Academia Mexicana de Ciencias
Boletín AMC/082/16
Ciudad de México, 12 de abril de 2016

• El desarrollo de las técnicas de superresolución permitió obtener imágenes en sistemas biológicos vivos y reconstruir las estructuras de las células en tres dimensiones.

Profesor William E. Moerner, investigador en la Universidad de Stanford, uno de los ganadores del Premio Nobel de Química 2014. Ofreció una conferencia en el marco del aniversario 75 del Instituto de Química de la UNAM.
Foto: Tomada de: www.nobelprize.org
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Para tener información de las estructuras de las células o de las funciones e interacciones de proteínas in vivo se requiere del uso de microscopía de fluorescencia de súper resolución, una técnica que permite obtener imágenes de sistemas vivos con una resolución de nanómetros y dar seguimiento a procesos químicos y bioquímicos a nivel de molécula individual.

Pero, por qué estudiar moléculas únicas y cómo pueden ser utilizadas algunas moléculas fluorescentes para obtener imágenes en superresolución, fueron algunos preguntas que el doctor William E. Moerner, uno de los ganadores del Premio Nobel de Química 2014, respondió durante la conferencia Fun with Light and Single Molecules, Started 27 Years Ago, Opens Up an Amazing New View Inside Cells, que dio en el marco del 75 aniversario del Instituto de Química de la UNAM.

En la conferencia, que se realizó en el auditorio “José Luis Sánchez Bribiesca” de la Torre de Ingeniería, Moerner presentó un recorrido histórico de las primeras detecciones de moléculas individuales, después habló de la fluorescencia de las moléculas y finalmente explicó qué es y cómo funciona la microscopía de fluorescencia de superresolución, la cual posibilita obtener información de las estructuras de las células o de las funciones e interacciones de proteínas in vivo.

“A mediados de 1980 muchas cosas interesantes sucedieron, algunos investigadores lograron observar iones individuales en una trampa de vacío y también pudieron mirar de diversas maneras los sistemas cuánticos individuales. Entonces surgió la pregunta: ¿No deberíamos ser capaces de ver una sola molécula al igual que podemos ver iones individuales?”.

En 1989, Moerner, que trabajaba entonces en IBM, en San Diego, California, y Lothar Kador lograron medir la absorción de luz de una sola molécula mediante la detección de pequeños cambios en la luz transmitida. Años después, Moerner conoció en la Universidad de California, en San Diego, a Roger Tsien, quien junto con otros investigadores estudiaba el aislamiento de la proteína verde fluorescente (GFP, siglas de green fluorescent protein) producida por la medusa Aequorea victoria, y trataba de lograr que esta proteína emitiera fluorescencia en diferentes colores.

Moerner encontró que una variante de GFP podía “encenderse” y “apagarse” al ser estimulada con ciertas longitudes de onda de luz. Este trabajo, y otros, influyeron en el desarrollo de proteínas fluorescentes que pueden ser controladas por luz.

Súper resolución
Algunas moléculas tienen capacidad para absorber luz y emitirla, es decir, son fluorescentes, y sirven para marcar a otras moléculas y seguirlas, por ejemplo, en una célula. Así, las propiedades de algunas moléculas individuales de “encender” y “apagar” pueden ser utilizadas para obtener superresolución y, por lo tanto, evitar el límite de difracción óptica, el cual se refiere al límite que tiene un microscopio para distinguir entre objetos individuales menores a 200 nanómetros de distancia entre sí. Con el desarrollo de las técnicas de superresolución, que permiten distinguir entre dos moléculas que están juntas, es posible obtener imágenes en sistemas biológicos vivos y reconstruir las estructuras de las células en tres dimensiones.

William E. Moerner, quien trabaja en la Universidad de Stanford, explicó que para hablar de superresolución de molécula única se necesitan dos ingredientes esenciales.

El primero consiste en localizar moléculas individuales, lo que se conoce como super localización de molécula única. “Si estamos en la parte baja de una montaña y queremos llegar a pie hasta la cima, podemos obtener las coordenadas al utilizar el GPS del celular. Un sistema similar es el que aplicamos en nuestras imágenes de moléculas individuales; tenemos una molécula de una proteína fluorescente en una bacteria, si la convertimos en una imagen (en la que el brillo de la molécula tiene la forma de una montaña) en 3-D y pasamos la imagen por un detector de pixeles, obtenemos múltiples muestras de su forma, lo que nos da una idea de cuál es el centro de la molécula”.

El otro aspecto es el control activo de la concentración de emisión, ya que para poder observar a las moléculas fluorescentes de manera individual dentro de una célula, es necesario que solo una molécula por cada región emita luz, lo que se logra utilizando moléculas que pueden ser activadas de manera selectiva con pulsos de luz y que son una especie de etiquetas fluorescentes. “Esta idea la escuché por primera vez en el 2006, cuando Eric Betzing –uno de los tres ganadores del Nobel de Química 2014–, publicó su investigación en el desarrollo de la técnica de superresolución llamada PALM (photoactivated localization microscopy)”.

Al “encender” solo algunas de estas moléculas en un momento y a otras en diferentes momentos se obtiene un conjunto de imágenes con las cuales se reconstruye una imagen con una resolución diez veces mayor a la obtenida por técnicas de microscopía convencionales. “Si encendemos todas las moléculas al mismo tiempo obtendremos una imagen borrosa porque la luz de las moléculas, al estar juntas, se superpone. En cambio, si encendemos unas pocas moléculas fluorescentes para después reconstruir una imagen, se puede observar, por ejemplo, la estructura de la proteína relacionada con la enfermedad de Huntington”, dijo Moerner.

Además del químico y físico estadounidense, trece investigadores nacionales y extranjeros ofrecieron diferentes ponencias que formaron parte del ciclo de conferencias “La Química del siglo XXI”, que organizó el Instituto de Química de la UNAM por su 75 aniversario.

Noemí Rodríguez González.