Seguimiento de la dinámica de biomoléculas con antenas optofluídicas
Un método de medición completamente nuevo y muy eficaz
Para comprender mejor los procesos fundamentales de las ciencias de la vida a nivel molecular, la observación precisa de la dinámica de una sola molécula reviste el máximo interés. Sin embargo, las técnicas actuales basadas en medidas de fluorescencia en soluciones acuosas son incapaces de seguir los cambios en la estructura molecular con suficiente resolución temporal. Físicos del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL) han conseguido desarrollar una estructura fotónica conocida en óptica cuántica, la antena óptica planar, para utilizarla en medios acuosos con el fin de observar procesos dinámicos. Esto permite observar los cambios conformacionales de biomoléculas individuales con la máxima resolución temporal.
Para lograr esta resolución, la llamada "antena optofluídica" recoge los fotones emitidos por moléculas fluorescentes individuales con una eficiencia aproximada del 85%. Con una eficiencia tan alta, los investigadores consiguen una resolución temporal del orden de los microsegundos. El dispositivo puede integrarse fácilmente en muchos de los sistemas de microscopía existentes y supone una herramienta más para obtener una alta resolución temporal en el laboratorio.
Estudiar la complicada dinámica interna de las biomoléculas en un medio líquido con resolución de una sola molécula es de gran interés para las ciencias de la vida. Las medidas de fluorescencia son actualmente la técnica fundamental para descifrar los procesos dinámicos rápidos y lentos. Para ello, se marcan secciones especiales de las biomoléculas con moléculas de colorante fluorescente. Cuando se excitan con luz láser, los cambios en su posición relativa se detectan midiendo los fotones emitidos. Sin embargo, la metodología de recogida limita el número de fotones de fluorescencia que pueden registrarse por intervalo de tiempo, restringiendo así la resolución temporal.
En el trabajo publicado recientemente en la revista Nature Communications, el equipo dirigido por el profesor Stephan Götzinger y el profesor Vahid Sandoghdar muestra un método de medición completamente nuevo y muy eficiente que se basa en estructuras conocidas de la óptica cuántica de estado sólido. Los físicos desarrollaron el concepto de antena óptica planar hace aproximadamente 10 años y, a diferencia de las antenas ópticas convencionales, una antena planar puede realizarse sin nanoestructuras metálicas. Mediante una ingeniosa modificación, las nuevas antenas optofluídicas son capaces de recoger los fotones emitidos por una sola biomolécula en solución con una eficiencia extremadamente alta (85%). La antena consta de un sustrato de vidrio y una capa de agua de varios cientos de nanómetros de espesor que contiene las biomoléculas que se van a examinar. La fina capa de agua se crea con una micropipeta situada a unos cientos de nanómetros por encima del sustrato. Aplicando una presión definida, se controla la forma del menisco de agua en la pipeta. El límite axial de la capa de agua obliga a las moléculas a difundirse a través del centro del foco láser y aumenta así el llamado brillo. La antena multiplica aproximadamente por cinco la señal de fluorescencia de las moléculas. Al mismo tiempo, la interfaz agua-aire ralentiza la difusión de las moléculas, mientras que la geometría de la antena aumenta la probabilidad de que una molécula vuelva al foco. Los científicos del MPL demuestran el rendimiento de la antena optofluídica junto con el grupo del profesor Claus Seidel, de la Universidad de Düsseldorf, examinando el cambio de conformidad de un ADN específicamente dispuesto: la unión cuádruple de ADN. Dos de las patas de la unión están marcadas con un par de transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET), donde el número de fotones emitidos por cada uno de los dos pares FRET cambia con la distancia entre las dos patas. Gracias a las trayectorias de FRET, los investigadores pudieron demostrar que un estado conformacional sospechoso no se produce y proporcionar un límite superior para su vida útil. La nueva antena puede seguir la dinámica del cruce cuádruple del ADN con una resolución temporal de sólo unos microsegundos.
"Nuestra antena optofluídica funciona tan bien gracias a la mayor eficacia de captación de fotones de las moléculas de difusión más lenta en el canal espacialmente limitado", explica el profesor Stephan Götzinger. "La antena es un potente dispositivo para investigaciones en ciencias de la vida. No sólo es fácil de usar, sino que también puede integrarse fácilmente en muchos sistemas de microscopía existentes", añade el profesor Vahid Sandoghdar.
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