Antenas nanofotónicas muestran los mecanismos de enfermedades a nanoescala
Podría decirse que observar procesos biológicos en una célula viva representa el Santo Grial para los especialistas en biología celular y molecular. Estos procesos, que comportan interacciones entre moléculas a escala nanométrica, son muy difíciles de visualizar con las técnicas de imagen actuales. Lo mismo se puede decir de las interacciones entre las proteínas, los ácidos nucleicos y las enzimas. «Hay numerosos ejemplos de las limitaciones de que adolecen las técnicas actuales —asegura la Dra. María García Parajo, coordinadora del proyecto NANO-VISTA (Advanced photonic antenna tools for biosensing and cellular nanoimaging) y jefa de grupo en ICFO (España)—. Por ejemplo, tenemos un conocimiento limitado sobre el modo en que los receptores se organizan en la membrana celular. Esta es una cuestión fundamental, puesto que las células del organismo humano se comunican entre sí y con el medio extracelular a través de multitud de receptores expresados sobre la superficie de la célula, lo que les permite realizar funciones especializadas». También hay indicios de que ciertos cambios aberrantes en la organización y la dinámica de los receptores de la superficie celular son el origen de un grandísimo número de enfermedades, como el cáncer, diversos trastornos neurológicos y neurodegenerativos, trastornos autoinmunes e infecciones patogénicas. «Para observar cómo se desarrollan estos procesos a escala nanométrica, en distintas escalas temporales y en tiempo real, se necesitan técnicas de imagen que posean un nivel ultra elevado de resolución», añade la Dra. García Parajo. Hacia la súper-resolución La Dra. García Parajo y su equipo opinan que la solución pasa por unas nanoantenas fotónicas, esto es, puntos nanométricos de iluminación intensa que sirvan para visualizar una muestra a una escala de unos veinte nanómetros y para examinar interacciones entre moléculas. Estas nanoantenas no son la única posibilidad para alcanzar la súper-resolución en la microscopía, pero las otras opciones precisan marcas fluorescentes muy específicas, y por lo tanto podrían no abarcar el espectro completo de aplicaciones biológicas. En cambio, las antenas fotónicas no presentan esta limitación. Asimismo, estas antenas se pueden combinar con otras técnicas, como la espectroscopía de correlación con fluorescencia, para alcanzar una resolución temporal a escala de microsegundos. Aunque los aspectos físicos de estas nanoantenas ya se conocían a fondo, NANO-VISTA constituye el primer intento con éxito de aplicarlas al ámbito de la biología gracias a sus innovadores diseños. La Dra. García Parajo ofreció más pormenores sobre los antecedentes de este logro: «Diseñamos métodos novedosos para la fabricación de matrices de antenas a gran escala que nos permitieran examinar a nanoescala múltiples células sorteando su heterogeneidad inherente. A la vez, queríamos que los diseños brindaran una gran reproducibilidad en cuanto al rendimiento óptico de las antenas, así como la posibilidad de ajustar la escala para fabricar miles de antenas en un mismo sustrato, y también un coste bajo y capacidad de reutilización. Por último, combinamos estas nanoestructuras con formas novedosas de espectroscopía con fluorescencia para conseguir una resolución ultra elevada no sólo espacial sino también temporal». Los resultados de los ensayos efectuados en el marco del proyecto fueron excelentes. En concreto, se demostró la posibilidad de detectar biomoléculas únicas (ADN y distintas proteínas) en volúmenes de iluminación de zeptolitros; se aumentó 105 veces la señal de fluorescencia captada de moléculas individuales en comparación con la emisión de una sola molécula al excitarla con la técnica convencional de iluminación confocal; se mostró un acoplamiento excitónico en complejos individuales de captación de luz; y se colaboró con inmunólogos para obtener conocimientos nuevos sobre los procesos de la adhesión y migración de células inmunitarias. Ya se han iniciado varias colaboraciones con destacadas entidades industriales en la escena internacional, concretamente de Estados Unidos, India, Reino Unido y España. En el punto de mira: aplicación de las técnicas de NANO-VISTA en biología de membranas celulares y señalización celular, integración en microscopios convencionales y plataformas de cribaje de alto rendimiento para el análisis rápido de anticuerpos, interacciones entre ligandos o incluso fármacos. Ya se están preparando productos derivados con vistas a su comercialización, si bien persisten algunos escollos para la plena comercialización de todos los resultados del proyecto. «El consorcio de NANO-VISTA sigue estando muy activo —asegura con entusiasmo la Dra. García Parajo—. NANO-VISTA ha proporcionado los medios para llegar hasta la escala nanométrica y hasta una resolución temporal de microsegundos. Ahora corresponde relacionar esta información con técnicas de imagen a micro y mesoescala sobre células individuales y poblaciones de células. Confiamos en obtener nuevas fuentes de financiación de la Comisión Europea que nos permitan alcanzar esta nueva meta».
Palabras clave
NANO-VISTA, fotónica, nanoantena, moléculas, célula viva, nanoimagen, microscopía, biotecnología, espectroscopía, antenas fotónicas, nanoestructura
