Un microscopio electrónico es muy semejante a los instrumentos que muchos estudiantes utilizan en las clases de biología. La gran diferencia es que en lugar de usar luz para iluminar la muestra, utiliza un haz de electrones acelerados. Al igual que la luz, los electrones se comportan como ondas, pero como la longitud de onda de un electrón puede ser hasta 100 000 veces más corta que la de la luz visible, los microscopios electrónicos tienen un gran poder de resolución.

Estos instrumentos pueden distinguir dos objetos que estén a tan solo 0,0000000002 metros de distancia uno del otro. Este poder de resolución permite observar con todo detalle una única célula y su contenido, como sus organelas internas, las membranas y hasta las hebras de ADN. Pero en realidad, con un microscopio electrónico, podríamos ir más allá y ver los átomos que forman una proteína. El problema es que siempre las imágenes a ese nivel de detalle están afectadas por ruido.

El premio Nobel de Química 2017 se otorgó a tres científicos por el desarrollo de la criomicroscopía electrónica, una técnica que no solo elimina el problema del ruido, sino que simplifica y mejora la obtención de imágenes 3D de biomoléculas. Esta técnica ha conducido a avances enormes en el área de la bioquímica, ya que permite, por ejemplo, reconstruir la estructura tridimensional de proteínas a partir de imágenes de microscopía electrónica 2D.

El científico Joachim Frank, uno de los galardonados con el Premio Nobel 2017, desarrolló herramientas informáticas para poder alinear y promediar miles de imágenes muy borrosas de moléculas individuales. Esto ha permitido distinguir detalles en la estructura de muchas proteínas, con resolución atómica, que tiempo atrás eran difíciles de imaginar.

Técnica de análisis de imagen para producir estructuras 3D. Ilustración: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Una técnica clave para entender a los virus

Tal vez uno de los ejemplos más ilustrativos del uso de la criomicroscopía electrónica se da en el estudio de la estructura de los virus. Estos son agentes infecciosos extremadamente pequeños que solo pueden ser observados con un microscopio electrónico. Su estructura es muy simple, ya que constan de dos o tres partes: material genético (ADN o ARN), una cápside proteica que contiene y protege al material genético y, en algunos casos, una cobertura de moléculas denominadas lípidos.

La criomicroscopía electrónica permite reconocer no solo la forma general de los virus sino detalles de su superficie a escala molecular. Este hecho reviste una importancia sin precedentes por cuanto conocer las estructuras moleculares permite anticipar su funcionalidad. De esta manera, es posible entender aspectos clave del ciclo de vida del virus, como son la unión a receptores en la superficie de las células que se infectan, el traspaso de la membrana celular, la replicación, ensamble y salida de las nuevas partículas virales de la célula hospedadora. Este hecho, a su vez, redunda en la posibilidad de generar vacunas o fármacos antivirales de forma eficiente.

Recientemente, los múltiples brotes causados por el virus Zika han permitido asociar la presencia del virus a serios trastornos neurológicos, tales como microcefalia en los recién nacidos. Este virus se transmite a las personas, principalmente a través de la picadura de mosquitos infectados del género Aedes, en las regiones tropicales. Hasta la actualidad, no hay tratamiento para la infección producida por el Zika ni para las enfermedades a las que se asocia. Sin embargo, el año pasado, un grupo de investigadores de Estados Unidos utilizó la criomicroscopía electrónica para obtener la estructura de la cápside del Zika con una sorprendente resolución de 0,00000000031 m. A partir de la comparación de su superficie con la de otros virus de la misma familia, se determinaron zonas de la cápside que son importantes tanto para el diseño de fármacos como para la obtención de una vacuna.

Estructura del virus Zika: el estudio, publicado en la revista Structure, constituye un claro ejemplo de la importancia que reviste la criomicroscopía electrónica en el área de la virología.

Transmission Electron Microscopy

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Cuando la conjunción de saberes da sus frutos

La trayectoria académica y científica de Frank ilustra claramente el alcance y el valor del trabajo multidisciplinar, cuando se hace con rigor. Frank estudió Química, Física y Matemática en su carrera de grado, para luego especializarse en Difracción y Microscopía Electrónica, y en técnicas de procesamiento de imágenes. En una etapa posterior de su carrera, sus esfuerzos se concentraron en resolver problemas de interés biológico; concretamente, en establecer relaciones entre estructura y función en proteínas, ribosomas y motores moleculares.

El exitoso camino recorrido por Frank muestra que las fronteras entre disciplinas son difusas, más bien permeables, si es que no completamente artificiales. En cierto sentido, su historia evoca el perfil multidisciplinar de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UNCuyo y las aspiraciones del nuevo Instituto Interdisciplinario de Ciencias Básicas, unidad de doble dependencia UNCuyo-Conicet.

 

 Microscopía electrónica en Mendoza

Cada vez se es más consciente sobre la importancia de las nanoestructuras en todos los campos de la ciencia y la tecnología. No es de extrañar entonces la relevancia que han adquirido los microscopios para el avance científico y su aplicación en la solución de problemas concretos.

En Argentina, los microscopios más sofisticados pertenecientes a organismos de ciencia y técnica han sido agrupados dentro del Sistema Nacional de Microscopía, de modo que cualquier persona, no importa a qué institución pertenezca, puede sacar turno para usar los más de 130 instrumentos disponibles.

Mendoza tiene una larga tradición en microscopía. El primer microscopio electrónico lo trajo Mario Burgos en 1958 para que fuera instalado en el Instituto de Histología y Embriología de Mendoza dentro de la Facultad de Ciencias Médicas. Actualmente el IHEM es un instituto de investigación de doble dependencia (Universidad Nacional de Cuyo-Conicet) donde se utilizan diversos tipos de microscopios ópticos y electrónicos para abordar temas relevantes dentro del área de las ciencias biomédicas.