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Biomedicina

Un nuevo microscopio logra acceder a la bioquímica más pequeña del cuerpo

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Su sensor de diamante revela las reacciones y la composición a un nivel de detalle nunca visto, y a temperatura ambiente. Su potencial es inmenso y podría cambiar la comprensión sobre el organismo

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Teresa Woods
  • 02 Marzo, 2017

Las resonancias magnéticas son uno de los milagros de la ciencia moderna. Generan imágenes en 3D del cuerpo de forma no invasiva mediante inocuos campos magnéticos y ondas de radio. Y gracias a un par de trucos adicionales, también son capaces de revelar detalles de la composición bioquímica de los tejidos.

Este truco bioquímico se llama espectroscopía por resonancia magnética, y es una potente herramienta para médicos e investigadores que estudian la bioquímica del cuerpo como los cambios metabólicos en tumores ubicados en el cerebro y los músculos.

Pero esta técnica no es perfecta. La resolución de la espectroscopía por resonancia magnética está limitada a longitudes de la escala de los 10 micrómetros. Pero hay un mundo de actividad química y biológica a escalas más pequeñas a las que los científicos sencillamente no pueden acceder. Así que les encantaría disponer de un microscopio por resonancia magnética capaz de estudiar los tejidos corporales y las reacciones bioquímicas que se producen en su interior a escalas mucho más pequeñas.

Un equipo de la Universidad de Melbourne (Australia) liderado por el investigador David Simpson afirma haber desarrollado un nuevo microscopio de resonancia magnética con una resolución de tan solo 300 nanómetros. El aparato es capaz de estudiar reacciones bioquímicas a unas escalas inimaginables hasta ahora. Su avance clave es un sensor de diamante exótico que genera imágenes de resonancia magnética de una manera similar al chip CCD fotosensible de una cámara. 

Las imágenes de resonancia magnética se generan al colocar una muestra dentro de un campo magnético tan potente que los núcleos atómicos se alinean; en otras palabras, todos adquieren el mismo espín. Cuando estos núcleos son bombardeados con ondas de radio, se excitan, y cuando se relajan, proceden a emitir sus propias ondas de radio. Al estudiar el patrón de esas ondas de radio es posible averiguar de dónde proceden para elaborar una imagen de la muestra.

Las señales también revelan cómo los átomos se enlazan entre sí y cómo interactúan con los procesos bioquímicos en curso. Pero la resolución de esta técnica está limitada por la cercanía entre el receptor de radio y la muestra.

Aquí es donde entra el equipo de Simpson, que ha desarrollado un nuevo tipo de sensor de resonancia magnética a partir de una película de diamante. Su ingrediente secreto es una serie de átomos de nitrógeno incrustados en una película de diamante a una profundidad de unos siete nanómetros y con unos 10 nanómetros de espacio entre ellos.

La utilidad de los átomos de nitrógeno estriba en que cuando están dentro de un diamante adquieren fluorescencia. Y cuando se encuentran dentro de un campo magnético, el color que generan depende del espín de los átomos y electrones cercanos o, en otras palabras, varía en función del entorno bioquímico local.

Así que en la nueva máquina, el equipo de Simpson coloca su muestra encima del sensor de diamante, dentro de un potente campo magnético, y la bombardean de ondas de radio. Cualquier cambio del estado de los núcleos cercanos provoca que el nitrógeno emita varios colores fluorescentes. Y el conjunto de átomos de nitrógeno genera una especie de imagen, al igual que un chip CCD fotosensible. Lo único que hace el equipo de Simpson es observar este espectáculo de fuegos artificiales para saber qué está pasando.

Para probar la nueva técnica, el equipo de Simpson estudió el comportamiento de complejos de hexaacuocobre (II) en una solución acuosa. El hexaacuocobre está presente en muchas enzimas que lo utilizan para incorporar cobre en metaloproteínas. Sin embargo, la distribución de cobre durante este proceso, y por tanto su papel en la señalización celular, aún no se entiende bien porque es imposible visualizarlo in vivo

El equipo de Simpson demuestra que su técnica ahora sí lo permite, y la denominan microscopía cuántica por resonancia magnética. Su nuevo sensor puede revelar la distribución espacial de iones de cobre (II) en volúmenes de tan solo un par de attolitros (la trillonésima parte de un litro) y a una resolución alta. La investigación detalla: "Demostramos la resolución de imágenes al límite de difracción  (~300 nanómetros) con sensibilidades de espín del rango de zeptomoles (la miltrillonésima parte de un mol)". Además, la técnica también permite saber las reacciones redox que experimentan los iones. Y todo esto se hace a temperatura ambiente.

Es un trabajo impresionante que tiene importantes implicaciones para el estudio de la bioquímica. "La investigación demuestra que los sistemas de detección cuántica pueden acomodar el fluctuante entorno browniano de sistemas químicos 'reales' y las fluctuaciones inherentes al entorno del espín de iones que experimentan un reordenamiento de ligandos", afirma el equipo de Simpson.

Esta capacidad lo convierte en una potente herramienta que podría cambiar nuestra comprensión de los procesos biológicos. El equipo de Simpson se muestra optimista respecto a su potencial. "La microscopía cuántica por resonancia magnética resulta ideal para investigar la bioquímica básica a nanoescala, como los procesos de unión en membranas celulares y la concentración intracelular de metales de transición en el periplasma de células procarióticas". 

Ref: arxiv.org/abs/1702.04418: Quantum Magnetic Resonance Microscopy 

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