per a superar el límit d'Abad. Tots dos han desenvolupat per separat les bases de la microscòpia monomolecular, construïda per Betzig sobre l'obra de Moerner.

El mètode es basa en proteïnes fluorescents que es poden encendre i apagar a la carta. Aquest mètode consisteix a il·luminar diverses vegades un mateix camp i excitar a un nombre reduït de molècules fluorescents, de manera que, després de repetir-se el procés en diverses ocasions, totes les imatges rebudes s'agrupen en una sola imatge obtenint una imatge d'alta resolució.

Una de les primeres imatges de Betzig amb microscòpia monomolecular. A l'esquerra, un lisosoma vist per microscopi òptic. A la dreta, imatge en alta definició. Ed. Science 313:1642–1645

La primera imatge obtinguda per aquest mètode va ser presentada en 2006 per Betzig, un lisosoma. Però el treball de tots dos ha estat imprescindible. De fet, Moerner va ser el primer investigador a mesurar la fluorescència d'una sola i determinada molècula en 1989. També va descobrir la variant de la proteïna fluorescent GFP que pot encendre's i apagar-se lliurement a través de la llum. En resum, Moerner va descobrir que la fluorescència de les molècules individuals pot controlar-se òpticament i Betzig la va convertir en imatge.