12 junio, 2011

Científicos crean el primer láser biológico

Desde su invención hace unos 50 años, los láser se han vuelto parte fundamental del desarrollo de nuestra tecnología gracias a sus infinitas aplicaciones en muchos campos de la ciencia, desde los lectores de DVD hasta la transmisión de información a través de las fibras ópticas. Sin embargo, los procesos básicos para la generación del láser se basan en sólidos inanimados como los cristales dopados, los semiconductores o ciertos gases. Ahora, un par de científicos de la Escuela de Medicina de Harvard han desarrollado un láser basado en una célula del riñón según reportaron hoy en Nature Photonics.

cell-laser

Básicamente, un láser no es más que un amplificador de luz, pero no cualquier luz, sino una coherente, donde la luz emitida tiene una sola longitud de onda (monocromática) y que, además, no puede ser descompuesta en diferentes longitudes de onda si se hacen pasar por un prisma, tal como ocurre con un rayo de luz solar, el cual forma una especie de arcoíris.

Para producir el láser, se debe generar una excitación de los átomos del medio de ganancia a través de una fuente de energía externa (bombeo), el cual puede ser otro láser o una corriente eléctrica. Cuando el átomo está excitado, sus electrones se encuentran en niveles de energía superiores, los cuales regresan a la normalidad liberando energía en forma de otros fotones de luz. Estos fotones excitan otros átomos y generan una especie de reacción en cadena, donde cada vez se producirán más y más fotones. A diferencia de una lámpara, donde los fotones salen en todas direcciones, en un láser se tiene un par de espejos (resonador óptico) que evita que los fotones se escapen y los devuelven al medio de ganancia, amplificando la cantidad de fotones emitidos, los cuales tendrán una fase, dirección y energía similar al fotón que les dio origen, generándose una luz coherente.

Fue así que los físicos Malte Gather y Seok-Hyun Yun de la Escuela de Medicina de Harvard (Boston, EEUU), han replicado este proceso usando una célula embrionaria renal a la cual le introdujeron el gen que codifica para la proteína verde fluorescente (GFP).

La GFP es una proteína ampliamente usada por los biólogos moleculares. Si queremos saber donde se expresa un determinado gen, basta con fusionarlo al gen de la GFP y, en base a la fluorescencia, podremos saber con exactitud donde se expresa nuestro gen de estudio.

cell-laser1La GFP actuará como si fuera un medio de ganancia para la amplificación óptica. Pero, para evitar que la luz fluorescente se emita en todas direcciones, Gather & Hyun Yun pusieron a la célula dentro de un par de nanoespejos, los cuales actuarán como un resonador óptico que concentrará y alineará los fotones emitidos por la GFP. Y para generar la energía necesaria para excitar los átomos y generar los fotones, los investigadores usaron láser microscópico que genera luz azul con una energía de 1nJ (0.000000001 Joule). [Normalmente, la luz azul hace que la GFP emita su fluorescencia].

Gracias a esto, muchos investigadores han visto los potenciales usos de los ‘biolasers’ en diferentes ramas de la ciencia, sobre todo en la medicina y la biología celular. Por ejemplo, a diferencia de la tomografía óptica de láser —o tomografía de coherencia óptica— donde los rayos láser son bombeados desde afuera hacia los tejidos vivos (usado principalmente en la oftalmología); esta nueva tecnología permitiría que las mismas células de los tejidos a examinarse produzcan su propia fluorescencia, mejorando así la resolución de las imágenes. Por otro lado, también se podría mejorar la resolución de las imágenes obtenidas mediante la microscopia de fluorescencia.

Sin embargo, aún estas ideas se encuentran muy lejos de desarrollarse. Primero, se debe introducir el gen que codifica la GFP dentro del tejido en estudio sin llegar a dañarlo. Después se debe buscar la forma de introducir la fuente de energía (bombeo) a las células, para poder excitar los átomos y generar los primeros fotones. Luego, se debe crear compartimientos especiales dentro de las células, las cuales tengan los espejos encargados de concentrar y alinear los fotones luminosos para así evitar el uso de un resonador óptico externo. Aunque gracias al desarrollo de los implantes electrónicos, tal vez esta tecnología se desarrolle más rápido de lo que pensamos.

Por ahora, el uso más práctico que se le puede dar a este avance sería en el estudio de células individuales con una mayor resolución que la obtenida con los métodos tradicionales. Tal vez en un futuro no muy lejano seamos capaces de introducir a las células la GFP junto a sus resonadores ópticos a través de endosomas o liposomas sintéticos.


Referencia:

Malte C. Gather & Seok Hyun Yun. Single-cell biological lasers. Nature Photonics [Advance Online Publication] doi: 10.1038/nphoton.2011.99 (2011).

Vía | ScienceNOW, Nature News, New Scientist, Technology Review.

Esta entrada participa en el XX Carnaval de la Física cuyo anfitrión es Resistencia Numantina.

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