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Y se hizo la luz

Un equipo de químicos de Harvard dirigido por el Sr. X. Sunney Xie ha desarrollado una nueva técnica microscópica para ver, a todo color, las moléculas con fluorescencia indetectable. Con la metodología actual existen moléculas incapaces de fluorescer, en otras palabras son invisibles. La nueva técnica permite a los investigadores a identificar las moléculas nunca antes vistas en los organismos vivos y ofrece amplias aplicaciones en imágenes biomédicas y de investigación.

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La fluorescencia es un fenómeno en el que un electrón de una molécula absorbe energía de la luz y se mueve a un nivel de energía superior o estado excitado. La energía de la luz está contenida en una unidad llamada fotón. Después de una estancia muy breve en el estado excitado, el electrón vuelve a su nivel de energía anterior, o estado fundamental, mediante la emisión de un nuevo fotón. La energía de los fotones liberados se descarga en longitudes de onda de luz visible, detectables sólo duran unas pocas millonésimas de segundo. Esta propiedad se denomina fluorescencia.

Sin embargo muchas moléculas de color biológicamente importantes, como la hemoglobina – una proteína que transporta el oxígeno en los glóbulos rojos – absorben la luz, pero no fluorescen. En cambio, los electrones en estas moléculas liberan su energía adicional, pero transitoria mediante la conversión del calor excesivo. “Dado que estas moléculas no son fluorescentes, literalmente han sido pasadas por alto por los modernos microscopios ópticos”, dijo Xie.

Para detectar moléculas no fluorescentes en los sistemas biológicos, Xie y su equipo desarrollaron un nuevo tipo de microscopio basado en la emisión estimulada.

La emisión estimulada fue descrita por primera vez por Albert Einstein en 1917, y fue la base de los láseres de hoy. En pocas palabras, es un proceso por el cual un electrón en estado excitado, perturbado por un fotón con la energía correcta, se reduce a su estado fundamental, produciendo un fotón adicional.

La técnica microscópica de Xie genera nuevos registros y una señal de emisión estimulada mediante dos trenes de pulsos (entrada y salida) cuidadosamente programados temporalmente . En el tren de pulsos de entrada, un modulador cambia la intensidad del haz de excitación y fuera de las cinco MHz. La modulación crea una señal de emisión estimulada en la misma frecuencia. Cada tren tiene una duración de pulso muy corto de aproximadamente 200 femtosegundos. Un femtosegundo equivale a una mil millonésima de una millonésima de segundo o 10e-15 segundos.

La señal producida por la falta de moléculas fluorescentes proporciona una imagen altamente sensible de las moléculas que antes eran “invisibles”.

Una de las varias aplicaciones posibles de la invención de los científicos es la cartografía en color de la entrega de medicamentos no fluorescentes a sus células diana. Otro uso posible es la imagen de las estructuras pequeñas, como los vasos sanguíneos como los glóbulos rojos y los vasos capilares.

La estructura y la dinámica de la hemoglobina de los vasos sanguíneos desempeñan un papel importante en muchos procesos biomédicos. Dos ejemplo son los procesos de la transición de los tumores de un estado inactivo a los malignos y el suministro de oxígeno en el cerebro.

Las actuales tecnologías de imagenes, como la resonancia magnética y la tomografía computarizada o bien carecen de la resolución espacial necesaria para resolver los capilares individuales o exigen a los agentes de contraste externo.

Las etiquetas fluorescentes como la proteína fluorescente verde o GFP, son ampliamente utilizados para la observación de la actividad de las biomoléculas y distinguir las moléculas blanco en una celda. La técnica de etiquetado GFP proporciona imágenes bien definidas. Sin embargo, las proteínas voluminosas pueden perturbar delicadas vías biológicas, especialmente cuando es más grande que las biomoléculas.

El equipo de Xie es capaz de mapear la entrega de drogas una molécula no fluorescente y los vasos sanguíneos fotografiadas sin etiquetas fluorescentes.

La nueva técnica también es capaz de visualizar las proteínas no fluorescentes en las células de la bacteria Escherichia coli en vivo.

“Mientras que los estudios anteriores con experimentos similares proporcionaron imágenes de moléculas fluorescentes con una resolución espacial similar a la de la microscopía de fluorescencia y confocal de alta resolución temporal, el presente estudio, por primera vez, hace uso de la microscopía de emisión estimulada a la imagen de moléculas no fluorescentes “, dijo Zeev Rosenzweig, director del programa en la División de Química de la National Science Foundation.

Aunque la foto de los posibles daños, y de la complejidad y el costo del sistema todavía deben ser abordados por la técnica para conseguir una amplia aplicación, “no hay duda de que el estudio ofrece una forma única de imagenes de una amplia gama de moléculas actualmente inaccesible hoy para el estado de arte de los microscopios ópticos “, apunta Rosenzweig.

“Esto es sólo el comienzo”, agregó Xie. “Muchas aplicaciones interesantes de esta nueva modalidad de imagen se vienen a futuro”.

Referencia

Min W, Lu S, Chong S, Roy R, Holtom GR, Xie XS. Imaging chromophores with undetectable fluorescence by stimulated emission microscopy. Nature. 2009 Oct 22;461(7267):1105-9.

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Francisco P. Chávez Profesor Asistente, Laboratorio de Microbiología Molecular y Biotecnología Departamento de Biología Facultad de Ciencias Universidad de Chile

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Francisco P. Chávez Ph.D
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