Gambeteando la barrera de difracción

Por Francisco J. Barrantes*.

El Premio Nobel de Química 2014 fue concedido a tres científicos que introdujeron nuevos conceptos en microscopía óptica (de luz) revolucionando este campo de la física y sus aplicaciones, que van desde la observación de la estructura atómica del diamante a descifrar el “nanocosmos” del sistema nervioso en un animal vivo. Aquí intentaré bosquejar a grandes trazos el porqué, el cómo, y el enorme potencial de las aplicaciones de estas nuevas microscopías en Biomedicina y Neurociencias en particular, desde una visión confesadamente personal.

Intentar comprender la comunicación entre neuronas requiere entender cómo funcionan los contactos íntimos entre ellas –las denominadas sinapsis- a nivel molecular. Se pudo acceder al nivel subcelular de la sinapsis hace ya más de 70 años, a través de la microscopía electrónica. Mi director de tesis, Eduardo de Robertis, fue uno de los grandes pioneros en este campo, y quien introdujo la microscopía electrónica en la Argentina. En 1955 descubrió las vesículas sinápticas, pequeñas estructuras de aproximadamente 100 nanómetros que contienen la información que la neurona A le transmite a la neurona B, codificada en forma de sustancias químicas -los neurotransmisores. Desafortunadamente, la microscopía electrónica requiere someter a las células a alto vacío, “fijarlas” en sustancias químicas y cortarlas en láminas ultra-delgadas. Obviamente, esto resulta en la observación de células con altísima resolución espacial… pero muertas.

Los descubrimientos del Nobel de Química 2014 esencialmente conducen a ir un paso más allá de la escala subcelular –adentrándose en el nivel molecular- y, aún más importante, hacerlo en células vivas. En las Neurociencias, esto equivale a poder explorar la sinapsis y su dinámica, así como sus anomalías en enfermedades del sistema nervioso, ambas claves para descifrar los mecanismos que operan en la estructura más compleja de la Naturaleza, el cerebro. A pesar de los avances en tal sentido, aún queda mucho por explicar, particularmente acerca de las raíces moleculares de enfermedades neurológicas como la de Alzheimer o síndromes autísticos, o en enfermedades psiquiátricas como algunas esquizofrenias, en las que tenemos evidencias firmes de alteraciones de la sinapsis (“sinaptopatías”). Las microscopías de superresolución o nanoscopías han comenzado a aportar información muy útil en tal sentido, y prometen aún más.

Estas promesas obedecen al hecho que muchas de las sinaptopatías cursan, a su vez, con alteraciones de las moléculas constitutivas de la sinapsis. Entonces, ¿cuáles están enfermas y qué es lo que está mal en ellas? El primer paso es identificar qué actores están afectados en estas verdaderas tragedias sinápticas, con correlatos clínicos devastadores. Y lo que parece develarse en muchos casos es que se trata de alteraciones de receptores de neurotransmisores, las moléculas proteicas encargadas de “decodificar” el mensaje químico encriptado en el neurotransmisor. Como muchos de ellos son canales iónicos, hablamos de “canalopatías”. El receptor de acetilcolina es uno de los mejor caracterizados, un verdadero paradigma, y sus alteraciones están relacionadas con epilepsias congénitas, miastenia gravis, y muy posiblemente con varias demencias con trastornos cognitivos (incluyendo Alzheimer).

¿Por qué recurrimos a las nanoscopías? Porque estas metodologías son herramientas muy poderosas para dilucidar la organización, estabilidad y dinámica de estos receptores. Cómo se distribuyen, qué los ancla en la sinapsis, qué determina su arreglo grupal en acúmulos, cuando y porqué se disuelven estos acúmulos y retornan las moléculas individuales a deambular hasta volver a “socializar” entre sí… Subyacía, sin embargo, un serio problema. El físico Ernst Abbe formuló en 1873 el concepto de “barrera de difracción”: un sistema de lentes como las empleadas en el microscopio óptico no permiten resolver dos objetos que se encuentren a una distancia menor que la mitad de la longitud de onda con la que se les ilumina. En la práctica, 0,2 millonésimas de metro.

En 1994 el físico alemán Stefan Hell sentó las bases teóricas de una forma de microscopía que podría eliminar el efecto limitante de la difracción. En el año 2000, aplicando estos principios, logró evidencias experimentales que validaron su aplicabilidad en células eucariotas (levaduras), logrando así el by-pass – una verdadera gambeta- de la barrera de difracción de Abbe. Hell bautizó esta variante con el acrónimo “STED” (Stimulated Emission Depletion, en inglés). Un láser ilumina el espécimen en forma de un anillo (o doughnut, rosquilla) estimulando –de hecho forzando- a las moléculas a emitir su fluorescencia en la periferia del haz que “interroga” el espécimen. Mediante esta notable ingeniería, ¡el haz interrogante se angosta a dimensiones nanométricas, superando la barrera de difracción!

Pero, ¿por qué se concedió el Nobel de Química a descubrimientos esencialmente del campo de la Física? Todas las formas de nanoscopía tienen un elemento en común: el uso de fluoróforos, pequeñas moléculas orgánicas –que denominamos “sondas”- con las que etiquetamos los elementos de la célula que queremos estudiar. Esta es la razón más probable por la que este Nobel de Química 2014 de las nuevas microscopías se otorgara en esta disciplina y no en Física.

El Nobel de Química de este año ha producido gran satisfacción en nuestro país: el Dr. Stefan Hell mantiene estrechos contactos con tres grupos argentinos. Uno es el del químico Mariano Bossi (INQUIMAE, Facultad de Ciencias Exactas de la UBA). Mariano contribuyó en forma determinante en el diseño y síntesis de sondas fluorescentes para nanoscopía, y estableció nuevos conceptos en el etiquetado y resolución multicolor de proteínas durante su pasaje postdoctoral por el grupo del Dr. Hell. El otro es el físico Fernando Stefani y sus colaboradores, en el instituto CIBION de Nanociencias en el Polo Científico Tecnológico, quienes han construido dos microscopios de super-resolución, uno de tipo STED. La Academia Nacional de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales acaba de otorgarle al Dr. Stefani el Premio Estímulo a investigadores menores de 40 años -año 2014- en el área Física. Este constituye sin duda el grupo mejor dotado de la Argentina para los desarrollos instrumentales y metodológicos que estas microscopías requerirán en el futuro. Todos los microscopios de superresolución están incorporados al Sistema Nacional de Microscopía del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva.

Personalmente, he tenido la suerte de interactuar con los cuatro premios Nobel que surgieron del Instituto de Biofisicoquímica de Gotinga, y de colaborar en forma directa con tres de ellos durante varios años previos a sus galardones. Con Erwin Neher y Bert Sakmann, premios de Medicina y Fisiología 1991, dirigimos el primer Grupo Joven creado en ese Instituto (1978-1983). Con Stefan Hell nuestro vínculo se inició en 1999, cuando gracias al Premio de Investigación que me otorgara la Fundación Alexander von Humboldt, empezamos a colaborar con el entonces flamante jefe del Grupo de Microscopía Óptica de Alta Resolución. En 2007 publicamos con Stefan el primer trabajo experimental de nanoscopía de un receptor del neurotransmisor acetilcolina mediante STED. Este hallazgo motivó el interés por construir un microscopio de superresolución. Más de diez jóvenes científicos del laboratorio de Stefan Hell visitaron nuestro laboratorio en Bahía, y varios miembros de nuestro grupo reciprocaron el intercambio, cristalizando este esfuerzo en la construcción del primer microscopio de superresolución en Argentina –y de América Latina, en diciembre de 2008.

La microscopía óptica de super-resolución tiene un frente de avanzada en Argentina, y un común agradecimiento a Stefan Hell, uno de sus creadores, y generoso amigo.