A la vanguardia de la investigación mundial: Uso de Pinzas Ópticas en la Usach

Reconocidas por la Real Academia de las Ciencias de Suecia a través Premio Nobel de Física 2018, las pinzas ópticas son instrumento que ha funcionado para investigar estructuras diminutas y complejas y que, el Departamento de Física de la Universidad de Santiago de Chile, posee en sus laboratorios.

El científico estadounidense, Arthur Ashkin es el responsable del desarrollo del instrumento científico ahora conocido como pinzas ópticas, tecnología que usa un láser para proveer una fuerza de confinamiento, dependiendo del  índice de refracción para atrapar y mover físicamente objetos dieléctricos microscópicos. Esta tecnología, desde su creación, ha tenido importantes repercusiones tanto en física y en especial en biología, dado que permite estudiar en profundidad determinados procesos biologicos a escalas micro y nanométricas, pudiendo conocer y explicar fenómenos complejos utilizando óptica clasica

A raíz de este descubrimiento, se le otorgó el Nobel correspondiente a este año, el cual comparte con otros dos científicos, Donna Strickland y Gérard Mourou, los cuales aportaron con una metodología para aumentar la potencia de un láser por medio de fenómenos clásicos. Las pinzas ópticas han abierto otro mundo a la comunidad científica, mundo del cual la Universidad de Santiago es parte, contando con este instrumento en el Departamento de Física y disponiendo de científicos que llevan una línea investigativa ligada a esta área. Así es el caso del académico  y Director del Departamento de Física, Dr. Roberto Bernal, el cual ha trabajado la temática dentro de su trayectoria académica.

Pinzas ópticas

En los años 70,  el doctor Ashkin se encontraba jugando con partículas micrométricas utilizando un láser, descubriendo que esta luz afecta en la trayectoria de estas partículas. Si bien, se sabía que la luz tiene un momentum – magnitud física de tipo vectorial que describe el movimiento de un cuerpo en cualquier teoría mecánica -  no se tenía conocimiento si este era  suficiente para afectar una partícula del tamaño de una micronésima de diámetro. Seguido a esto, el investigador descubre que se puede dirigir la trayectoria de partícula e inclusive, manipularla.

“Ese descubrimiento y el desarrollo de esta técnica proporcionó a la física y, en especial, la biología, dado que abrió la puerta a la micromanipulación de células. Por ejemplo, si uno tiene pegado cadenas de ADN con estas partículas micrométricas, estás se podrán estirar, torcer y hacer un sin número de pequeños experimentos sólo sobre una molécula, una hebra de ADN, o un motor molecular. Con esto, se puede tener información sobre qué energía se requiere para, por ejemplo, romper un enlace, y tener un detalle preciso sobre qué física hay detrás de estos sistemas complejos” explica el Dr. Roberto Bernal.

En los años 80 aparecen los primeros trabajos multidisciplinarios combinando pinzas ópticas y sistemas biológicos en torno a proteínas. En la primera década del año 2000, se elaboraron trabajos no sólo en proteínas, si no que en sistemas más complejos, por ejemplo, glóbulos rojos. Cerca del 2009, un investigador experimentó con pinzas ópticas y fluctuaciones de la membrana de un glóbulo rojo y, con esta información, obtuvo datos sobre las propiedades mecánicas de estos glóbulos.

En el año 2011, el Dr. Roberto Bernal en conjunto al Dr. Francisco Melo del Laboratorio de Física No Lineal, usaron recursos de un proyecto que ejecutaban  y lo invirtieron en el desarrollo de instrumentación. “Él, por su lado, desarrollo pinzas magnéticas y yo desarrollé pinzas ópticas. A partir de esa época empezamos adquirir todos los instrumentos necesarios  y ya, en el año 2013, teníamos las primeras pinzas ópticas de la Universidad de Santiago funcionando” cuenta el Dr. Bernal.

Investigación con pinzas ópticas en la universidad

“Antes de tener las pinzas ópticas en el laboratorio, estábamos trabajando con propiedades mecánicas de axones. La ventaja de tener pinzas ópticas es que la resolución espacial Y temporal es muy grande, por lo que uno puede tener datos de propiedades mecánicas en unos cuantos segundos. Lo cual es una ventaja porque ahora se pueden realizar experimentos mucho más complejos, como por ejemplo estudiar el efecto dinámico de una droga en términos biomecánicos”  comenta el Dr. Bernal.

El investigador, junto a Fernanda Gárate –estudiante de doctorado de aquel año- ha publicado dos artículos, el primero abarcando las propiedades mecánicas de neuritas de axones y, con el segundo, se dieron cuenta que además de poder medir propiedades mecánicas, se podía indagar sobre estructura sub-celular, parámetro que resultaba bastante dificultoso de seguir con áxones.

Sobre esto se trata el proyecto que actualmente lidera el Director del Departamento de Física, que busca observar las propiedades mecánicas de las fluctuaciones de membrana de glóbulos rojos. “En esa membrana, el citoesqueleto de los glóbulos rojos es muy pobre comparado con el del axón, por lo cual la señal que se obtiene con las pinzas ópticas tiene una amplitud mucho más grande y los datos son de mejor calidad” explica el académico.

Con estos mismos datos, se pueden estudiar las proteínas que están asociadas a la membrana celular de glóbulos rojos y esta información permite saber cuál es la energética que está asociada a eventos de acoplamiento y desacoplamiento entre la red de espectrina que tiene el glóbulo rojo y la membrana celular.

“Saber esto es altamente relevante ya que hay muchas enfermedades que están asociadas a los glóbulos rojos y que se ven reflejadas en la geometría de los mismos. Generalmente, un glóbulo rojo se visualiza como una especie de disco bicóncavo y, dependiendo de la enfermedad, los glóbulos rojos se afectan en su geometría.  Hay algunos que adquieren forma de gota, o de media luna, lo cual está asociado con la enfermedad anemia falciforme y hay otras enfermedades genéticas como la estomatocitosis o la esferocitosis que básicamente son proteínas que tienen alguna anomalía en su conformación que, en su reflejo, hacen que el glóbulo rojo cambie su geometría” finaliza el Dr. Bernal.