Nobel Química 2014: Betzig, Hell y Moerner por el nanoscopio para la nanobiología

Dibujo20141008 chemistry nobel prize - nobleprize org

El microscopio óptico revolucionó la biología y el nanoscopio óptico la está revolucionando ahora, por ello Eric Betzig (Howard Hughes Medical Institute, Ashburn, VA, EEUU), Stefan W. Hell (Max Planck Institute for Chemistry, Göttingen, Alemania) y William E. Moerner (Stanford University, California, EEUU) han recibido el Premio Nobel de Química 2014.

La biología sin el microscopio sería completamente diferente. Pero el microscopio óptico está limitado a unos 0,2 micrómetros. Las nuevas técnicas de fluorescencia de moléculas han logrado superar esta barrera. Por ejemplo, se puede observar la interacción entre moléculas individuales dentro de una célula lo que tiene aplicaciones biomédicas. Gracias a las técnicas galardonadas con el premio nobel se ha pasado de la microbiología a la nanobiología.

Anuncio del premio, nota de prensa, documentación divulgativa y documentación avanzada.

Dibujo20141008 chemistry nobel prize - betzig - hell - moerner- nobleprize org

La difracción marca el límite físico para el microscpio óptico, Ernst Abbe (1873) y Lord Rayleigh (1896), siendo imposible resolver detalles menores que la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. Usando luz láser roja el límite es unos 700/2=350 nm y usando luz láser azul unos 400/2=200 nm. El microscopio electrónico permite ir más allá, pero es muy difícil usarlo con organismos vivos. Recuerda que una bacteria de E. Coli tiene unos 1000 nm (1 μm).

Dibujo20141007 STED-microscopy - current opinion neurobiology

¿Se puede superar el límite de la difracción de Abbe? En los últimos 40 años se han desarrollado muchas técnicas para lograrlo, pero todas tenían grandes inconvenientes prácticos. Lo solución fueron las técnicas premiadas con el Nobel de Química 2014, en concreto, la microscopía de depleción por emisión estimulada (STED) y la microscopía de una sola molécula.

Dibujo20141007 STED-microscopy - scheme - current opinion neurobiology

La microscopía STED fue teorizada por Stefan Hell en 1994 (Stefan W. Hell, Jan Wichmann, “Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy,” Optics Letters 19: 780-782, 1994; PDF gratis en MPG) y llevada a la práctica en 2000 (Thomas A. Klar, Stefan Jakobs, Marcus Dyba, Alexander Egner, and Stefan W. Hell, “Fluorescence microscopy with diffraction resolution barrier broken by stimulated emission,” 97: 8206–8210, 2000; PDF gratis en MPG). La idea se basa en usar dos láseres para observar moléculas fluorescentes. Un láser de alta energía excita estas moléculas (como en la microscopía confocal) y un segundo láser de baja energía atenúa la emisión de la fluorescencia en el punto de excitación del primero. El resultado es una especie de rosquilla que sólo emite fluorescencia en el punto central. Una forma muy sencilla de aumentar la resolución de la microscopía más allá del límite de Abbe.

La microscopía de una sola molécula nació con la primera observación de un fluoróforo (la parte fluorescente de una molécula) por William Moerner en 1989 (W. E. Moerner, L. Kador, “Optical detection and spectroscopy of single molecules in a solid,” Physical Review Letters 62: 2535-2538, 1989; PDF gratis en KTH). El trabajo de muchos físicos permitió observar muchos otros fluoróforos. En 1995, Eric Betzig propuso usar estas ideas como una nueva técnica de microscopía más allá del límite de la difracción (E. Betzig, “Proposed method for molecular optical imaging,” Optics Letters 20: 237-239, 1995; PDF gratis). La idea es combinar múltiples imágenes puntuales de moléculas fluorescentes en un organismo para obtener una imagen nítida de gran resolución espacial.

Dibujo20141007 betzig - science - 2006

La combinación de los trabajos de Moerner y Betzig llevó al desarrollo de la microscopía de superresolución de estructuras biológicas (Michael A. Thompson, Matthew D. Lew, W.E. Moerner, “Extending Microscopic Resolution with Single-Molecule Imaging and Active Control,” Annual Review of Biophysics 41: 321-342, 2012). Estas técnicas se describen por un gran número de acrónimos (PALM, fPALM, STORM, PAINT, etc.) aunque comparten sus principios de funcionamiento. En biología la clave ha sido el marcado genético de moléculas con proteínas verdes fluorescentes (GFPs).

Hoy en día los biológos disfrutan de las técnicas de microscopía que han sido premiadas con el Nobel de Química 2014. La llamada nanobiología permite un estudio de muchos procesos biológicos (como la división celular) con un lujo de detalles que hace unas décadas parecía imposible. Aunque los premiados sean físicos y han publicado su trabajo en revistas de física, con lo que algunos químicos pueden sentirse engañados, la importancia en bioquímica de las nuevas técnicas de nanoscopía bien merece un Premio Nobel.



10 Comentarios

    1. Cecilia, hay decenas de técnicas en diferentes estados de desarrollo, desde los microscopios de fuerza atómica, hasta las técnicas de transparencia como CLARITY, pasando por la imagen genómica in vivo usando CRISPR/Cas. Si te interesa el tema, busca en la web (prueba en Google Scholar “microscopy biology” y busca sólo en 2014; ojeando los títulos de los primeros cientos de artículos te encontrarás con decenas e nuevas técnicas).

  1. Francis con la tecnica de SLAC National Accelerator Laboratory que permite hacer “peliculas de moleculas biologicas” en un futuro cercano se podra oberservar en vivo una celula a nivel molecular?

    1. Tomas, estas “películas” en la escala de los femtosegundos son películas del espectro de emisión de la reacción química (¿has visto alguna?). En un entorno con varias moléculas la confusión del espectro es enorme y no se ve nada. En una célula vida (miles de millones de moléculas en interacción) es imposible usarlas (ahora y en un futuro muy lejano).

Deja un comentario

Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 8 octubre, 2014
Categoría(s): ✓ Biología • Bioquímica • Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Óptica • Physics • Química • Science
Etiqueta(s): ,