Hace seis años, el Premio Nobel de Química fue otorgado a tres científicos por encontrar formas de visualizar las vías de moléculas individuales dentro de las células vivas.

Ahora, investigadores de la Universidad de Rochester y el Instituto Fresnel en Francia han encontrado una manera de visualizar esas moléculas con mayor detalle, mostrando su posición y orientación en 3-D, e incluso cómo se bambolean y oscilan. El trabajo podría arrojar información invaluable sobre los procesos biológicos involucrados, por ejemplo, cuando una célula y las proteínas que regulan sus funciones reaccionan al virus que causa COVID-19.

"Cuando una proteína cambia de forma, expone otros átomos que mejoran el proceso biológico, por lo que el cambio de forma de una proteína tiene un efecto enorme en otros procesos dentro de la célula, "dice Sophie Brasselet, director del Instituto Fresnel, quien colaboró ​​con Miguel Alonso y Thomas Brown, ambos profesores de óptica en Rochester.

Apodado CHIDO, por "Imágenes de superresolución de altura y coordenadas con difuminado y orientación", la tecnología se describe en un nuevo artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza . Diseñado y construido por los autores principales Valentina Curcio, un doctorado estudiante en el grupo de Brasselet, y Luis Alemán-Castaneda, un doctorado estudiante en el grupo de Alonso, CHIDO es preciso dentro de "decenas de nanómetros en posición y algunos grados de orientación" para determinar los parámetros de moléculas individuales, "informa el equipo.

Usando una placa de vidrio sometida a una tensión uniforme en toda su periferia, el dispositivo puede crear y extrapolar oscilaciones de longitud de onda y cambios de polarización que ocurren cuando se observan moléculas en un microscopio de fluorescencia. La nueva tecnología transforma la imagen de una sola molécula en un punto focal distorsionado, cuya forma codifica directamente información 3D más precisa que las herramientas de medición anteriores. En efecto, CHIDO puede producir haces que tengan todos los estados de polarización posibles.

"Esta es una de las bellezas de la óptica, "Dice Brown." Si tiene un dispositivo que puede crear casi cualquier estado de polarización, entonces también tiene un dispositivo que puede analizar casi cualquier posible estado de polarización ".

La placa de vidrio se originó en el laboratorio de Brown como parte de su largo interés en desarrollar haces con polarizaciones inusuales. Alonso, un experto en la teoría de la polarización, trabajó con Brown en formas de perfeccionar este "dispositivo muy simple pero muy elegante" y ampliar sus aplicaciones. Durante una visita a Marsella, Alonso describió el plato a Brasselet, un experto en instrumentación novedosa para imágenes de fluorescencia y no lineales. Brasselet sugirió inmediatamente su posible uso en las técnicas de microscopía en las que estaba trabajando para obtener imágenes de moléculas individuales.

"Ha sido un equipo muy complementario, "Dice Brasselet.

20 años en la fabricación

En 1873, Ernst Abbe estipuló que los microscopios nunca obtendrían una resolución mejor que la mitad de la longitud de onda de la luz. Esa barrera se mantuvo hasta que los premios Nobel Eric Betzig y William Moerner, con su microscopía de una sola molécula, y Stefan Hell, con su microscopía de reducción de emisiones estimuladas, encontraron formas de evitarla.

"Debido a sus logros, el microscopio óptico ahora puede mirar hacia el nanomundo, ", informó el comité Nobel en 2014.

"Lo que faltaba en ese Premio Nobel y en el trabajo de los años posteriores fue la capacidad de no solo conocer con precisión la ubicación de una molécula, pero para poder caracterizar su dirección y especialmente su movimiento en tres dimensiones, "Dice Brown.

De hecho, la solución marrón, Alonso, y Brasselet ahora describen tuvo sus orígenes hace 20 años.

A partir de 1999, Brown y uno de sus Ph.D. estudiantes, Kathleen Youngworth, comenzó a investigar rayos ópticos inusuales que mostraban patrones inusuales de polarización óptica, la orientación de la onda óptica. Algunas de las vigas exhibían un patrón radial similar a un radio con propiedades intrigantes.

Youngworth demostró en una mesa que, cuando está bien enfocado, los haces exhibían componentes de polarización que apuntaban en casi cualquier dirección en tres dimensiones.

Alexis Spilman Vogt, otro Ph.D. candidato, luego trabajó con Brown para crear los mismos efectos aplicando tensión a los bordes de un cilindro de vidrio. El cuñado de Brown, Robert Sampson, un experto en herramientas y matrices, fue llamado a fabricar algunas muestras y colocarlas en anillos de metal para usar con un microscopio confocal.

Esto implicó calentar tanto los anillos de vidrio como los de metal. "El metal se expande a un ritmo más rápido cuando se calienta que el vidrio, "Brown dice, "para poder calentar el vidrio y el metal muy calientes, inserte el vaso en el medio del metal, ya medida que se enfría, el metal se encogería y crearía una fuerza tremenda en la periferia del vidrio ".

Sampson aplicó inadvertidamente más tensión de la requerida con una de las placas. Tan pronto como su cuñado se lo entregó, Brown sabía que el plato tenía cualidades inusuales. El grupo de Rochester introdujo el término "óptica de ingeniería bajo tensión" para describir los elementos y, a medida que aprendieron más sobre el comportamiento físico y las matemáticas, se dieron cuenta de que las ventanas podían ser el camino para resolver problemas completamente nuevos en microscopía.

Y ese fue el origen de lo que hoy es CHIDO, cuales, coincidentemente, pasa a ser argot mexicano para "cool".

"En el momento en que Alexis y yo sabíamos que el vidrio de ingeniería antiestrés era interesante, y probablemente tendría aplicaciones útiles; simplemente no sabíamos en ese momento cuáles podrían ser, "Brown dice. Ahora, gracias a su colaboración con Alonso y Brasselet, espera que CHIDO "capte la imaginación" de otros investigadores en el campo que puedan ayudar a perfeccionar y aplicar la tecnología.