William E. Moerner revoluciona el microscopio óptico

En 2014, junto con Eric Betzig y Stefan Hell, recibí el Premio Nobel de Química por algo denominando microscopía de fluorescencia de superresolución. Suena como un trabalenguas, pero permítanme explicar por qué le puede interesar más de lo que piensa, y lo que revela nuestro descubrimiento sobre la naturaleza de la investigación científica actual.

Las cosas buenas vienen en envases pequeños

Antes de los microscopios, la cosa más pequeña que podíamos ver era el grosor de un cabello humano. Su invención literalmente abrió nuevos mundos para la investigación científica. Pero todavía había limitaciones. Casi todo en nuestro mundo está hecho de moléculas. Y las moléculas son diminutas: solo unos pocos nanómetros de tamaño. Son tan pequeñas que cuando se ven a través de un microscopio, la imagen luce borrosa y fuera de foco, sin importar qué tan caro sea el microscopio, debido al “límite de difracción” de la luz.

¿Qué es exactamente el límite de difracción? Cuando los científicos tratamos de observar algo, generalmente tomamos moléculas fluorescentes (que emiten luz) y las adjuntamos solo a la estructura de interés, porque de esa manera la luz que vemos solo proviene del objeto del que queremos captar la imagen. Pero hay un problema: la longitud de onda de la luz visible es de aproximadamente 500 nanómetros, que en el caso de las moléculas, es mucho mayor que las estructuras que queremos ver. Para los microscopios, esto significa que la imagen de una molécula del tamaño de un solo nanómetro luce mucho, mucho más grande. En realidad, luce como algo del tamaño de 250 nanómetros.

Esto significaba que cuando intentábamos mirar moléculas o estructuras del tamaño de solo unos pocos nanómetros utilizando microscopios, obteníamos imágenes muy borrosas porque las bolas de las moléculas se encimaban. Eso era un problema. El objetivo principal de la ciencia es entender cómo funcionan las cosas. Por ejemplo, en biología celular, queremos entender con detalle cómo funcionan exactamente las diminutas “nanomáquinas” dentro de las células. Si aprendemos más del funcionamiento normal de las células, podemos aplicar el mismo método a las células enfermas, y esto nos permitirá corregir las cosas cuando vayan mal. ¿Pero cómo podemos hacer eso si ni siquiera podemos ver las cosas que queremos estudiar? Este problema ha afectado a la microscopía óptica desde sus comienzos.

Transformar microscopios en nanoscopios

En 1989, en mi laboratorio de IBM Research, mi investigador posdoctoral, Lothar Kador, y yo fuimos los primeros en detectar moléculas simples de manera óptica. Nuestro primer experimento fue algo esotérico, ya que requería temperaturas extremadamente bajas, aproximadas al cero absoluto, y básicamente explorábamos el límite último de una molécula sola ya que no se había hecho antes. Pero nos dimos cuenta de que nuestro trabajo iba a ser muy importante cuando observamos que estas moléculas estaban haciendo cosas sorprendentes. Las moléculas individuales pasaban de un color o longitud de onda a otra. O se encendían y apagaban y brillaban intermitentemente de maneras interesantes.

Es debido a que las moléculas hacen esto –tienen un comportamiento individual de encendido y apagado– que habíamos empezado a debilitar la antigua creencia en la comunidad científica: que nunca seríamos capaces de observar cosas más pequeñas que la mitad de la longitud de onda de la luz. Ahora, los microscopios se podrían convertir en nanoscopios.

Una solución: pensar en la luciérnaga

Entonces ¿cómo este descubrimiento inicial preparó el camino para nanoscopios que pudieran enfocar moléculas tan diminutas?

Porque, según lo que descubrieron científicos como Eric Betzig y otros en 2005, se podía remover la borrosidad al elegir moléculas emisoras de luz que tenían dos estados: un estado “encendido” en el que emiten luz, y otro estado “apagado”, en el que no emiten luz; y lo más importante, captar su imagen en diferentes momentos. Entonces, imaginemos que queremos colocar moléculas en la estructura que queremos observar y solo “encendemos” algunas a la vez. Luego las filmamos. En los diferentes cuadros de la película, la muestra luce como estrellas en el cielo, y gracias a que los diferentes puntos están separados, podemos determinar la posición de cada uno con precisión. Con el tiempo, acumulamos una larga lista de posiciones de moléculas, y luego usamos gráficos de computadora para mostrarlas todas juntas, como el puntillismo en el arte. La estructura que queremos ver es ahora mucho más nítida de lo que antes era posible.

Como una analogía aproximada, suponga que quiere ver las ramas de un árbol, pero está oscuro. Lo que podría hacer es poner luciérnagas en las ramas del árbol, luego dejarlas brillar intermitentemente aleatoriamente. Cada vez que ve que una se enciende, con mucho cuidado mide la posición exacta. Aunque utilizara una cámara fuera de foco, aún puede encontrar el centro de cada punto de cada luciérnaga. Luego, coloca todas las posiciones que encontró, las muestra todas juntas y ¡las ramas aparecen!

Explorar lo inexplorado

Las repercusiones de este descubrimiento son enormes: ahora, el foco de los microscopios puede mejorarse 5, 10 y hasta 100 veces, para que las estructuras extremadamente diminutas se puedan observar. Los científicos ya han utilizado la tecnología para ver estructuras celulares que no fueron visibles antes, desde microtúbulos a agregados de proteínas que aparecen en las enfermedades de Parkinson, Alzheimer y Huntington. Queda mucho por hacer para refinar esta idea y aplicarla a campos que van desde la biología a la ciencia de materiales.

En 1989, no tenía idea de que el trabajo que estaba realizando finalmente llevaría a un avance tan importante que abriría nuevas áreas de investigación. Pero sin él, y la financiación que respalda este tipo de investigaciones básicas de “suposiciones”, no estaríamos donde estamos hoy. Explorar lo inexplorado puede llevar a aplicaciones capaces de cambiar nuestras vidas y que son impredecibles al comienzo.

Autor: William E. Moerner es profesor de Química en el Departamento de Química de la Universidad Stanford; ganó el Premio Nobel de Química en 2014. Participa de la reunión anual del Foro Económico Mundial de Davos.