Una cosa muy grande para ver cosas muy pequeñas
Los criomicroscopios electrónicos de Centro Nacional de Biotecnología permiten estudiar la vida a escala atómica
En el imaginario popular un microscopio es un pequeño instrumento, sobre una mesa de laboratorio, por el que un científico mira a través de dos oculares. Quizás hayan manejado uno en la escuela. Sin embargo, los más potentes no se parecen a esto. Los criomicroscopios electrónicos del Centro Nacional de Biotecnología (CNB) son unos enormes conjuntos de lentes que ocupan una habitación, cuyas imágenes se ven en pantallas de ordenador, en la habitación de al lado, manejadas con unos mandos como de nave espacial. Examinan muestras a 180 grados bajo cero, conseguidas gracias el uso del nitrógeno líquido, hasta llegar a ver el tamaño de los átomos. Son los primeros de esta categoría que hay en España. Son dos cosas muy grandes que sirven para ver cosas muy pequeñas.
“Estos instrumentos darán un gran servicio a los investigadores en Biología Molecular”, explica con indisimulado orgullo José María Valpuesta, responsable científico de este servicio, jefe del departamento de Biología Estructural del CNB, además de ex director del centro. El CNB, situado en el campus de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Se trata de un gran edifico con ventanas redondas y rodeado de verde, uno de los centros más importantes del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). “Esto es como una pequeña ciudad, siempre se encuentran expertos en diferentes áreas con los que se generan provechosas colaboraciones”, dice el científico mientras camina por uno de los pasillos, llenos de pósteres con fórmulas, diagramas y ecuaciones.
La disciplina de la criomicroscopía electrónica se ocupa en estudiar con todo detalle la forma de las proteínas, de los virus, de las células, de las moléculas relacionadas con la vida. “Conociendo su estructura podemos conocer su función”, dice el científico, “luego ese conocimiento se puede transformar en biotecnología”. El CSIC, del que depende el CNB, y el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades acaban de invertir, hace unos meses, ocho millones de euros en estos instrumentos.
En una de las pantallas del laboratorio se muestran las intimidades de un coronavirus de cerdo, “primo hermano” del que afecta a los humanos (pero que no nos puede hacer daño). El equipo se está preparando para cuando lleguen desde Italia coronavirus humanos desactivados para su estudio. Por ejemplo, observando al microscopio el “gancho” con el que estos virus se adhieren a nuestras células se entenderá mejor cómo evitar que las ataquen. Estas tecnologías de criomicroscopía permiten el desarrollo de nuevos fármacos a nivel molecular y le valieron el Premio Nobel de Química 2017 a Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson.
“Cada semana asistimos a algún nuevo avance en este campo, se está viviendo un momento muy dulce”, dice Valpuesta. Antes de la microscopía electrónica ya se utilizaban otras técnicas como la difracción de rayos X o la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) para determinar la estructura de moléculas biológicas. “La criomicroscopía electrónica tiene un esplendoroso futuro porque carece de algunas de las limitaciones de las otras dos técnicas”, dice el científico.
El equipo estudia las intimidades de un coronavirus de cerdo mientras se prepara para cuando lleguen desde Italia coronavirus humanos desactivados
Los dos grandes instrumentos, que dan servicio a investigaciones internas y externas (por ejemplo, a empresas biotecnológicas o farmacéuticas), tienen voltajes de 300 y 200 kilovoltios, respectivamente, que son necesarios para que los electrones dispongan de la suficiente energía para atravesar la muestra. Al hacerlo, una parte de los electrones son desviados por ella y en esa variación se encuentra la información sobre la estructura, que queda registrada en los dispositivos al efecto. En los últimos años una novedosa tecnología que ha revolucionado el campo: los detectores directos de electrones.
La información registrada es procesada en los ordenadores. Y las estructuras de las moléculas biológicas se determinan utilizando técnicas tomográficas muy parecidas a las que se usan en los hospitales para el estudio de pacientes. Mientras que en el hospital esa gran máquina va lentamente inclinando al paciente y tomando imágenes de su cuerpo en todas las direcciones, por arriba, por abajo, del perfil bueno y del perfil malo, las grandes máquinas del CNB no necesitan inclinar la muestra.
Cada semana asistimos a algún nuevo avance en este campo, se está viviendo un momento muy dulceJosé María Valpuesta, responsable científico de Biología Molecular
¿Por qué? Porque en este caso las moléculas biológicas ya están en todas esas direcciones. En el portamuestras del criomicroscopio electrónico se encuentran trillones de moléculas que se han colocado en todas las direcciones posibles. Por pura estadística: hay tantas moléculas que están en todas las posturas, como si alguien saca una foto del público de un concierto de estadio: cada uno mira hacia un lado o tiene una postura. Esta técnica está permitiendo la determinación de la estructura atómica de muchas moléculas, incluyendo las fibras de las proteínas involucradas en enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer.
Una de las investigadoras encargadas del aparato vierte nitrógeno líquido para enfriar la muestra. El nitrógeno líquido siempre es muy vistoso: al evaporarse emite un humo denso que tiende a caer hacia el suelo. Es como la sección de ciencia ligera de un programa de entretenimiento televisivo. “Trabajamos a bajas temperaturas y a un altísimo vacío para conseguir mejores imágenes”, explica Valpuesta. Antes de introducir las muestras en el criomicroscopio enfrían de golpe las muestras a muy baja temperatura, la “vitrifican” utilizando unos robots a tal efecto: “Así no se forma hielo cristalino, sino amorfo, que mantiene mejor las estructuras. Además, se evita la deriva de las moléculas, que siempre están rodeadas de agua, porque es cierto eso que se dice: los seres vivos somos fundamentalmente agua”, concluye el científico.
Hitos biotecnológicos
El CNB-CSIC se inauguró en 1992 con el fin de solucionar problemas relacionados con la salud, la agricultura o el medio ambiente a través de la investigación de más de 600 profesionales en disciplinas como la ingeniería genética, genómica, proteómica, inmunología u oncología. Ha sido reconocido como uno de los 12 Centros de Excelencia Severo Ochoa en el área de las Ciencias de la Vida y la Medicina y pone especial énfasis en la transferencia tecnológica y en la comunicación de la ciencia al gran público. En 2015 vivió un año difícil: un incendio amenazó con arruinar años de investigación. Recientemente ha estado muy presente en los medios durante la pandemia, pues el equipo liderado por los virólogos Luis Enjuanes e Isabel Sola está trabajando a la vanguardia mundial para conseguir una vacuna para la covid-19.
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