Los científicos del Laboratorio de Física de Attosegundos han desarrollado una tecnología láser única para el análisis de la composición molecular de muestras biológicas. Es capaz de detectar variaciones mínimas en la composición química de los sistemas orgánicos.

A nivel bioquímico, Los organismos pueden considerarse como colecciones complejas de muchas especies de moléculas. En el curso de su metabolismo, Las células biológicas sintetizan compuestos químicos y los modifican de diversas formas. Muchos de estos productos se liberan en el medio intercelular y se acumulan en los fluidos corporales, incluida la sangre. Uno de los principales objetivos de la investigación biomédica es comprender qué pueden decirnos estas mezclas inmensamente complejas de moléculas sobre el estado del organismo en cuestión. Todos los tipos de células diferenciadas contribuyen a esta "sopa". Pero las células precancerosas y malignas agregan sus propios marcadores moleculares específicos, y estos proporcionan las primeras indicaciones de la presencia de células tumorales en el cuerpo.

Hasta aquí, sin embargo, muy pocas de estas moléculas indicadoras han sido identificadas, y los que se conocen aparecen en cantidades minúsculas en muestras biológicas. Esto los hace extremadamente difíciles de detectar. Los investigadores asumen que muchas de las firmas moleculares más informativas comprenden combinaciones de compuestos que pertenecen a los diversos tipos de moléculas que se encuentran en las células:proteínas, azúcares grasas y sus diversos derivados. Para definirlos, los investigadores necesitan un único método analítico que sea lo suficientemente versátil y sensible para detectar y medir sus niveles.

Un equipo interdisciplinario dirigido por el profesor Ferenc Krausz ha construido un nuevo sistema basado en láser que está diseñado específicamente para este propósito. El grupo tiene su sede en el Laboratorio de Física de Attosegundos (LAP), que está dirigido conjuntamente por Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) en Munich y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ), e incluye físicos, biólogos y científicos de datos. Este sistema permite a los investigadores obtener huellas químicas en forma de espectros infrarrojos que revelan la composición molecular de muestras de todo tipo. incluidas muestras de origen biológico. La técnica ofrece una sensibilidad sin precedentes y se puede utilizar para todas las clases conocidas de biomoléculas.

El nuevo espectrómetro láser se basa en tecnologías que se desarrollaron originalmente en el LAP para la producción de pulsos láser ultracortos. que se utilizan para estudiar la dinámica ultrarrápida de los sistemas subatómicos. El instrumento, que fue construido por el físico Ioachim Pupeza y sus colegas, está diseñado para emitir pulsos de luz láser extremadamente potentes que cubren un amplio segmento del espectro en la longitud de onda infrarroja. Cada uno de estos pulsos dura unos pocos femtosegundos (en notación científica 1 fs =10 ^-15 s, una millonésima de mil millonésima de segundo). Estos destellos extremadamente breves de luz infrarroja hacen que los enlaces que unen a los átomos vibren. El efecto es análogo al de golpear un diapasón. Después del paso del pulso, las moléculas vibrantes emiten luz coherente en longitudes de onda muy características o, equivalentemente, frecuencias de oscilación. La nueva tecnología permite capturar el conjunto completo de longitudes de onda emitidas. Dado que cada compuesto distinto en la muestra vibra en un conjunto específico de frecuencias, aporta su propio 'subespectro' bien definido a la emisión. Ninguna especie molecular tiene dónde esconderse.

"Con este láser, podemos cubrir una amplia gama de longitudes de onda infrarrojas, de 6 a 12 micrómetros, que estimulan las vibraciones en las moléculas, "dice Marinus Huber, primer autor conjunto del estudio y miembro del grupo de la bióloga Mihaela Zigman, que también participó en los experimentos llevados a cabo en el LAP. "A diferencia de la espectroscopia de masas, este método proporciona acceso a todos los tipos de moléculas que se encuentran en las muestras biológicas, " ella explica.

Cada uno de los pulsos de láser ultracortos utilizados para excitar las moléculas consta de solo unas pocas oscilaciones del campo óptico. Es más, el brillo espectral del pulso (es decir, su densidad de fotones) es hasta dos veces mayor que los generados por los sincrotrones convencionales, que hasta ahora han servido como fuentes de radiación para enfoques comparables a la espectroscopia molecular. Además, la radiación infrarroja es espacial y temporalmente coherente. Todos estos parámetros físicos juntos dan cuenta de la sensibilidad extremadamente alta del nuevo sistema láser, permitiendo detectar moléculas presentes en concentraciones muy bajas y producir huellas moleculares de alta precisión.

Adicionalmente, Ahora se pueden iluminar con luz infrarroja muestras de tejido vivo de hasta 0,1 mm de grosor y analizarlas con una sensibilidad incomparable. En experimentos iniciales, el equipo del LAP aplicó la técnica a las hojas y otras células vivas, así como muestras de sangre. "Esta capacidad para medir con precisión las variaciones en la composición molecular de los fluidos corporales abre nuevas posibilidades en biología y medicina, y en el futuro la técnica podría encontrar aplicación en la detección temprana de trastornos, "Dice Zigman.