Avanzan en el desarrollo de una herramienta que permite visualizar estructuras y movimientos nanométricos

El equipo dirigido por el científico Fernando Stefani, investigador del CONICET y director del Centro de Investigaciones en Bionanociencias “Elizabeth Jares Erijman” (CIBION, CONICET), se especializa en el desarrollo y aplicación de nuevos métodos ópticos para visualizar estructuras y movimientos nanométricos. En 2021, junto a colaboradores de Alemania dirigidos por Philip Tinnefeld, profesor de la Universidad Ludwig Maximilians de Munich, presentaron en la revista Nano Letters el perfeccionamiento de una herramienta capaz de determinar la posición de moléculas fluorescentes con una precisión sin precedentes, conocida como MINFLUX, al llevarla a la máxima velocidad usando pulsos láser intercalados. Stefani ya había participado del desarrollo de MINFLUX, junto con el Premio Nobel de Química Stefan Hell, que fue presentada y descripta en un artículo publicado en la prestigiosa revista Science a fines de 2016. Ahora, el científico del CONICET, junto con el equipo de Tinnefeld, presentaron en la revista Nature Photonics una serie de experimentos con MINFLUX por pulsos intercalados (pMINFLUX) que redefinen los límites conocidos y abren nuevas perspectivas para el estudio de movimientos a nivel nanométrico y molecular.

La escala nanométrica implica dimensiones extremadamente pequeñas, medidas en nanómetros (nm), donde un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro. Para tomar noción, un cabello humano tiene un diámetro que puede variar entre unos 20.000 a 180.000 nm. Un glóbulo rojo tiene un diámetro de 8000 nm., mientras que una bacteria mide unos 2000 nm. Trabajar en el ámbito nanométrico permite explorar y manipular estructuras muy pequeñas.

“Sabíamos que pMINFLUX funciona extremadamente bien para seguir el movimiento de moléculas individuales. Esto es muy importante porque nos permite observar trayectorias y estudiar el funcionamiento de células biológicas y de nano-máquinas sintéticas. Lo que se logró demostrar en este último trabajo es que pMINFLUX permite seguir dos moléculas a la vez con la misma precisión nanométrica. Esto abre la puerta a monitorear interacciones entre moléculas, lo cual es importantísimo en biomedicina. Otro avance clave que se demuestra es la capacidad de ubicar una molécula que absorbe luz, pero que no emite. Hay una amplia variedad de aplicaciones en donde estas capacidades se pueden usar para obtener nueva información; nosotros nos vamos a enfocar en las aplicaciones biológicas”, advierte Stefani.

La colaboración incluyó el uso de sistemas nanométricos artificiales basados en la tecnología conocida como origami de ADN, campo en el que Tinnefeld es experto. Los origami de ADN son estructuras sintéticas que se forman automáticamente por ensamblado de cadenas cortas de ADN con secuencias previamente diseñadas para plegar una cadena larga de ADN formando geometrías específicas, algo análogo al arte tradicional del origami. Estas estructuras de ADN creadas artificialmente actúan como “nanomaquetas” que permiten a los científicos estudiar y manipular fenómenos a escala nanométrica. Mediante el uso de origamis de ADN de geometrías conocidas es posible probar el desempeño de microscopios de superresolución. Al mismo tiempo, los métodos de alta resolución espacial y temporal, como pMINFLUX, son una herramienta clave para caracterizar nuevos origami de ADN, incluso aquellos dinámicos que presentan movimientos controlados en escala nanométrica. Varias de estas “nanomáquinas” de ADN fueron caracterizadas con pMINFLUX en el trabajo publicado en Nature Photonics.

El director del CIBION destacó que “los origami de ADN son una tecnología maravillosa”, que puede ser diseñada para “ejecutar movimientos controlados de unos pocos nanómetros”. “En este trabajo pudimos ver cómo uno de estos origami mueve un ‘bracito de ADN’ entre posiciones separadas por tan sólo 10 nanómetros, y pudimos seguir ese movimiento en tiempo real”, resaltó el investigador.

Hacia el futuro de la medicina

Stefani explicó que se está adaptando el pMINFLUX del CIBION para aplicarlo en células vivas y observar sus movimientos internos con una resolución que antes era imposible. En eso trabajan la becaria doctoral Florencia Choque, Lucía Lopez y Alan Szalai, integrantes del grupo de nanofísica aplicada que dirige Stefani. Un ejemplo de aplicación es el que se trabaja en colaboración con el Instituto de Investigación de Biomedicina de Buenos Aires (IBIOBA, CONICET-MPSP), para medir con máxima resolución espacio-temporal el transporte axonal. Los axones forman parte de las neuronas y pueden medir varios metros. Para crecer y sostener su funcionamiento de forma correcta, las neuronas tienen una maquinaria molecular que les permite transportar materiales de una punta a la otra. Estos envíos se hacen a través de unas proteínas motoras.

Stefani planteó que contar con pMINFLUX s representa una gran oportunidad: “Vamos a poder estudiar el transporte axonal con una resolución espacial de un nanómetro o menos y con una resolución temporal que puede llegar a los microsegundos. Esa combinación no se puede alcanzar con otros métodos. Junto al grupo del investigador Tomás Flazone, del IBIOBA, queremos observar el transporte axonal en neuronas sanas y en otras que presentan alguna modificación genética asociada a enfermedades neurodegenerativas. Estas afecciones se concretan luego de décadas, sus mecanismos son sutiles y requieren de observaciones con alta resolución y precisión para descifrarlos”. Esta investigación puede permitir establecer un vínculo directo entre mutaciones y mecanismos que producen la enfermedad, lo cual es clave para diseñar posibles terapias.

Si bien el CIBION se plantea utilizar estas herramientas de visualización sobre sistemas biológicos, también pueden ser usadas en medios inorgánicos. Por ejemplo, es posible observar cómo se difunden las moléculas por poros nanométricos y así revelar la estructura y conectividad de materiales nanoporosos sintéticos, y también naturales, como son las rocas de los reservorios no convencionales de petróleo (shale oil).