Premio Nobel de Química 2014 para los que convirtieron la microscopía en nanoscopia

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

Eric Betzig y William E. Moerners estadounidenses y Stefan W. La Real Academia Sueca ha premiado al alemán de origen rumano Hell, y para ellos será el Premio Nobel de Química 2014 por superar el límite insuperable para el microscopio óptico: la mitad de la longitud de onda de la luz era, supuestamente, la mayor resolución que se podía alcanzar con el microconato óptico. Los tres premiados, con la ayuda de moléculas fluorescentes, convirtieron la microscopía en nanoscopia y desvelaron el mundo de las moléculas individuales.
Eric Betzig, Stefan W. Hell y William E. Moerner. Ed. Instituto Médico Howard Huges / B. Schuller CC BY S.A. 3.0 / Kevin Lowder CC BY S.A. 3.0

0,2 micrómetros. En 1873, Ernst Abbe puso el límite de la estructura más pequeña que se podía ver con el microscopio. Era un límite físico condicionado por la longitud de onda de la luz. Esto permitía ver células, pero no moléculas mucho más pequeñas que éstas, como las proteínas. Según la Real Academia Sueca, el trabajo de los tres investigadores premiados le ha dado una “solución inteligente” a la frontera y, desde entonces, no existe una estructura demasiado pequeña.

Las moléculas fluorescentes son la herramienta de esta ingeniosa solución y, dos, los principios que las sustentan. La primera, denominada microscopía STED, fue desarrollada por Stefan Hell. La otra es la aportación de Eric Betzigen y William Moerner. Los tres premiados por desarrollar una microcopia de fluorescencia de alta definición.

Nanolinterna de Hell

En la Universidad de Turbo (Finlandia), Stefan Hell tuvo la idea de premio Nobel cuando trabajaba en el microscopio de fluorescencia. En el microscopio de fluorescencia se utilizan moléculas fluorescentes que se asocian a moléculas concretas de la célula; las moléculas fluorescentes, al excitarse con la luz, emiten luz, por lo que los investigadores son capaces de localizar las moléculas que quieren ver. Pero entonces la resolución de la técnica era demasiado baja, por ejemplo, para separar los filamentos de ADN. Para conseguir una mayor definición, Hell propuso que se podía utilizar la emisión excitada.

Gracias a la emisión excitada, los científicos son capaces de apagar las moléculas fluorescentes a su gusto, utilizando un rayo láser. Un microscopio STED funciona como: un láser excita todas las moléculas fluorescentes de la muestra y otro las apaga todas, excepto las que se encuentran dentro de un área nanométrica del centro de la muestra. La señal se registra y se repite el proceso en otra zona de la muestra. De esta forma se cubre con nanómetros toda la muestra obteniendo una imagen de alta resolución.

Helle presentó la idea en 1994 y le dio un trabajo de seis años más el desarrollo del microscopio STED, el primer resultado fue una imagen de una bacteria E. coli. Triplicó la resolución del microscopio óptico convencional.

A la izquierda la bacteria E. coli, vista con microscopio simple. A la derecha, vista con el microscopio STED. Ed. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97: 8206–8210.

Moerner y Betzig, intentando encender y apagar las moléculas por separado

Al igual que Hell, Betzig y Moerner se dirigieron a las moléculas fluorescentes para superar el límite de Abad. Ambos han desarrollado por separado las bases de la microscopía monomolecular, construida por Betzig sobre la obra de Moerner.

El método se basa en proteínas fluorescentes que se pueden encender y apagar a la carta. Este método consiste en iluminar varias veces un mismo campo y excitar a un número reducido de moléculas fluorescentes, de forma que, tras repetirse el proceso en varias ocasiones, todas las imágenes recibidas se agrupan en una sola imagen obteniendo una imagen de alta resolución.

Una de las primeras imágenes de Betzig con microscopía monomolecular. A la izquierda, un lisosoma visto por microscopio óptico. A la derecha, imagen en alta definición. Ed. Science 313:1642–1645

La primera imagen obtenida por este método fue presentada en 2006 por Betzig, un lisosoma. Pero el trabajo de ambos ha sido imprescindible. De hecho, Moerner fue el primer investigador en medir la fluorescencia de una sola y determinada molécula en 1989. También descubrió la variante de la proteína fluorescente GFP que puede encenderse y apagarse libremente a través de la luz. En resumen, Moerner descubrió que la fluorescencia de las moléculas individuales puede controlarse ópticamente y Betzig la convirtió en imagen.