En la pantalla de un televisor ubicado en el medio de un laboratorio api\u00f1ado de l\u00e1seres, microscopios y computadoras, es posible ver un un gl\u00f3bulo rojo de la sangre siendo estirado, y hasta un par\u00e1sito vivo: el protozoario Leishmania amazonensis, que provoca una enfermedad llamada leishmaniasis, debati\u00e9ndose para escapar de una trampa invisible que le impide de seguir movi\u00e9ndose en una placa de cultivo de microorganismos. Eso que\u00a0 estira hemat\u00edes y sujeta al microorganismo unicelular son los haces invisibles de l\u00e1ser, que trabajan como si fueran pinzas \u00f3pticas. Un aparato montado en el Instituto de F\u00edsica Gleb Wataghin (IFGW) de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) usa estas pinzas en un trabajo que se encuentra en desarrollo desde comienzos de la d\u00e9cada de 1990. La m\u00e1s reciente innovaci\u00f3n del Laboratorio de Aplicaciones Biom\u00e9dicas de L\u00e1seres del instituto consisti\u00f3 en unir la pinza \u00f3ptica con un sistema de espectroscop\u00eda para el an\u00e1lisis de prote\u00ednas, l\u00edpidos, amino\u00e1cidos, calcio y otras sustancias qu\u00edmicas existentes en c\u00e9lulas y microorganismos. Todo ello como si fuera una pel\u00edcula y con los an\u00e1lisis realiz\u00e1ndose en tiempo real en los organismos vivos capturados y movi\u00e9ndose.<\/p>\n
La diferencia con los sistemas actuales de espectroscop\u00eda es comparable a una fotograf\u00eda que congela un determinado momento, mientras que la pel\u00edcula muestra el proceso a lo largo de un determinado tiempo. “Nuestra intenci\u00f3n fue juntar la pinza \u00f3ptica, los l\u00e1seres y la espectroscop\u00eda para que varios tipos de an\u00e1lisis se realicen de manera simult\u00e1nea sin destruir el material analizado”, dice Carlos Lenz Cesar, coordinador del grupo que desarrolla las pinzas \u00f3pticas. Cesar descubri\u00f3 la pinza \u00f3ptica de la mano de su creador, el f\u00edsico Arthur Ashkin, cuando hacia su posdoctorado en los laboratorios Bell, de la empresa de telecomunicaciones AT&T, entre 1988 y 1990, en Estados Unidos. Los trabajos con trampas \u00f3pticas empezaron a comienzos de los a\u00f1os 1970. Al principio, Ashkin usaba el l\u00e1ser para mover y estudiar part\u00edculas s\u00f3lidas, primero con microesferas de l\u00e1tex y despu\u00e9s con \u00e1tomos. Los primeros estudios con material biol\u00f3gico\u00a0 nivel celular tambi\u00e9n fueron llevados a cabo por Ashkin con la bacteria Escherichia coli y con hemat\u00edes y publicados en 1987 en la revista Nature.<\/p>\n
El sistema de espectroscop\u00eda complementa con su capacidad de microan\u00e1lisis las propiedades mec\u00e1nicas para manipular microorganismos y c\u00e9lulas vivas inherentes\u00a0 a la pinza \u00f3ptica. De esta manera, la fuerza de adherencia entre un par\u00e1sito y la superficie de una c\u00e9lula en el preciso momento de la infecci\u00f3n puede observarse tanto desde el punto de vista mec\u00e1nico como desde la \u00f3ptica bioqu\u00edmica. Otros ejemplos de medidas mec\u00e1nicas con pinzas \u00f3pticas son el an\u00e1lisis de fuerzas de impulso de los microorganismos, la viscosidad de los fluidos y la elasticidad de las membranas celulares.<\/p>\n
El trabajo de uni\u00f3n de la espectroscop\u00eda con la pinza \u00f3ptica form\u00f3 parte de la tesis doctoral de la f\u00edsica Adriana Fontes, y fue aceptado para su publicaci\u00f3n en la revista Physical Review E. El trabajo tambi\u00e9n rindi\u00f3 un premio al mejor p\u00f3ster presentado en el Congreso Photonics West, en Estados Unidos, que junt\u00f3 en enero de este a\u00f1o a 15 mil participantes de las \u00e1reas de fot\u00f3nica y biofot\u00f3nica. Adriana, actualmente posdoctoranda del IFGW, trabaja hace ocho a\u00f1os, desde la \u00e9poca de su iniciaci\u00f3n cient\u00edfica, con l\u00e1seres en el mismo laboratorio, y est\u00e1 vinculada, al igual que todo el equipo del profeor Lenz, al Centro de Investigaci\u00f3n en \u00d3ptica y Fot\u00f3nica, uno de los diez Centros de Investigaci\u00f3n, Innovaci\u00f3n y Difusi\u00f3n (Cepid, sigla en portugu\u00e9s) financiados por la FAPESP.<\/p>\n
En la pr\u00e1ctica, los investigadores unieron un microscopio \u00f3ptico convencional, que posee una c\u00e1mara de video acoplada y se usa para observar\u00a0 microorganismos, con un espectr\u00f3metro instalado junto a este instrumento cl\u00e1sico de laboratorio. La pinza consiste en un haz de l\u00e1ser focalizado por el objetivo en un punto de la imagen. Por la pantalla del monitor es posible observar part\u00edculas al ser aprisionadas en el foco del l\u00e1ser y movidas con gran precisi\u00f3n, sin da\u00f1os celulares. El haz de l\u00e1ser es invisible, y opera en el infrarrojo, pecisamente para evitar la absorci\u00f3n de la luz y la producci\u00f3n de calor, que causar\u00eda da\u00f1os t\u00e9rmicos. El l\u00e1ser empleado como pinza en el IFGW fue fabricado a base de neodimio, uno de los elementos conocidos con el nombre de tierras raras, cuya luz es emitida en la longitud de onda de 1.064 nan\u00f3metros (nm). Por otra parte, la absorci\u00f3n es necesaria cuando lo que se desea es destruir corp\u00fasculos o perforar paredes celulares con un bistur\u00ed \u00f3ptico. En este caso, los investigadores utilizan otro l\u00e1ser a base neodimio con luz emitida en la mitad de la longitud de onda del infrarrojo, 532 nm, que afecta a\u00a0 la c\u00e9lula \u00fanicamente en la zona deseada.<\/p>\n
Al comportarse como una part\u00edcula, la luz transfiere el impulso siempre que el haz luminoso es desviado o absorbido, permitiendo que un cono de rayos de luz capture otra part\u00edcula. Albert Einstein descubri\u00f3 este comportamiento de la luz en 1905 en el estudio sobre el efecto fotoel\u00e9ctrico. Einstein design\u00f3 a estas part\u00edculas luminosas con el nombre fotones (del griego photos, luz) y demostr\u00f3 que las mismas transportan energ\u00eda, adem\u00e1s de impulso. Con este trabajo Einstein gan\u00f3 el Premio Nobel en 1921, y no por la famosa teor\u00eda de la relatividad.<\/p>\n
Las fuerzas generadas por esta trampa \u00f3ptica son muy peque\u00f1as. Una excelente pinza \u00f3ptica es capaz de generar fuerzas con valores m\u00e1ximos en alrededor de 200 picoNewtons (pN), equivalente a la milmillon\u00e9sima parte de un kilo. En estas dimensiones, las pinzas \u00f3pticas son capaces de capturar part\u00edculas de tama\u00f1os que van desde los 40 \u00f3 50 nan\u00f3metros (un nan\u00f3metro es un mil\u00edmetro dividido por un mill\u00f3n de veces) hasta los 20 \u00f3 30 micr\u00f3metros (un micr\u00f3metro es igual a un mil\u00edmetro dividido por mil). Para capturar un microorganismo vivo, con fuerza motora propia e intentando escapar de la trampa, una pinza debe ser capaz de suministrar de m\u00ednima fuerzas de 50 pN. Una excelente prueba de la calidad de una pinza \u00f3ptica consiste en demostrar que \u00e9sta es capaz de capturar a un espermatozoide vivo. Aunque estas fuerzas \u00f3pticas son muy peque\u00f1as, son de la misma magnitud que las fuerzas que act\u00faan en las c\u00e9lulas y en los microorganismos. Por eso, la pinza \u00f3ptica es la herramienta ideal para medir intensidades de fuerzas, al margen otras propiedades mec\u00e1nicas, en el universo microsc\u00f3pico.<\/p>\n
En el \u00e1mbito de la espectroscopia, el trabajo se realiz\u00f3 con varias t\u00e9cnicas, pero siempre con el mismo objetivo de descubrir las “firmas” o “impresiones digitales” que cada sustancia o mol\u00e9cula emite cuando interact\u00faa con la luz. Una de estas firmas es el resultado de las vibraciones moleculares, cuya frecuencia depende de las masas y de las fuerzas existentes entre los \u00e1tomos de una mol\u00e9cula. El resultado es un espectro en el cual se observa la intensidad de las ondas electromagn\u00e9ticas emitidas en cada frecuencia. “Descubrimos la presencia de una determinada mol\u00e9cula a trav\u00e9s del pico de intensidad de su frecuencia de vibraci\u00f3n”, dice Lenz.<\/p>\n
Las vibraciones visibles La luz que es dispersa por los procesos de espectroscop\u00eda es a su vez capturada en el mismo lente objetivo de la pinza \u00f3ptica, y enviada al espectr\u00f3metro, donde se la descompone y se la analiza para descubrir las vibraciones moleculares. “De esta manera, sabemos cu\u00e1les son las mol\u00e9culas que est\u00e1n en aquella c\u00e9lula o ser vivo”, dice Adriana. “Es una informaci\u00f3n qu\u00edmica”. Con este sistema es posible recolectar los espectros de un par\u00e1sito, como el protozoario Leishmania, por ejemplo, mientras que la pinza \u00f3ptica lo mantiene sujeto en una misma posici\u00f3n, pero vivo y movi\u00e9ndose. Tambi\u00e9n ser\u00eda posible seguir modificaciones bioqu\u00edmicas que ocurran cuando otra pinza lo acerque a la c\u00e9lula que pretende infectar.<\/p>\n Para espectroscop\u00edas de un fot\u00f3n, como Raman, los investigadores utilizaron un l\u00e1ser continuo de titanio zafiro, cuya emisi\u00f3n puede seleccionarse en la regi\u00f3n del infrarrojo entre 780 y 1.000 nm. En tanto para las espectroscop\u00edas multifotones, se valieron de un l\u00e1ser de titanio zafiro con pulsos de duraci\u00f3n muy corta: 100 femtosegundos (fs), el tiempo necesario para que la luz recorra una distancia de apenas un tercio del di\u00e1metro de un cabello. Un femtosegundo es igual a un segundo dividido por un trill\u00f3n de veces.<\/p>\n Otra firma de mol\u00e9culas muy utilizada es la fluorescencia, un proceso mediante el cual ciertas mol\u00e9culas emiten una luz t\u00edpica cuando se las ilumina con fotones con mayor energ\u00eda que los fotones emitidos. Sin embargo, como son pocas las sustancias con fluorescencia eficiente, suele emplearse la introducci\u00f3n de colorantes en calidad de marcadores. “El problema es que estos colorantes tienden a ser t\u00f3xicos, o citot\u00f3xicos, y a emitir luz por poco tiempo, debido a la fotodegradaci\u00f3n”, dice Adriana. Una soluci\u00f3n a estos problemas es el llamado punto cu\u00e1ntico, o quantum dot, nanocristales de semiconductores, como el\u00a0 sulfuro, el selenuro y telururo de cadmio, indicados en aplicaciones biol\u00f3gicas. La mayor ventaja del punto cu\u00e1ntico con relaci\u00f3n a los colorantes es su gran fotoestabilidad, que permite la obtenci\u00f3n de im\u00e1genes durante horas seguidas sobre iluminaci\u00f3n intensa. Asimismo, tiene citotoxicidad muy baja. Otra gran ventaja es que el tama\u00f1o del punto cu\u00e1ntico controla el color de la fluorescencia que \u00e9ste emite. Es posible obtener fluorescencia con base en puntos cu\u00e1nticos de telururo de cadmio en azul, verde, amarillo y rojo, por ejemplo, con variaciones en su di\u00e1metro entre 1 y 5 nan\u00f3metros.<\/p>\n El grupo de la Unicamp produjo puntos cu\u00e1nticos desde 1989, pero en vidrios, con miras al desarrollo de dispositivos ultrarr\u00e1pidos para comunicaciones \u00f3pticas. El trabajo con puntos cu\u00e1nticos en soluciones empez\u00f3 en la Unicamp en 1999, en un principio para efectuar una comparaci\u00f3n con puntos cu\u00e1nticos producidos en vidrio y, simult\u00e1neamente, en el Departamento de Qu\u00edmica de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE).<\/p>\n Un estudio amplio La integraci\u00f3n de la pinza \u00f3ptica con espectroscop\u00edas de uno o m\u00e1s fotones y con el uso de puntos cu\u00e1nticos como marcadores unifica casi todas las t\u00e9cnicas m\u00e1s modernas de biofot\u00f3nica en un s\u00f3lo sistema, y abre a su vez varios nuevos campos de investigaci\u00f3n. “Es un mar de posibilidades”, dice Lenz. “Son procesos biol\u00f3gicos que pueden observarse mediante el manipuleo de nivel celular. Un investigador estadounidense, por ejemplo, obtuvo un financiamiento de casi un mill\u00f3n de d\u00f3lares para auxiliar a una industria de l\u00e1cteos en la determinaci\u00f3n, mediante el empleo de una pinza \u00f3ptica, de las fuerzas mediante las cuales bacterias existentes en la leche se unen e a las paredes de envases tipo larga vida y cu\u00e1nto tiempo permanecen all\u00ed. Con el sistema integrado es posible observar, adem\u00e1s de las fuerzas, qu\u00e9 las sustancias se liberan en la leche”. Y todo eso sin matar a la bacteria o destruir las sustancias que se desea estudiar.<\/p>\n El Proyecto
\n<\/strong> Como los materiales biol\u00f3gicos poseen muchas mol\u00e9culas que, a su vez, presentan muchos picos, la identificaci\u00f3n de las sustancias se lleva a cabo por medio de una comparaci\u00f3n con una biblioteca de espectros. “Estas vibraciones moleculares tambi\u00e9n aparecen como una modulaci\u00f3n en un haz disperso de luz visible y puede detectarse por medio de la llamada espectroscop\u00eda Raman”. \u00c9sta consiste en un proceso de dispersi\u00f3n con un fot\u00f3n incidente y un fot\u00f3n disperso, pero tambi\u00e9n es posible que se den procesos con dos fotones incidentes y un fot\u00f3n disperso, llamados dispersiones o espectroscop\u00eda hiper Rayleigh. Procesos multifot\u00f3nicos como \u00e9stos solamente existen en caso de que todos los fotones involucrados entren en colisi\u00f3n con la misma part\u00edcula al mismo tiempo. Por eso estos procesos requieren de l\u00e1seres pulsados, donde los fotones se emiten al mismo tiempo, en lugar de la emisi\u00f3n constante de fotones de los l\u00e1seres continuos.<\/p>\n
\n<\/strong> Actualmente, los trabajos cient\u00edficos y acad\u00e9micos desembocaron en una colaboraci\u00f3n m\u00e1s amplia con la UFPE, y en el IFGW trabajan los profesores Lenz y Luiz Carlos Barbosa, adem\u00e1s de Selma Giorgio, de Biolog\u00eda, y Sara Saad y Fernando Costa, del Hemocentro, todos de la Unicamp. En la UFPE participan Ricardo Ferreira y Gilberto S\u00e1, del Departamento de Qu\u00edmica Fundamental, Beate Santos, de Farmacia, y Patr\u00edcia Farias, de Biof\u00edsica. Tambi\u00e9n colaboran los docentes Vivaldo Moura Neto y Jane Amaral, del Departamento de Anatom\u00eda de la Universidad Federal de R\u00edo de Janeiro (UFRJ). La colaboraci\u00f3n con la UFRJ comprende estudios con neuronas y neuroglias, que son c\u00e9lulas del cerebro, mientras que los estudios con el protozoario Leishmania amazonensis se llevan adelante en conjunto con el Instituto de Biolog\u00eda de la Unicamp. Las aplicaciones de las pinzas \u00f3pticas en la Unicamp se iniciaron en colaboraci\u00f3n con el Centro de Hematolog\u00eda, con el equipo de la m\u00e9dica Sara Saad, para caracterizar las propiedades mec\u00e1nicas de los hemat\u00edes, relacion\u00e1ndolas con enfermedades tales como la anemia falciforme, y con el tiempo de almacenaje en bancos de sangre (lea en Pesquisa FAPESP n\u00ba 58).<\/p>\n
\n<\/strong>Las pinzas \u00f3pticas y la espectroscop\u00eda
\nModalidad
\n<\/em><\/strong>Centros de Investigaci\u00f3n, Innovaci\u00f3n y Difusi\u00f3n (Cepid, por su sigla en portugu\u00e9s)
\nCoordinador
\n<\/em><\/strong>Hugo Fragnito – IFGW, Centro de Investigaci\u00f3n en \u00d3ptica y Fot\u00f3nica (CePof) de la Unicamp
\nInversi\u00f3n
\n<\/strong><\/em>1.000.000,00 de reales anuales para todo el CePof (FAPESP)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Cient\u00edficos emplean una pinza \u00f3ptica y espectroscop\u00eda para facilitar los estudios en c\u00e9lulas vivas","protected":false},"author":10,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[192],"tags":[],"coauthors":[97],"class_list":["post-80350","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-tecnologia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/80350","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/10"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=80350"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/80350\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=80350"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=80350"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=80350"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=80350"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}