En marzo de este año, un equipo de bioingenieros de Caltech, JPL y la Universidad de Washington pasó una semana en Groenlandia, utilizando motonieves para transportar su equipo científico, esperando a que pasaran las tormentas de viento y dedicando horas a trabajar sobre el hielo. Ahora, los mismos investigadores planean un viaje al desierto de Mojave, en California, donde estudiarán el lago Searles, una cuenca seca y extremadamente salina que, de forma natural, está llena de sustancias químicas agresivas como el arsénico y el boro. Los investigadores están probando un microscopio holográfico que han diseñado y construido con el fin de observar microbios que prosperan en entornos tan extremos. ¿Cuál es el objetivo final? Enviar el microscopio en una nave espacial para buscar biofirmas, es decir, señales de vida, en otros mundos como Marte o la luna helada de Saturno, Encélado.
«Nuestra gran hipótesis general es que la motilidad es un buen biomarcador», explica Jay Nadeau, investigadora científica de Caltech y una de las personas que forman parte del equipo de investigación del proyecto del microscopio holográfico, bautizado como SHAMU (Submersible Holographic Astrobiology Microscope with Ultraresolution). «Sospechamos que, si enviamos videos de bacterias nadando, eso será una prueba de vida mejor que casi cualquier otra cosa.»
Piense, dice ella, en Antonie van Leeuwenhoek, el padre de la microbiología, que utilizó microscopios sencillos en los siglos XVII y XVIII para observar protozoos y bacterias. «Reconoció de inmediato que eran seres vivos por la forma en que se movían», afirma Nadeau. De hecho, cuando Leeuwenhoek escribió sobre la observación de muestras de la placa dental entre sus dientes, describió haber visto «muchos animálculos muy pequeños, que se mueven con gran gracia». Y Nadeau añade: «Nadie dudó de Leeuwenhoek una vez que los vieron moverse por sí mismos.»
Para capturar imágenes de microbios «en movimiento» en otro mundo, Nadeau y sus colegas, entre ellos Mory Gharib, catedrático Hans W. Liepmann de Aeronáutica e Ingeniería Bioinspirada y vicerrector adjunto de Caltech, tuvieron la idea de utilizar holografía digital en lugar de la microscopía convencional.
La holografía es un método para registrar información holística sobre la luz que rebota en una muestra, de modo que una imagen tridimensional puede reconstruirse más adelante. En comparación con la microscopía, que a menudo implica múltiples lentes que enfocan una muestra poco profunda (por ejemplo, sobre un portaobjetos), la holografía ofrece la ventaja de enfocar un volumen relativamente grande y de capturar imágenes de alta resolución, sin los problemas de las piezas móviles que podrían romperse en entornos extremos o durante un lanzamiento o aterrizaje, si el instrumento se enviara al espacio.
La fotografía estándar registra solo la intensidad de la luz (relacionada con su amplitud) que llega a la lente de una cámara tras dispersarse al incidir sobre un objeto. Pero, como onda, la luz tiene tanto amplitud como fase, una propiedad independiente que puede utilizarse para determinar la distancia recorrida por la luz una vez dispersada. La holografía es una técnica que captura ambas cosas, lo que hace posible reconstruir una imagen tridimensional de una muestra.
Para entender la técnica, imagine primero que lanza una piedra a un estanque y observa cómo se propagan las ondas desde ese punto. Ahora imagine que lanza una segunda piedra en un punto nuevo, produciendo un segundo conjunto de ondas. Si las ondas interactúan con un objeto en la superficie, como una roca, se difractan o dispersan por el objeto, cambiando el patrón de las ondas, un efecto que puede detectarse. La holografía es similar a lanzar dos piedras al estanque simultáneamente, siendo las piedras dos haces láser: uno de referencia, que incide sin verse afectado por la muestra, y un haz objeto, que atraviesa la muestra y se difracta o dispersa. Un detector mide la combinación, o superposición, de las ondas de ambos haces, conocida como patrón de interferencia. Conociendo cómo se propagan las ondas y analizando el patrón de interferencia, un ordenador puede reconstruir lo que encontró el haz objeto al viajar
«Podemos tomar un patrón de interferencia y utilizarlo para reconstruir todas las imágenes en distintos planos de un volumen», explica Chris Lindensmith, ingeniero de sistemas en JPL e investigador del proyecto. «Así que podemos reconstruir a posteriori cualquier plano que nos interese y ver si hay algo ahí.»
Eso significa que una sola imagen captura todos los microbios de una muestra, ya sea una bacteria o mil. Y al tomar una serie de estas imágenes a lo largo del tiempo, los investigadores pueden reconstruir la trayectoria que sigue cada bacteria al nadar en la muestra.
Eso sería prácticamente imposible con la microscopía convencional, afirma Lindensmith. Con la microscopía, es necesario enfocar en tiempo real, lo que significa que alguien tendría que girar un mando para acercar o alejar la muestra de las lentes del microscopio con el fin de mantener un microbio concreto enfocado. Durante ese tiempo, se perderían los movimientos de cualquier otro microbio de la muestra, porque la zona de enfoque es muy pequeña.
Todas las ventajas que ofrece el microscopio holográfico frente a la microscopía lo hacen atractivo para estudios en otros lugares del Sistema Solar. Y hay varios mundos que los científicos desean estudiar en detalle para buscar señales de vida. En 2008, a partir de datos del módulo de aterrizaje Phoenix de Marte, los científicos determinaron que hay hielo de agua justo debajo de la superficie en las llanuras septentrionales del Planeta Rojo, lo que convierte esa zona en un candidato para futuros estudios de muestreo. Además, se cree que tanto la luna joviana Europa como la luna saturniana Encélado albergan océanos líquidos bajo sus superficies heladas. Por ello, el grupo SHAMU afirma que un microscopio compacto y robusto como el que desarrolla el equipo de Caltech podría ser un componente muy deseable de un conjunto de instrumentos de un módulo de aterrizaje que se dirija a cualquiera de esos lugares.
Nadeau afirma que el prototipo del grupo funcionó bien durante el viaje de pruebas de campo a Groenlandia. En cada lugar de prueba, los investigadores perforaron un agujero en el hielo marino, sumergieron el microscopio a una profundidad donde parte del agua líquida salada atrapada en el hielo, llamada salmuera, pudiera filtrarse en el área de muestras del dispositivo, y recogieron imágenes holográficas. «Sabemos que hay cosas que viven en el agua y sabemos qué hacen y cómo nadan», afirma Nadeau. «Pero aunque no lo crean, nadie sabía qué tipos de microorganismos viven en la salmuera del hielo marino ni si pueden nadar.»
Esto se debe a que las técnicas habituales para contar, etiquetar y observar microbios dependen de instrumentos frágiles y a menudo requieren grandes cantidades de energía, lo que los hace inutilizables en entornos extremos como el Ártico. Como resultado, «nadie había observado organismos del hielo marino inmediatamente después de su recogida como lo hicimos nosotros», afirma Stephanie Rider, científica de plantilla en Caltech que participó en el viaje a Groenlandia como parte del proyecto. Anteriormente, otros equipos habían recogido muestras y las habían llevado a un laboratorio, donde se almacenaban en un congelador, a veces durante semanas. «¿Quién sabe cuánto se han calentado y enfriado las muestras para cuando alguien las estudia?», dice Rider. «En ese momento, las muestras podrían ser totalmente diferentes.»
Durante el viaje a Groenlandia, el grupo SHAMU logró recoger imágenes que se han utilizado para construir videos de bacterias y algas que viven en la salmuera del hielo marino. También llevaron muestras a un laboratorio en Nuuk, Groenlandia, las calentaron durante la noche y les aportaron medio de cultivo bacteriano, reproduciendo las condiciones estándar en las que se han estudiado en el pasado los microorganismos del hielo marino. Los investigadores comprobaron que, en esas condiciones, «todo empieza a moverse como loco», afirma Nadeau, lo que indica que, para que sean precisas, las observaciones deben realizarse in situ, sobre el hielo, y no después en un laboratorio.
El equipo está especialmente entusiasmado con lo que las mediciones exitosas de Groenlandia podrían significar en el contexto de Marte. «Sabemos por esto que podemos determinar que las cosas están vivas cuando se sacan directamente del hielo», afirma Nadeau. «Si podemos encontrar vida allí, en la Tierra, entonces es posible que también haya vida en bolsas de hielo en Marte. Quizá no haga falta un gran océano líquido para encontrar organismos vivos; existe la posibilidad de que las cosas puedan vivir solo en bolsas de hielo.»
El proyecto SHAMU, de tres años, comenzó en enero de 2014 con financiación de la Fundación Gordon and Betty Moore. En los próximos meses, los ingenieros esperan mejorar la cámara de muestras del microscopio y reducir el tamaño de todo el dispositivo. Creen que tendrán un instrumento listo para su lanzamiento antes de que termine el periodo de financiación.
Como primera prueba en el espacio, les gustaría enviar el instrumento a la Estación Espacial Internacional, no solo para ver cómo se comporta en el espacio, sino también para observar muestras microbianas en condiciones de gravedad cero. Más allá de eso, esperan incluir SHAMU en un módulo de aterrizaje en Marte, como parte de una misión Discovery de la NASA destinada a buscar biofirmas en las llanuras septentrionales heladas de Marte. El equipo de Caltech colabora con Honeybee Robotics, empresa que ha construido taladros y sistemas de muestreo para numerosas misiones de la NASA (incluido el módulo de aterrizaje Phoenix de Marte), para integrar el microscopio holográfico en un taladro que perforaría unos tres pies en el hielo del suelo marciano.
Además de Nadeau, Gharib y Lindensmith, Jody Deming, de la Escuela de Oceanografía de la Universidad de Washington, también forma parte del equipo investigador del proyecto SHAMU.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
Para estar al día con la Agenda, suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autor: Kimm Fesenmaier escribe para Caltech.
Imagen: El planeta Marte, con la región Terra Meridiani, en una imagen de la NASA sin fecha. REUTERS/NASA/Greg Shirah/Handout
