Quan el guardonat Santiago Ramón y Cajal va descobrir que el cervell estava fet de cèl·lules individuals, que anomenem neurones, els microscopis no estaven equipats amb càmeres de fotografiar. Cajal, doncs, a més de ser un científic brillant, dominava l’art de la traça i dibuixava amb gran detall el que veia a través de la lupa del microscopi.
La fascinació per descobrir de què està fet el món que ens envolta no ha disminuït des del descobriment de Cajal. Per aquesta raó, els científics han anat desenvolupant microscopis amb més resolució espacial i temporal.
De quin color són les molècules?
El que Cajal veia pel microscopi no diferia molt de les pel·lícules de Charles Chaplin. En el món microscòpic no existeix el concepte de color, ja que és una propietat que emergeix macroscòpicament. Al mirar per un microscopi tradicional, doncs, la imatge és en blanc i negre, fet que complica la identificació d’estructures i molècules de la mostra.
Però, i si poguéssim etiquetar les molècules que ens interessen? En això, precisament, consisteix en la microscòpia de fluorescència: marcar la molècula que ens interessa amb un anticòs fluorescent de manera que el podem reconèixer en les nostres imatges.
I no només podem etiquetar un tipus de molècula, sinó més d’una i amb varis colors! Per exemple, podem pintar el nucli de les cèl·lules de blau i els mitocondris de verd, de manera que podem distingir diferents estructures en les imatges.
La llum i els colors
I fins on podem veure les molècules? Doncs precisament els microscopis òptics que fem servir utilitzen majoritàriament la llum visible, ja que no és perjudicial pels organismes, a diferència de la llum ultraviolada o els raigs X. La llum, però, és una ona electromagnètica i la longitud de les ones és el que caracteritza el color de la llum. Per exemple, la llum blava és la que té una longitud d’ona d’uns 500nm, és a dir, 0.0000005 m. La llum vermella, en canvi, té una longitud d’ona més gran.
Dins la cèl·lula però, hi ha estructures més petites que 500nm, per exemple les crestes dels mitocondris o els monòmers de miosina. Com podem arribar a veure aquestes estructures?
Una idea seria utilitzar llum amb una longitud d’ona més petita, com la ultraviolada, que és la que ens bronzeja a l’estiu. Però, com podeu deduir, la crema solar no existeix perquè sí. Els raigs UV són cancerígens i perjudicials per les cèl·lules del nostre cos. I més enllà ja trobem els raigs X, els gamma.. que són altament ionitzants. Per tant, si volem veure cèl·lules sanes i vives, només podem utilitzar llum fins al blau.
Tot va començar en un menjador…
A més de la limitació dels colors que podem utilitzar, hi ha un altre problema: la llum que emeten les molècules es difracta, és a dir, que no està concentrada en un sol punt. De totes maneres, això no hauria de ser un gran incovenient perquè podem trobar el centre del focus de llum i d’aquesta manera localitzar la molècula.
Però i si hi ha dos punts de costat molt junts? Llavors la llum que emeten se superposa i ja no els podem distingir. Per exemple, si mirem un arbre de Nadal amb llums de colors des de lluny, veurem tot l’arbre il·luminat i no podrem distingir les boles de nadal individualment.
Eric Betzig era un científic que havia decidit deixar la ciència de costat i dedicar-se a cuidar els seus fills a casa. Un dia, però, se li va encendre la bombeta i se li va acudir una manera de solucionar el problema de la superposició de les llums. Va parlar amb el seu amic Harald Hess i van començar a construir un microscopi al menjador de casa seva.
La brillant idea de Betzig i Hess
La idea consistia en excitar les molècules fluorescents en grups petits, enlloc d’estimular-les totes alhora. Això permetia localitzar les molècules de manera individual, i obtenir una resolució microscòpica 10 vegades més gran que la que existia en aquell moment!
La idea és molt simple. Imagina’t un arbre de Nadal, amb boles brillants. Si hi ha moltes boles de nadal i totes brillen alhora, veurem tot l’arbre il·luminat i no podrem distingir les llums de manera individual. En canvi, si il·luminem els llums de mica en mica, podrem distingir les diferents boles a l’arbre i localitzar-se. I així és com funciona el microscopi que van inventar i pel qual Betzig va rebre el Premi Nobel de Química el 2014.
Meduses i un premi Nobel amb controvèrsia
La dificultat era trobar molècules que no brillessin alhora. Per marcar una molècula fluorescent, s’utilitza una proteïna anomenada proteïna verda fluorescent (GFP per les seves sigles en anglès). Aquesta molècula es va trobar per primera vegada en una medusa fluorescent per Douglas Prasher.
El descobriment de la proteïna brillant va ser guardonat amb un Premi Nobel a tres científics al 2008, però no a Prasher ,que en aquell moment era un conductor de bus, malgrat ser el primer en obtenir-la. El premi va reconèixer la feina dels investigadors que van aconseguir clonar i purificar la molècula GFP, feina que sense el treball de Prasher no haurien pogut fer.
Interruptors fluorescents
El microscopi de Betzig i Hess, doncs, utilitza proteïnes fluorescents per poder identificar les molècules que es volen investigar. Per a què no brillin totes alhora, però, el microscopi utilitza molècules fluorescents foto-activables, és a dir, molècules que es poden activar amb la llum.
Les molècules de la mostra s’exciten de manera individual, de manera que no brillen totes a la vegada. Es realitzen imatges i a partir d’elles es pot reconstruir la imatge final, que presenta un gran detall i permet als científics estudiar les molècules que formen la vida.
Ja per acabar…
Anar més enllà, tant en la petita escala (les molècules) com a gran escala (l’univers) sempre ha estat un dels objectius de l’ésser humà. Si bé aquests dos mons semblen molt distants, els mètodes d’investigació no difereixen tant: jugar amb la llum.
Els telescopis i els microscopis tenen el mateix objectiu, veure el que els nostres ulls a simple vista no poden. Fins fa uns anys era inimaginable que podríem veure les crestes dels mitocondris o els cràters de Plutó. I quin serà el futur?
Per saber-ne més
Nobel Prize in Chemistry 2014 – Microscopia de super-resolució
iBiology – Developing PALM microscopy
Nobel Prize in Chemistry 2008 – Proteïna verda fluorescent
