Oficina de Vinculación

Nobel de Química para los desarrolladores del nanoscopio

Por: Dr. Carlos G. Treviño Palacios*

El Comité de los Premios Nobel otorgó el Nobel de Química 2014 a Eric Betzig, William E. Moerner y Stefan Hell por el desarrollo de microscopía de fluorescencia de alta resolución.

Eric Betzig trabaja actualmente en el Instituto Médico Howard Hughes en Estados Unidos. Stefan W. Hell dirige el Instituto Max Planck de Química Biofísica en Alemania y el Centro Alemán de Investigación contra el Cáncer de Heildelberg. William E. Moerner trabaja en la Universidad de Stanford.

Imagen tomada de: www.nobelprize.org

Al igual que el Premio Nobel de Física de este año, donde se conjunta conocimiento en óptica y electrónica, el premio Nobel de Química se enmarca en el campo de la óptica, disciplinas estudiadas en nuestro Instituto.

La microscopía óptica de campo lejano es muy útil en investigaciones biológicas, ya que los haces de luz enfocados pueden penetrar especímenes translúcidos y generar imágenes en series de tiempo y tres dimensiones de muestras vivas.

Desde hace tiempo se había alcanzado el límite de resolución en microscopios ópticos, dado que la longitud de onda usable es de 350 - 650 nm y el valor de apertura numérica más alto es de aproximadamente 1.4. Por ello, bajo óptimas condiciones y de manera proporcional a la longitud de onda de la luz, la máxima resolución lateral de un microscopio óptico está limitada a un radio de 125 nm. Por ello, objetos separados por menos de 125 nm no pueden ser distinguidos, lo cual tiene consecuencias en las ciencias naturales cuando se trata de visualizar el interior de una célula.

Se ha puesto mucho esfuerzo para superar esta barrera usando otras aproximaciones. Las más importantes son los microscopios electrónicos, microscopios de efecto túnel, de fuerza atómica y los microscopios de campo cercano, obteniendo resultados con resoluciones que van de cientos de nanómetros a escalas atómicas, pero no en muestras vivas.

A pesar de esto, estos microscopios no han reemplazado a los de campo lejano, y probablemente nunca lo harán. Entre las desventajas más grandes que lo impiden son que la muestra necesita una preparación para ser procesada y su estudio se limita a la superficie de la misma, mientras que el interior queda inaccesible.

En 1994 Stefan Hell presentó la técnica de STED, que permite disminuir las dimensiones de la mancha focal del láser normal de excitación, haciendo uso de un segundo haz Bessel con forma de dona que inhibe a la fluorescencia en los bordes de la mancha y así sobrepasa el límite de difracción. Al barrer esta mancha focal disminuida sobre una muestra, se pueden formar imágenes con resoluciones antes imposibles. Esta técnica se conoce como microscopia STED (stimulated emission depletion).

Esta tecnología se identifica con el trabajo que desarrollamos en el INAOE, ya que los haces dona o Bessel para producir la inhibición de la fluorescencia son estudiados por investigadores de la Coordinación de Óptica del INAOE. Los doctores. Gabriel Martinez Niconoff y Sabino Chávez desarrollan modelos teóricos de punta a nivel mundial y el Dr. Víctor Arrizón Peña consigue generarlos experimentalmente usando pantallas de cristal líquido.

Imágenes

1)

Sobreposición de una haz Bessel inhibidor de fluorescencia (b) sobre otro de excitación (a) con un perfil de difracción descrito por la ecuación de Abbe. Dando como resultado una mancha focal (c) que supera el límite de difracción.

2)

Comparación de una imagen confocal (a la izquierda) con una de STED (derecha) donde esta última alcanza a resolver vesículas sinápticas en neuronas del hipocampo. La escala de la barra es de 500 nm y la barra de color muestra los niveles de intensidad.

*El Dr. Carlos Treviño Palacios es investigador de la Coordinación de Óptica del INAOE (carlost@inaoep.mx)