Premio Nobel de Química 2014: De la Microscopía a la Nanoscopía

Ha pasado más de un siglo desde que el científico Ernst Abbe estableciera que la difracción de la luz limita la calidad de las imágenes que pueden obtenerse a través de un microscopio óptico. La difracción hace que los pequeños detalles de la imagen aparezcan borrosos, es decir, que no se puedan resolver. Abbe puso un valor concreto a este 'límite de difracción' formulando una ecuación que encontramos en cualquier libro de física básica, y que nos dice que no se pueden discernir detalles más pequeños que aproximadamente 200 nm. Cualquier usuario de un microscopio óptico convencional, por ejemplo un microscopio de fluorescencia, ha tenido que convivir con esa limitación durante años. En la práctica, el límite de difracción implica la imposibilidad de observar con claridad lo que ocurre dentro de una bacteria, o en los compartimentos y orgánulos de una célula. Aunque hay otras modalidades de microscopía, como la electrónica, que sí pueden resolver detalles más pequeños, sólo la microscopía óptica permite observar el interior de células vivas.

	En el descubrimiento del nanoscopio subyace la creatividad, el inconformismo y la obstinación de sus creadores, cualidades necesarias para llegar a lo más alto en la ciencia

Utilizando una serie de ingeniosos trucos, los galardonados de este año consiguieron sobrepasar ese límite, y así nació la nanoscopía. La solución vino de la Química: las moléculas fluorescentes que se usan para marcar las estructuras de interés pasaron a tener un papel fundamental, y se convirtieron en parte activa a la hora de formar la imagen en el microscopio. Concretamente, las moléculas tenían que ser capaces de encender y apagar su emisión de luz (fluorescencia) de manera controlada. Stefan Hell propuso este concepto en 1994, y consiguió ponerlo en práctica experimentalmente en 2000, en una variante llamada microscopía STED (stimulated emission depletion). La microscopía STED se basa en un principio similar al del funcionamiento de un láser, la emisión estimulada. Mediante este fenómeno se consigue confinar la luz a un punto más pequeño que el límite de difracción 'apagando' la fluorescencia de las moléculas periféricas. Por su parte, Eric Betzig inventó en 2006 una técnica llamada PALM (photoactivation localization microscopy) que usa ese mecanismo de encendido y apagado para que las moléculas puedan detectarse y localizarse individualmente a diferentes tiempos en el mismo área de una muestra. Con la suma de las posiciones de estas moléculas se puede construir entonces un mapa nanométrico de coordenadas. Pero esto no hubiera sido posible sin que años antes, en 1989, W. E. Moerner consiguiera detectar por primera vez moléculas individuales. El mismo Moerner observó posteriormente ese proceso de encendido y apagado en la emisión de las proteínas fluorescentes, probablemente el tipo de moléculas más usadas para marcar células vivas (objeto del Nobel de Química en 2008).

Llama la atención lo reciente de algunas de estas invenciones. Esto es una buena noticia y un reflejo del impacto inmediato que los nuevos microscopios, o nanoscopios, han tenido en muchos campos de la ciencia, sobre todo en la Biología y la Biomedicina. Los fabricantes de microscopios más importantes se han dado prisa en desarrollar versiones comerciales y fáciles de usar, lo que sin duda ha contribuido a la rápida expansión de estas técnicas a muchos laboratorios no especializados en microscopía.

Gracias a la microscopía de súper-resolución, en casi todas las áreas de la Biología podemos encontrar ejemplos de nuevas estructuras y procesos que se han revelado por primera vez. Del laboratorio de Xiaowei Zhuang, en la Universidad de Harvard, salen descubrimientos espectaculares como la visualización del esqueleto de los axones, que son prolongaciones de las neuronas cuya función principal es la de canalizar los impulsos nerviosos. Usando una técnica similar a PALM, se ha observado que el esqueleto del axón está compuesto por unos anillos con un espaciamiento periódico de 180 nm, justo por debajo del límite de difracción. Esta estructura, similar al tubo de una aspiradora micrométrica, ha resultado tan sorprendente que su hallazgo obliga a los científicos a revisar las teorías actuales sobre comunicación entre neuronas. Además, la nanoscopía ha tenido impacto en otras áreas del conocimiento como la catálisis química, de gran importancia industrial.

En el descubrimiento del nanoscopio subyace la creatividad, el inconformismo y la obstinación de sus creadores, cualidades necesarias para llegar a lo más alto en la ciencia. Stefan Hell no se resignó ante el límite de difracción, cuya ecuación está literalmente esculpida en piedra en la estatua dedicada a Ernst Abbe en Jena, Alemania. Por su parte, Eric Betzig, que había pasado siete años alejado de la ciencia para trabajar en la empresa de su padre, quería hacer un retorno triunfal y desarrolló su idea desde el desempleo (aunque con la ayuda de otros científicos en activo). Para ello, montó un prototipo de PALM en el salón de la casa de su amigo y también científico Harald Hess. Parece que le salió bien la jugada.