Isaac Hernández Calderón
Coordinador del Laboratorio Avanzado de Nanoscopía Electrónica (LANE) y Profesor del Departamento de Física
Cinvestav
Desde la invención del microscopio electrónico, alrededor de 1930 por Ernst Ruska, se hizo notar que era muy desafortunado que este grandioso instrumento no se pudiera usar para el estudio de células biológicas por la degradación que sufrían debido a las condiciones de vacío de operación de los microscopios electrónicos y por el daño producido del haz electrones. Afortunadamente, el escenario ha cambiado radicalmente gracias a los trabajos realizados por los ganadores del Premio Nobel de Química 2017 y a los desarrollos tecnológicos que constantemente se incorporan a los microscopios electrónicos.
Cuando los objetos son muy pequeños y nuestros ojos no permiten su observación empleamos el microscopio óptico, que funciona con rayos de luz para magnificar los objetos. Sin embargo, la microscopía óptica tiene limitaciones, objetos con dimensiones menores a unos 200 micrómetros no pueden ser observados con buena resolución. Para poder visualizar objetos y detalles mucho más pequeños empleamos la microscopía electrónica, en este caso las imágenes se forman empleando haces de electrones, que son partículas subatómicas de carga negativa y que permiten visualizar objetos muy pequeños, inclusive átomos individuales. Es muy interesante comentar que los electrones también se pueden comportar como ondas, esto lo explica la física cuántica.
Jacques Dubochet (University of Lausanne), Joachim Frank (Columbia University) y Richard Henderson (MRC Laboratory en Cambridge) fueron recientemente reconocidos con el Premio Nobel de Química 2017 por sus contribuciones al desarrollo de una metodología para el procesamiento y generación de imágenes tridimensionales de las moléculas de la vida (biomoléculas), estas participan en diversos mecanismos a nivel celular en los organismos vivos, su aplicación nos permite conocer como están colocados los átomos de las biomoléculas. Esta metodología es conocida como crio-microscopía electrónica de transmisión. Las moléculas se congelan, en forma prácticamente instantánea, en su propio ambiente, de tal forma que se mantienen las características estructurales de la biomolécula y el medio en que se encuentran, generalmente medios acuosos. Así es posible obtener el arreglo geométrico y el tipo de átomos que forman la molécula (su estructura atómica), también se obtiene una gran cantidad de información sobre la funcionalidad de las biomoléculas a nivel celular.
La tecnología desarrollada combina el trabajo de varias décadas de los galardonados, físicos de formación, y también de muchos otros microscopistas. Ya en los inicios de los 70’s del siglo XX Henderson demostró que se podía determinar la estructura atómica de proteínas por microscopía electrónica de transmisión (MET) si éstas se encontraban en su ambiente natural dentro de una membrana biológica. Para evitar el calentamiento de las moléculas fue necesario usar un haz de electrones de baja intensidad. En 1975 Frank desarrolló un algoritmo de procesamiento de imágenes para combinar múltiples imágenes difusas bidimensionales (2D) obtenidas por MET de biomoléculas en una gran diversidad de orientaciones y con esta información determinar la imagen tridimensional (3D) de proteínas. Debido a que los microscopios electrónicos de transmisión requieren un ambiente de trabajo en vacío, es decir, básicamente en ausencia de aire, humedad, y a que en su estado natural las biomoléculas se encuentran en medios acuosos, al tratar de estudiarlas con MET tradicional las muestras se deshidratan y sus características estructurales se ven seriamente afectadas. Aquí surge la importante contribución de Dubochet, que consiste en congelar muy rápidamente una pequeña gota conteniendo la muestra de tal forma que la estructura queda inalterada y así se puede observar la biomolécula en su configuración natural. De aquí el nombre de crio-microscopia electrónica. El congelamiento ultra-rápido permite que el agua mantenga su estructura como en el estado líquido previo, es decir, al congelarse muy rápidamente se vitrifica y mantiene la estructura desordenada del líquido en vez de convertirse en pequeños cristales de hielo con átomos ordenados a nivel atómico. Esto es de suma importancia, ya que evita que al congelarse se modifiquen las biomoléculas y también se evitan los efectos de difracción que producirían los cristales de hielo y que afectarían sensiblemente la interpretación de las imágenes.
La crio-MET ha generado aportaciones de alto impacto que han permitido dilucidar la estructura atómica de muchas biomoléculas y virus de gran importancia para la vida humana y que a su vez han permitido revelar muchos de los procesos moleculares que se realizan a nivel celular. Como ejemplo, la estructura del virus del Zika se determinó con crio-MET.
En el caso de la salud, se ha mejorado y se mejorará la comprensión de las causas de muchas enfermedades y se obtiene información que permite el diseño de nuevas medicinas con propiedades moleculares específicas para prevenirlas y curarlas. Se obtiene el conocimiento para el diseño molecular de medicamentos para que puedan identificar más fácilmente los sitios celulares en los que deben de actuar. Con esta tecnología también se puede determinar la estructura atómica de los virus y así elaborar medicamentos específicos para su destrucción, minimizando efectos colaterales. Sus aplicaciones se pueden extender a otras áreas, por ejemplo, al estudio de sistemas de nanopartículas coloidales y para el entendimiento de procesos catalíticos y de corrosión en sistemas con nanopartículas en solución.
Desde hace buen tiempo la crio-microscopía electrónica es empleada rutinariamente en muchos laboratorios del mundo. El desarrollo reciente (2012) de los nuevos detectores directos de electrones para los microscopios electrónicos ha contribuido a mejorar sensiblemente la resolución espacial y promete resultados muy interesantes. Es de esperarse también la extensión de la aplicación de la crio-MET a otras áreas de interés científico y tecnológico, por ejemplo, el área de nuevos materiales nanoestructurados funcionalizados con moléculas orgánicas. Los resultados obtenidos son consecuencia de un intenso trabajo en ciencia básica con el objetivo de entender procesos fundamentales que involucran a la física, a la química, a la biología y al desarrollo de instrumentación científica; una parte de estos resultados dan origen a una metodología de alto impacto para el mejoramiento de la vida.
En el LANE del Cinvestav, y en otros laboratorios mexicanos, se cuenta una muy buena experiencia en la microscopía electrónica de transmisión, con competencia a nivel internacional, por lo que contando con el equipo y accesorios adecuados no se tendrá ningún impedimento para la aplicación de está tecnología ampliamente reconocida y empleada en muchos lugares del mundo.