Con la luz en el nanomundo: cómo los microscopios ópticos permiten investigar en detalle las nanopartículas
El objetivo: el desarrollo de nuevas nanopartículas para aplicaciones biomédicas.
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Es como intentar escanear un disco de vinilo con un martillo: En realidad, la luz es demasiado "gruesa" para obtener imágenes de pequeñas partículas a escala nanométrica. Sin embargo, en su proyecto "Supercol" -financiado por la Unión Europea- los científicos quieren conseguir precisamente eso: Investigar nanopartículas con luz. Para hacerlo posible, combinan métodos galardonados con el Premio Nobel con modernos procesos informáticos. El objetivo: el desarrollo de nuevas nanopartículas para aplicaciones biomédicas.
Mediante una combinación de microscopía de superresolución y microscopía electrónica, los científicos pueden ahora determinar con mucha más precisión la posición de las moléculas en la superficie de las nanopartículas. En el futuro, esto podría permitir nuevas aplicaciones biomédicas.
Max-Planck-Institut für Polymerforschung
Las nanopartículas -es decir, pequeñas partículas con un tamaño comprendido entre unas decenas y centenares de milmillonésimas de metro- constituyen un campo de investigación muy amplio. Por ejemplo, hacen posibles las últimas aplicaciones biomédicas al actuar como una especie de contenedor para transportar principios activos hasta su objetivo. En el mejor de los casos, sus superficies están "funcionalizadas", es decir, provistas de una pieza de rompecabezas molecular que les permite acoplarse únicamente a las células diana deseadas del organismo.
Sin embargo, estudiar estas partículas y las moléculas de su superficie es difícil: la luz es básicamente demasiado "gruesa" para obtener imágenes de estas partículas en un microscopio óptico normal. La luz visible en el rango de UV a infrarrojos puede resolver como mucho partículas con un tamaño de 200 nanómetros -200 milmillonésimas partes de un metro-. Demasiado grandes para determinar, por ejemplo, dónde se asienta una pieza de un rompecabezas molecular en su superficie o para determinar su número.
"Es algo así como intentar escuchar un disco con un martillo, cuando lo que realmente necesitas es una aguja", explica Ingo Lieberwirth, jefe de grupo del departamento de Katharina Landfester en el Instituto Max-Planck para la Investigación de Polímeros. Lieberwirth dirige el grupo de "Microscopía electrónica" y, por tanto, sabe que "los microscopios electrónicos pueden obtener buenas imágenes de esas partículas, pero también existe un gran riesgo de que los electrones utilizados dañen las moléculas acopladas".
Hacia una mayor resolución
Por ello, los investigadores utilizaron un método que les valió el Premio Nobel de Química de 2014: En lo que se conoce como "microscopía de superresolución", se utilizan pequeñas partículas fluorescentes -llamadas fluoróforos- que, en el caso de las nanopartículas, se acoplan a moléculas en su superficie. Estos fluoróforos tienen la propiedad de parpadear estadísticamente en un microscopio. La posición de esta señal parpadeante puede detectarse con mucha más precisión de lo que sería posible con la microscopía óptica convencional.
"Piénselo como si dos personas estuvieran una al lado de la otra en una montaña oscura y apuntaran con sus linternas en la misma dirección", explica Lieberwirth. "Si ambas brillan al mismo tiempo, es difícil darse cuenta de que hay dos linternas. Pero cuando parpadea, la diferencia de posición es mucho más clara".
Utilizar la potencia del ordenador para llegar a la verdad
Sin embargo, la imagen de la nanopartícula obtenida de este modo es sólo la mitad de la verdad: las nanopartículas tienen propiedades que pueden distorsionar esta imagen; por ejemplo, fenómenos de resonancia que hacen que también brille parte de la nanopartícula, y no sólo el fluoróforo. Por ello, los científicos analizaron las nanopartículas mediante microscopía electrónica y microscopía óptica de superresolución. Mientras que la microscopía electrónica proporciona la posición "real" de la molécula acoplada, los efectos físicos del microscopio óptico provocan un desplazamiento. Ahora, un programa informático correlaciona ambas imágenes y permite predecir la posición real a partir de la imagen del microscopio óptico.
Los investigadores esperan ahora utilizar su método para estudiar nanopartículas en el microscopio óptico, que ofrece resultados más rápidos y no destruye las partículas. Esto permitirá estudiar las nanopartículas de forma más precisa y exhaustiva en el futuro, lo que dará lugar a nuevas aplicaciones biomédicas.
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