Las conversaciones con el físico Ralf Jungmann exigen mucha concentración. Lo lleva a un ritmo vertiginoso a través de un mundo que es inconcebiblemente diminuto, un mundo que, según las leyes de la óptica, no es directamente accesible ni siquiera para los mejores microscopios ópticos. También es el microcosmos en el que los procesos biológicos se encuentran en casa. Sus habitantes son los metabolitos y macromoléculas cuyas interacciones determinan el curso y los límites de nuestras vidas, y todavía sabemos muy poco sobre ello.

Pero la ambición de Ralf Jungmann es llevar todas las máquinas moleculares de la célula al ámbito de la microscopía óptica, tarea que lo lleva inevitablemente a las fronteras de lo físicamente factible. Junto con su equipo de 11 miembros, Jungmann, que acaba de ser nombrado para una cátedra en LMU, está desarrollando un microscopio de superresolución para aplicaciones biomédicas, que está diseñado para obtener imágenes de estructuras celulares con la ayuda de técnicas de etiquetado basadas en ADN. El proyecto ha recibido financiación de programas de subvenciones altamente selectivos gestionados por Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) y el Consejo Europeo de Investigación (ERC).

El campo de la microscopía de superresolución se ha vuelto bastante concurrido en los últimos años, y se ha logrado mucho que hasta hace poco parecía imposible. Jungmann (35) desgrana las siglas de las nuevas técnicas que han surgido, de STED, Microscopía STORM y PALM al fascinante microscopio Lattice Light Sheet, que escanea las células sistemáticamente nivel por nivel. Mientras el oyente se pregunta en qué se diferencian estos distintos enfoques, Jungmann comenta con una sonrisa:"En principio, todos son muy similares entre sí ". En momentos como este, uno se da cuenta de que esta familiaridad espontánea es el producto del trabajo arduo y el pensamiento arduo, dado que uno está tratando con métodos que se encuentran en los límites de la tecnología actual. Hace menos de 2 años, en 2014, El físico Stefan Hell de Gotinga compartió el Premio Nobel de Química con los estadounidenses Eric Betzig y William E. Moerner. Los tres habían encontrado formas de eludir el límite de difracción clásico y mejorar el nivel de resolución de la microscopía óptica hasta en 10 veces. Desde entonces, han ampliado aún más el límite, en la región nanométrica.

El arte de crear patrones

"Mi objetivo es aumentar la resolución de la microscopía de fluorescencia combinándola con herramientas del mundo de la nanotecnología de ADN, como el origami de ADN, para preparar sondas fluorescentes altamente específicas, "Explica Jungmann. De esta manera, se puede alcanzar un nivel de resolución que permite visualizar estructuras a nivel molecular. 'Origami de ADN' es otro término que sigue apareciendo en las nanociencias. Por analogía con la palabra japonesa que toma prestada, se refiere al arte de crear patrones y estructuras tridimensionales, no a partir de una hoja de papel, sino de un conjunto de hebras de ADN.

Para comprender los sistemas biológicos complejos, hay que poder explorar el nanomundo. Sin embargo, Los microscopios ópticos convencionales no pueden penetrar en este reino, porque la ley de difracción óptica restringe la resolución a estructuras con dimensiones de alrededor de 200 nanómetros (nm). Esto impide la localización subcelular de las proteínas que proporcionan los catalizadores, receptores y andamios estructurales esenciales para la función celular, ya que muchas proteínas tienen solo unos pocos nm de diámetro. "Quiero desarrollar tecnologías que nos ayuden a resolver problemas biológicos, ", Dice Jungmann." Mi objetivo es visualizar con la resolución más alta posible cientos, no, miles - de los componentes en las células, ya sean proteínas, genes o moléculas de ARN. Y quiero que la técnica sea tan simple que un laboratorio normal en cualquier parte del mundo pueda usarla ".

Esas son metas elevadas, pero Jungmann ha hecho un progreso considerable hacia su realización. Como estudiante y postdoctorado, recibió varios premios y becas, del Servicio Alemán de Intercambio Académico y la Fundación Humboldt. Desarrolló un interés en el nanomundo mientras escribía su tesis de diploma (sobre los efectos de la tensión en la estructura fina de los huesos humanos) en la Universidad de California en Santa Bárbara. cuando se encontró con un artículo del investigador estadounidense Paul Rothemund. El estudio describió cómo las cadenas de ADN con secuencias definidas podrían usarse para autoensamblarse en patrones y figuras de tamaño nanométrico. incluido el icónico smiley. "Lo encontré absolutamente fascinante". Jungmann regresó a Alemania y se unió al Laboratorio de Nanotecnología de ADN dirigido por Friedrich Simmel, Catedrático de Bioelectrónica en la Universidad Técnica de Munich (TUM). "Fuimos pioneros en la técnica del origami de ADN en Alemania, ", dice. Jungmann pronto se dio cuenta de que las herramientas del mundo del origami podían utilizarse para microscopía. Con su experiencia recién adquirida, regresó a los Estados Unidos para unirse a Harvard.

Protoboards moleculares

El origami de ADN proporciona un método para construir nanoestructuras que pueden servir como estaciones de acoplamiento, más bien como los agujeros en una placa electrónica, para moléculas como agentes fluorescentes que se visualizan por microscopía. Jungmann ahora se centra en el desarrollo de nuevas etiquetas fluorescentes, cuyas características de emisión pueden controlarse y diferenciarse estrictamente, todo ello al servicio de una resolución óptica cada vez mayor. "La decisión de volver a Munich y específicamente a LMU fue fácil, ", dice." Las universidades y los Institutos Max Planck (MPI) ofrecen condiciones ideales para la investigación ". Su CV se lee como un modelo de planificación cuidadosa, y cuenta una historia de éxito. Es cofundador de una empresa en EE. UU., y posee una docena de patentes, un récord impresionante para una persona de 35 años. "En retrospectiva, parece una navegación sencilla, pero, de hecho, mucho dependía de encuentros incidentales y decisiones basadas en el instinto ". siguiendo los instintos de uno al elegir laboratorios donde uno puede aprender algo nuevo, y reconocer las tendencias que prometen convertirse en "ciencia espacial" o simplemente ofrecer un entorno estimulante para el trabajo en equipo es en sí mismo una especie de plan.

Jungmann actualmente dirige un Grupo de Investigación Junior Emmy Noether en la Facultad de Física de LMU, y el MPI de Bioquímica en Martinsried. Recientemente ganó una de las subvenciones iniciales altamente dotadas otorgadas por el ERC, y una subvención de un millón de euros de la Fundación Max Planck. Una visita a su laboratorio en el MPI sugiere que este dinero se está gastando bien. Aquí se encuentra el microscopio óptico con la resolución más alta - 5 nm - actualmente alcanzable en cualquier parte del mundo. Es básicamente un microscopio de fluorescencia clásico, pero con modificaciones innovadoras diseñadas y construidas por el grupo de Jungmann. Láser, espejos Los objetivos y las cámaras provienen de fuentes comerciales, pero sus compañeros de trabajo son responsables de la concepción general del instrumento. Esta es una de las razones por las que la colaboración interdisciplinaria en equipos bien integrados es tan importante. "Podemos avanzar más rápido porque la comunicación es más simple y la coordinación más fácil, y cometemos menos errores porque tenemos expertos para todos los detalles. "Jungmann explica. Factores como estos ayudan a explicar cómo se puede hacer un progreso tan rápido:las ideas se intercambian libremente y se pueden evaluar e implementar rápidamente. Jungmann pertenece a una nueva generación de investigadores en Alemania que han aprendido a trabajar como miembros de redes Estas estructuras transparentes y cooperativas han reemplazado los sistemas jerárquicamente organizados y orientados hacia adentro de antaño.

Jungmann aprendió cuán productivo puede ser este enfoque cuando se unió al laboratorio dirigido por William Shih y Peng Yin en el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Facultad de Medicina de Harvard en Boston. El Instituto emplea especialistas en todas las disciplinas relevantes, desde ingenieros mecánicos hasta biólogos e informáticos. Y este es el modelo que él mismo establece para sus estudiantes de doctorado y maestría. Por ejemplo, pasó 30, 000 euros en una versión más simple de su microscopio récord únicamente para su uso, diseñado por uno de sus estudiantes de doctorado. "Se reduce a 20 nm, ", dice." No está mal para un trabajo de bricolaje ".

Después de pasar por el molino de Harvard

Tres de sus estudiantes de doctorado hicieron su maestría bajo su supervisión cuando todavía estaba en Harvard. Que amplía su red de contactos internacionales, "y haber pasado con éxito por la fábrica de Harvard es una recomendación en sí misma, ", agrega. Estos estudiantes graduados ahora forman el núcleo experimentado de su equipo, algo que ni siquiera el mejor líder de grupo puede prescindir. También significa que las ideas para proyectos nunca escasean. Jungmann tiene grandes esperanzas en sus códigos de barras de ADN, que puede dirigirse a una gran cantidad de proteínas específicas y secuencias de ARN, sirviendo como marcadores inequívocos para cada uno. Estos rotuladores están equipados con tintes fotoconmutables que, dependiendo de su estructura precisa, parpadear durante períodos más cortos o más largos, y con intensidades sintonizables. "Nuestro método es más simple que todos los demás modos de microscopía de superresolución, ", Afirma Jungmann, y aquí está pensando no solo en obtener imágenes de células individuales, sino también de colectivos de células en los tejidos. De hecho, es posible observar y analizar cientos de células a la vez utilizando breves, hebras de ADN marcadas con colorante como balizas altamente específicas.

Los fondos puestos a disposición por el Programa Emmy Noether y la Beca de inicio ERC, juntos por unos 3,5 millones de euros, proporcionarle el alcance para perseguir su sueño durante los próximos años. Además, LMU ahora ofrece cátedras de seguimiento permanente (W2) para los beneficiarios iniciales de ERC y Jungmann se encuentra entre los primeros en beneficiarse del programa. El 1 de agosto se convirtió en profesor de Imagen Molecular y Bionanotecnología. "Eso me da cierto grado de seguridad, aunque no garantiza que luego obtenga una cátedra académica, ", dice. Su trabajo será revisado dentro de 5 años". Y eso es, por supuesto, un incentivo más para mí, ", agrega - con una sonrisa.