HERRAMIENTAS DE LUZ ESPECIAL Herramientas De Luz

ESPECIAL

HERRAMIENTAS DE LUZ ESPECIAL Herramientas de luz

CONTENIDO

Una selección de nuestros mejores artículos sobre las pinzas ópticas y los pulsos ultracortos, dos inventos que han marcado un antes y un después en las aplicaciones del láser.

Tijeras y pinzas de láser Láser de pulsos ultracortos Michael Berns John-Mark Hopkins y Wilson Sibbett Investigación y Ciencia, junio 1998 Investigación y Ciencia, noviembre 2000 Enfriamiento y El láser de rayos X definitivo confinamiento de átomos Nora Berrah y Philip Bucksbaum Investigación y Ciencia, marzo 2014 William Phillips Investigación y Ciencia, mayo 1987 Un nuevo microscopio Trampa láser para de rayos X partículas neutras Alejandro Turpin y Anotnio Picón Investigación y Ciencia, septiembre 2016 Steven Chu Investigación y Ciencia, abril 1992 Filmar el movimiento Rayos láser tractores de las moléculas Juan José Sanz Petra Fromme y John Spence Investigación y Ciencia, abril 2013 Investigación y Ciencia, julio 2017 Luz extrema Electrónica con pulsos de luz Gérard Mourou y Donald Umstadter Martin Schultze y Ferenc Krausz Investigación y Ciencia, julio 2002 Investigación y Ciencia, mayo 2015

EDITA Prensa Científica, S.A. Muntaner, 339 pral. 1a, 08021 Barcelona (España) [email protected] www.investigacionyciencia.es Copyright © Prensa Científica, S.A. y Scientific American, una división de Nature America, Inc. ESPECIAL n.o 37 ISSN: 2385-5657 En portada: iStock/Raycat | Imagen superior: iStock/fotojog Takaaki Kajita Angus Deaton Paul Modrich Arthur B. McDonald Shuji Nakamura May-Britt Moser Edvard I. Moser Michael Levitt James E. Rothman Martin KarplusMÁS David DE J. 100 Wineland PREMIOS Serge Haroche NÓBEL J. B. Gurdon Adam G.han Riess explicado André K. Geim sus hallazgos Carol W. Greider en Jack W. Szostak E. H. Blackburn W. S. Boyle Yoichiro Nambu Luc MontagnierInvestigación Mario R. Capecchi y Ciencia Eric Maskin Roger D. Kornberg John Hall Theodor W. Hänsch Richard Axel Frank Wilczek Riccardo Giacconi Daniel Kahneman

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Michael W. Berns

CONCEPTOS BASICOS

n Los haces de láser inducen efectos foto- químicos en las células, sus orgánulos o sus cromosomas. Una focalización e intensidad controladas permiten emplear el láser a modo de “tijeras” que rompen enlaces moleculares, cortan o calientan partes concretas de la célula.

n Las “pinzas ópticas” se basan en los procesos de refracción que experi- menta un haz al atravesar una diana orgánica transparente a la luz del láser. Con tales dispositivos logran manipularse células y cromosomas individuales sin provocar daños.

4 1. MEDIANTE EL USO CONJUNTO de tijeras y pinzas de láser podemos realizar sutiles manipulaciones en orgánulos celulares. Antes de que pasen diez años, debería convertirse en rutinario lo que aquí se ilustra: dos haces, en función de pinzas (rosa), suje- tan una célula firmemente en su sitio. Otro, en función de tijera (azul claro), atraviesa la célula para extraer un gen defectuoso (rojo). Unas segundas tijeras (azul oscuro) abren un pasillo en la membrana celular por donde pueda pasar una secuencia genética funcio- nal (puntos negros). A continuación, y con un propósito terapéutico, podrían producirse clones de la célula alterada genéticamente y

trasplantarla al organismo. NARASHIMA TOMO

5 os haces de luz intensos y puros, los mos provocar determinadas alteraciones expresaba los genes introducidos. Este láseres, son componentes ruti- que quedan fijas, pero sin comprometer trabajo, junto con el de la inactivación L narios de impresoras y lectores de la estructura o el entorno de la diana. de genes del nucléolo, demuestra que discos compactos. Lo que no sig- Lo corroboran la microscopía óptica y las tijeras de láser sirven para insertar o nifica que los láseres limiten su aplica- electrónica, herramientas habituales en para delecionar genes. ción a tareas triviales. Imagine el lector biología; ponen éstas de manifiesto que En Europa se han utilizado esas ti- que enfoca un haz sobre tal orgánulo las tijeras de láser pueden producir cam- jeras para manipular gametos humanos del interior celular. Considere, además, bios específicos en un cromosoma, en el (espermatozoides y óvulos) en el marco que el haz bloquea en su sitio la es- propio interior celular. Con anterioridad, de la implantación asistida. Las tijeras tructura en cuestión, a modo de pinzas mi grupo había demostrado que las ti- reducen o eliminan una parte pequeña fijadoras. Mientras ese haz minúsculo jeras inactivaban una parte determinada de la zona pelúcida de óvulos fecunda- retiene al componente celular, un se- de un cromosoma de células en división, dos in vitro. Los embriones se colocan gundo haz actúa de escalpelo o tijeras en particular, una región que contiene entonces en el útero, donde la reduc- y ejecuta una tarea de cirugía fina en genes que regulan la formación del nu- ción en el espesor de la zona pelúcida el orgánulo. cléolo. Y lo que revestía mayor interés: facilita, así parece, la implantación. Esta Incluso en un mundo como el nues- la alteración persistía en la progenie de reducción en el espesor también puede tro, acostumbrado a los láseres, repre- esas células, ya que todas ellas poseían lograrse por técnicas tradicionales, pero sentaciones semejantes suenan a fantasía versiones inactivas de los genes en la el láser no requiere productos tóxicos científica. Nada más falso. Lo mismo misma región. que dañan el embrión. que el cirujano guía las micropinzas y La alteración producida en el cro- Los estudios más completos en huma- las microtijeras a través del endoscopio mosoma, una lesión de menos de un nos realizados hasta el momento (por el para acometer una intervención qui- micrometro, aparece en forma de re- grupo de Severino Antinori en Roma) rúrgica sin apenas agredir el órgano, el gión clara si observamos la célula con estiman un aumento de un 50 por ciento biólogo celular puede utilizar “pinzas de un microscopio óptico de contraste de en la tasa de embarazos entre más de láser” y “tijeras de láser” para sus propias fases. Con microscopía electrónica de 200 mujeres cuyos embriones habían manipulaciones en células y orgánulos, transmisión, que permite de 10.000 a sido sometidos a reducción lasérica de la sin provocar lesiones. 100.000 aumentos, se percibe que esa zona respecto a mujeres no sometidas al Primero aparecieron las tijeras de región corresponde a una alteración es- tratamiento. En Estados Unidos, han co- láser. Hará unos 30 años, Donald E. tructural definida; se advierte, además, menzado los ensayos de reducción de la Rounds y el autor sugirieron la posibi- que el material cromosómico que hay zona pelúcida por láser. En Israel se está lidad de emplear láseres para explorar la a cada lado de la lesión y el citoplas- a la espera de la aprobación gubernativa. estructura y función de las células y sus ma que rodea al cromosoma parecen En colaboración con el grupo de Nan- orgánulos. Empezamos por definir los incólumes. El aspecto que ofrece esta cy L. Allbritton en Irvine, mi equipo se parámetros de nuestros haces (longitudes región al microscopio de contraste de sirve de las tijeras para abrir células, de de onda y duración de las exposiciones, fases obedece a un cambio en el índice suerte que sus componentes químicos entre otros), para seguir determinando de refracción, no a la remoción física de puedan analizarse a voluntad. Aprove- qué orgánulos podrían manipularse con material (el láser cambia las propiedades chamos lo que en otras circunstancias haces luminosos que alterasen regiones químicas y físicas del cromosoma sin constituye un efecto secundario nega- intracelulares mínimas, de sólo 0,25 mi- destruirlo). tivo del uso del láser. Nos referimos a crometros de diámetro. (El diámetro de Otro tanto cabe decir a propósito de la la formación de una nube minúscula un cabello humano se cifra en unos 100 membrana celular; para estudiarla basta de gas ionizado, al microplasma que se micrometros.) una ligera perturbación de su fluidez. genera cuando se focaliza el láser en el Andando el tiempo, descubrí con mi Con láser pueden producirse incisiones portaobjeto de vidrio sobre el que des- grupo que las tijeras de láser podían apli- de un micrometro en la membrana, que cansa la célula. La expansión y contrac- carse a la investigación de los cromo- se sellan en una fracción de segundo. ción del microplasma provoca tensiones somas y el huso mitótico, que guía la Mediante esta técnica de optoporación mecánicas que, a su vez, pueden rasgar separación de los cromosomas durante (producción de poros por métodos ópti- la célula. (Los médicos aprovechan un la división celular. Amén de tales orgá- cos), se introducen moléculas en la célula efecto similar, aunque a escala mayor, nulos nucleares, los haces facilitaron el al abrir los poros sin rasgar la membrana para pulverizar cálculos renales y cataratas estudio de mitocondrias (centrales celu- de forma permanente. mediante una onda de choque emitida lares de energía), así como de estructuras La optoporación podría aplicarse so- por el láser.) diversas: microfilamentos, microtúbulos bre todo a la manipulación genética de Colocando un tubito capilar enci- y centrosomas (involucrados en el man- las plantas, cuyas paredes celulares son ma de la célula, podemos recoger sus tenimiento de la arquitectura celular y rígidas e impenetrables si las comparamos componentes y analizarlos en una suer- el transporte de moléculas dentro de con la membrana de la célula animal. En te de instantánea de su bioquímica en las células). Irvine, he recurrido, con Hong Liang, a ese momento. Esta técnica posibilita un Aunque no siempre entendamos con la optoporación para insertar genes en sinfín de aplicaciones de química ana- exactitud el mecanismo en cuya virtud el células de arroz. De esas células genética- lítica celular. Se pretende, sobre todo, láser desencadena los cambios que se ope- mente modificadas se desarrollaron plan- determinar la identidad y concentración ran en los componentes celulares, pode- tas enteras, donde cada célula portaba y exacta de las proteínas oncológicas.

6 2. ENTRE LOS LOGROS ALCANZADOS por las tijeras de láser se incluye la creación de surcos (izquierda) en la zona pelúcida que rodea a un óvulo fecundado de ratón (recuadro) para facilitar la implantación. Otro logro ha sido su utilización para eliminar una porción cromosómica en "V" (dere- cha) de una célula viva procedente de una rata canguro. La porción mide alrededor de un micrometro en su parte más ancha.

En todas las aplicaciones de las tijeras, puede producir una mancha focal de eso mismo, se trabaja con ahínco para debe buscarse precisión y selectividad. 499 nanómetros. La precisión puede desentrañar la compleja interacción entre La precisión remite al direccionamiento ser incluso mejor de lo que parece. El láser y célula. del láser sobre el objetivo; la selecti- láser que hemos elegido produce una Diversos factores se oponen a la me- vidad alude a la alteración controlada distribución gaussiana de la energía, es jor comprensión de los efectos ejercidos de la diana, que deja intactas las zonas decir, la energía que forma la mancha por los haces. Medir y registrar lo que circundantes. focal se ajusta a una curva acampanada. ocurre en regiones celulares de menos de Puesto que sólo el máximo de la curva un micrometro representa un reto impo- Precisión en el enfoque puede tener energía suficiente para al- nente, lo mismo que controlar la energía Gracias a la calidad de los elementos terar un orgánulo particular, el punto de un láser en volúmenes tan sutiles. ópticos de los microscopios actuales no efectivo puede ser bastante menor que Pero no andamos a ciegas. Por estudios resulta difícil conseguir la precisión de- el diámetro de la mancha focal medida. macroscópicos sabemos que, cuando el seada. Los objetivos tienen un acabado de láser interacciona con tejido orgánico, fabricación perfecto y presentan correc- Alteraciones controladas se activan varios procesos físicos y quí- ción cromática en el rango del espectro También se puede alcanzar la selectividad micos. Tales procesos pueden dispararse visible, para que todas las longitudes de (o alteración controlada). Lo prueban las por la absorción de fotones individuales onda enfoquen casi el mismo punto en el aplicaciones desarrolladas hasta ahora. Sin o por la absorción, casi simultánea, de espacio; así, cuando se utilizan múltiples embargo, por culpa de un conocimiento múltiples fotones. haces con diferentes longitudes de onda, incompleto de las interacciones entre el La absorción de un solo fotón podría podemos estar seguros de que enfocan láser y la diana biológica, se ignora cómo limitarse a calentar la diana. O iniciar sobre el mismo punto. garantizar la selectividad en las nuevas reacciones químicas que produzcan radi- Con un objetivo corriente de aceite aplicaciones (salvo la demostración em- cales libres u otros productos lesivos para de inmersión de 100 aumentos, la física pírica de su funcionamiento). No se trata las células. Los fotones de alta energía que gobierna el tamaño de una mancha de ningún fenómeno insólito. Durante (como los del rango ultravioleta) pueden focal de láser predice que dicho tamaño un siglo se tomaron aspirinas sin que los incluso romper enlaces moleculares y dis- es un poco menor que la longitud de expertos conocieran su desenvolvimiento gregar las moléculas en un proceso de fo- onda del láser. Así, un haz producido a molecular. Con ello no se niega que el toablación. Además, la absorción de múl- partir de un granate de neodimio, itrio conocimiento exacto del mecanismo de tiples fotones en un tiempo muy corto y aluminio (Nd:YAG) que opere a una operación de un fármaco o una técnica puede resultar equivalente a la absorción longitud de onda de 532 nanómetros conduzcan a una mejor aplicación. Por de un solo fotón de alta energía. Este