Nuevo microscopio cuántico permite ver las diminutas estructuras de células vivas

Un equipo de investigadores de Australia utilizó recientemente una nueva técnica de microscopía para obtener imágenes de estructuras biológicas a nanoescala sin destruir las células vivas en el intento, una resolución que hasta ahora no habíamos sido capaces de manejar. Esta técnica, que emplea una luz láser muchos millones de veces más brillante que el Sol, tendrá implicaciones en multitud de tecnologías biomédicas y de navegación.

El microscopio cuántico es un ejemplo de cómo el extraño principio del entrelazamiento cuántico puede tener sus aplicaciones en el mundo real. Dos partículas se entrelazan cuando sus propiedades son interdependientes. Así que midiendo una de ellas también puedes conocer las propiedades de la otra, indica Gizmodo.

El sensor que hay en el microscopio desarrollado por los investigadores —descrito en un artículo publicado en Science— depende de la luz cuántica (pares de fotones entrelazados) para poder ver las estructuras sin dañarlas.

“La pregunta clave que respondemos es si la luz cuántica es capaz de permitir un rendimiento en microscopios que vaya más allá de los límites de lo posible utilizando técnicas convencionales”, dijo Warwick Bowen, físico cuántico de la Universidad de Queensland, Australia, y coautor del nuevo estudio. El equipo de Bowen descubrió que, de hecho, puede. “Demostramos eso por primera vez, mostrando que las correlaciones cuánticas pueden permitir un rendimiento (contraste/claridad mejorados) más allá del límite debido al fotodaño en microscopios normales”. Cuando habla de fotodaño, Bowen se refiere a la forma en que un bombardeo de un láser de fotones puede degradar o destruir el objetivo de un microscopio, igual que le ocurriría a una hormiga bajo una lupa.

Los microscopios han permitido a los humanos comprender la biología a un nivel más profundo desde su invención en el siglo XVI, y los avanzados microscopios que tenemos hoy en día son mucho más que un par de lentes alineadas. Innovaciones como los microscopios de efecto túnel, por ejemplo, permiten que veamos átomos individuales. En este nuevo paper, los investigadores proyectaron una potente luz láser sobre una célula de levadura para revelar la complejidad de sus subestructuras. Pudieron obtener la resolución más alta que querían gracias al entrelazamiento entre fotones, ya que “detectar un fotón te da información sobre cuándo llegará el siguiente”, explicó Bowen.

“Este experimento es un hermoso ejemplo de cómo las técnicas cuánticas están siendo aprovechadas ahora para una mejor comprensión de los procesos biológicos”, dijo Clarice Aiello, ingeniera cuántica especializada en biofísica a nanoescala y que no participó en el reciente artículo. “Los obstáculos técnicos... deberán superarse antes de que esta tecnología se vuelva comercial, pero este experimento es una prueba de principio de que las técnicas cuánticas desarrolladas hace décadas pueden y serán implementadas con gran ventaja en las ciencias de la vida”.

Mientras que otros microscopios que operan con una luz tan intensa terminan haciendo agujeros en lo que están tratando de estudiar, el método del equipo no tuvo este inconveniente. Los investigadores tomaron las huellas digitales de una célula de levadura mediante la dispersión Raman, que observa cómo algunos fotones se dispersan en una determinada molécula para comprender la firma vibratoria de esa molécula. Los microscopios Raman se utilizan a menudo para esta forma de identificación, pero todo el asunto de destruir lo que estamos tratando de observar ha fastidiado durante mucho tiempo a los investigadores que intentan ver a resoluciones mayores. En este caso, el equipo pudo ver las concentraciones de lípidos de la célula mediante el uso de pares de fotones correlacionados para obtener una excelente vista de la célula sin aumentar la intensidad del rayo láser del microscopio.

Charles Camp, un ingeniero eléctrico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología que se ha especializado en imágenes Raman, explicaba por correo electrónico que los métodos Raman “han prometido durante mucho tiempo revolucionar las imágenes biológicas” pero han tenido diversas limitaciones. Pero en este nuevo estudio, los investigadores “presentan un sistema de prueba de principio y un camino relativamente práctico para mejorar la microscopía de dispersión Raman estimulada”, dijo Camp.

“Pudimos ver claramente la pared celular, que es una estructura de unos pocos nanómetros de espesor que (por supuesto) rodea la celda”, dijo Bowen. “Con otros microscopios Raman, es muy difícil de ver la pared celular, y en nuestro caso demostramos que nuestro microscopio solo podía ver esto muy débilmente sin correlaciones cuánticas”.

Puede resultar aterrador o extrañamente reconfortante pensar en cómo todos somos solo una suma de células, forjadas a microescala para formar miembros y órganos internos y todos los complejos sistemas que nos hacen funcionar. Pero si te acercas aún más, hay estructuras biológicas aún más pequeñas que aún no hemos podido entender por completo. Y estas impresionantes nuevas técnicas nos permiten adentrarnos un poco más en este reino completamente desconocido.