Cuando comenzó la emergencia por una cantidad inusualmente alta de casos de microcefalia en Brasil, los científicos examinaron en detalle el virus del Zika con el fin de ver si este era el causante de dicha malformación. Para ello, se requirieron imágenes en tercera dimensión que pudieran mostrar en detalle, molécula por molécula, cómo es la estructura del microorganismo y su manera de actuar.
Los científicos pudieron obtener estas imágenes gracias a la tecnología que este miércoles fue galardonada con el Premio Nobel de Química 2017: la criomicroscopia electrónica.
Esta técnica permite el estudio a fondo de las biomoléculas (también llamadas "moléculas vivas"), dentro de las que pueden destacarse las que conforman diferentes virus, bacterias y proteínas.
Lo anterior no solo permite la comprensión de cómo funcionan dichas moléculas, también da a conocer cuáles son sus potencias y debilidades, lo cual es vital para entender la evolución de una enfermedad o infección y permite la investigación de futuros medicamentos.
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"La microscopia electrónica nos ayuda a trabajar muchísimo a nivel de estructuras muy pequeñas. Podemos, por ejemplo, ver el interior de una célula y observar si hay enfermedades o infecciones por virus, bacterias u hongos", explicó la costarricense Ethel Sánchez, quien trabaja en el Centro de Investigación en Estructuras Microscópicas (Ciemic) de la Universidad de Costa Rica (UCR).
Paula Calderón, investigadora de este centro agregó: "en Costa Rica, gracias a esta técnica se ha logrado el diagnóstico de enfermedades humanas, y en plantas, como en cultivos de café y arroz. Últimamente también se trabaja en el tema de materiales para dispositivos biomédicos".
Este tipo de técnica de lentes microscópicos tiene tres "padres", por lo que el Nobel de Química este año se dividió en tres partes iguales para el suizo Jacques Dubochet, el estadounidense Joachim Frank y el escocés Richard Henderson.
Todos ellos trabajaron desde laboratorios diferentes y eligieron caminos distintos para llegar a esta tecnología, pero sus logros se traducen en grandes avances no solo para la Química, sino que también para el campo médico.
Gracias a este tipo de microscopia los científicos pueden "congelar" las biomoléculas en pleno movimiento para así analizarlas mejor, entender su estructura en tercera dimensión, visualizar sus procesos y ver cómo las moléculas interactúan entre ellas.
Difíciles para dejarse ver
Durante años, la ciencia encontró problemas para el estudio de las proteínas, virus, bacterias y parásitos pequeños. Para entender bien una enfermedad causada por un patógeno o comprender la síntesis de proteínas, los científicos trabajaban prácticamente "a ciegas" y las imágenes que se obtenían, en baja resolución, estaban llenas de "espacios en blanco".
Tener fotografías o imágenes en alta resolución es necesario para entender bien el proceso y buscar soluciones, y las técnicas convencionales de microscopia funcionan muy bien con moléculas "muertas" o inertes (que no son parte de procesos en organismos vivos), pero no permitían ver a detalle las biomoléculas.
En un inicio, la microscopia electrónica tampoco era opción: los rayos electrónicos que se 'disparan' en este tipo de dispositivos destruían la materia biológica; era un "bombardeo" que mataba todas las moléculas.
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Como si fuera poco, los microscopios electrónicos utilizan un aspirador de vacío, lo que deteriora las biomoléculas, ya que el agua a su alrededor se evapora. Al deshidratar las muestras estas pierden sus características y no pueden estudiarse.
Finalmente la solución llegó de la mano de estos tres científicos galardonados. Veamos caso por caso.
Henderson y la 'proteína morada'
Richard Henderson fue el primero en desafiar a la microscopia electrónica y observar imágenes en una proteína en tercera dimensión.
Él trabajó con una proteína color morado llamada bacteriorohodopsina, que se encuentra en las membranas de células relacionadas con la fotosíntesis.
El problema con las proteínas de membrana es que cuando se remueven de esta, se degradan a una masa que pierde sus características y entonces dejan de cumplir con el propósito para su estudio científico. Muchos investigadores intentaron ver esto con otro tipo de microscopios, pero no lo consiguieron.
Entonces, Henderson y su equipo, tomaron la proteína con todo y membrana y la pusieron debajo del microscopio electrónico. Para que la membrana y la proteína se mantuvieran juntas y no se secaran con el aspirador, los investigadores cubrieron la superficie de la membrana con una solución de glucosa. Además, utilizaron una menor carga de electrones.
Esto les permitió tomar fotografías desde diferentes ángulos.
En 1975 se obtuvo la primera imagen en tercera dimensión de la bacteriorohodopsina y en 1990, se logró ver en detalle toda su estructura atómica.
"Había muchas estructuras biológicas que eran resistentes, recalcitrantes con otros métodos de microscopia. El que se pudiera utilizar la microscopia electrónica abrió un campo que, aunque no era nuevo para otros materiales sí era algo que no se había aprovechado para las estructuras biológicas", comentó Henderson en una entrevista con la Fundación Nobel horas después de enterarse de su galardón.
Frank: el modelo matemático
Joachim Frank, por su parte, redefinió la forma en la que se ven estas imágenes utilizando otra técnica que comenzó a trabajar en la década de 1980.
En su experimento, el alemán puso a las proteínas de forma aleatoria en el microscopio electrónico. Cuando los rayos electrónicos impactaban las proteínas, estas dejaban trazos.
Frank desarrolló un modelo matemático para identificar patrones recurrentes en la imagen. Una vez que la computadora registraba miles de casos, el modelo matemático generó una imagen de alta calidad en dos dimensiones, y, con base en esta, se hizo la imagen en tercera dimensión.
"Soy un tipo muy visual. Me gusta mucho la fotografía (de hecho, ha expuesto de forma profesional en varias galerías). Entonces, me fijo en los patrones, en las estructuras. Encuentro fácilmente patrones cada vez que salgo a caminar. Es solo aplicar eso cuando se está en el laboratorio", comentó en entrevista con la Fundación Nobel, con motivo del anuncio de su premio.
Agregó: "por ejemplo, voy a enviarles una imagen que le tomé a mi perrita para que vean el punto tridimensional de la microscopia electrónica. En la fotografía se ve la perra en primer plano, se ve el fondo de la acera, pero también se ven las sombras, incluidas la mía como fotógrafo", explicó.
Dubochet y la transformación del agua en vidrio
El biofísico suizo Jaques Dubochet, tuvo una aproximación muy diferente con la microscopia electrónica.
Él y su equipo buscaron congelar el agua de forma muy rápida para que formara vidrio, en lugar de cristales y esto fortaleciera las biomoléculas de manera que los rayos electrónicos no las destruyeran.
"Si congelas agua se convierte en hielo (o cristal). Lo ideal era congelar el agua e inmovilizar las moléculas, pero, a la vez, mantener la estructura. Necesitábamos al agua 'inmóvil' para que no se evaporara con el aspirador del microscopio. Lo malo es que el agua en esas temperaturas se evapora. La idea fue entonces verificar el material biológico", detalló el especialista.
En 1984 se lograron las primeras imágenes de diferentes virus, todos ellos con distintas formas.
Para el 2013 se logró una resolución de máxima calidad, átomo por átomo, lo que permite apreciar con más precisión cada estructura de la biomolécula.
Los otros premios
El de este miércoles es el tercer Nobel anunciado este año. El premio consiste en nueve millones de coronas suecas (cerca de $1,1 millón de dólares). Cada uno de los tres ganadores recibe una tercera parte.
El martes, tres estadounidenses recibieron el Premio Nobel de Física por haber confirmado una predicción de Einstein: la existencia de ondas gravitacionales, una revolución que nos acerca al corazón del Big Bang y al origen del universo.
El lunes, el Premio Nobel de Medicina fue atribuido a tres genetistas especializados en el estudio del reloj biológico.
Seguirán esta semana los premios Nobel de Literatura (este jueves) y de la Paz (el viernes) y, la semana próxima, el de Economía.