NeoFronteras

Consiguen crear un láser con células vivas modificadas genéticamente para producir la proteína fluorescente verde.

Una célula aislada emitiendo luz láser. Fuente: Malte Gather.

Cuando se invento, hace ya más de 50 años, no se podía haber predicho el uso que se hace del láser en la actualidad en multitud de dispositivos y aplicaciones. Quizás el menor uso que se la ha dado es como “rayo de la muerte”, pues sus aplicaciones como instrumento militar de destrucción son bastante limitadas. Sin embargo, el láser nos permite la transmisión rápida de datos, la lectura de los DVD, las operaciones quirúrgicas con postoperatorio corto… Ahora la noticia es que se ha creado lo que parecer ser el primer láser biológico que usa células vivas.
Primero aclaremos lo que es el láser y cómo funciona. La palabra “LASER” son las siglas en inglés de “luz amplificada por medio de emisión estimulada de radiaciones” y se basa en un fenómeno cuántico predicho por Einstein sobre estimulación atómica. La palabra “LASER” es ya tan frecuente que las siglas se han transformado en palabra e incluso se habla que tal o cual sustancia lasea bien o mal.
Los átomos o moléculas pueden estar excitados. Es decir, tener una energía superior a la mínima posible (la que tienen en su estado fundamental). La energía que puede tener un átomo no puede ser cualquiera, sino que está discretizada (cuantizada) en determinados valores y los demás valores de energía están prohibidos.
Si un átomo está excitado (porque se le ha proporcionado algún tipo de energía) se encuentra en un estado inestable y tarde o temprano terminará emitiendo esa energía en forma de un fotón. La energía del fotón es la misma que la diferencia de energía entre ese nivel de energía y aquella a la que decae. La frecuencia de ese fotón, su color, será proporcional a esa energía.
Puede haber varios niveles de energía y se pueden dar varios tipos de transiciones de este tipo en las que se generen fotones de distinta energía (y “color”).
Hasta ahí nada nuevo. Podemos excitar los átomos (proporcionarles energía) y éstos tarde o temprano decaen emitiendo fotones. Cada fotón emitido tendrá más o menos el color, dirección y sentido que le dé la gana y sus oscilaciones no dependerán de los demás.
La emisión estimulada es diferente, ya que obliga a los átomos a emitir fotones y pone “de acuerdo” a los fotones producidos. Si un átomo excitado recibe un fotón con una energía igual a la del fotón que emitía al desexcitarse, entonces esto estimulará la emisión de dicho fotón y dicho fotón tendrá la misma energía, dirección, sentido y fase (sus oscilaciones está sincronizadas) que el incidente. Estos dos fotones pueden a su vez estimular otros átomos excitados y crear una reacción en cadena, o efecto dominó, que produzca un chorro de fotones coherentes que llamamos láser. Como todos los fotones tienen la misma frecuencia (color) decimos que la luz láser es monocromática.
Para que esto se dé todo esto es necesario que haya un inversión de población, es decir, hay que impedir que los átomos desexcitados se exciten de nuevo con los fotones generados y los absorban. Además, para que el láser sea efectivo se necesita que los átomos excitados sean estimulados por fotones con cierta probabilidad y ésta se puede aumentar con dos espejos (uno semitransparente que permite salir la luz) que haga a los fotones rebotar entre ellos y atravesar el medio varias veces y que así estimulen el mayor número posible de átomos. Esta disposición de espejos crea lo que se llama una cavidad láser.
El medio que lasea puede ser un cristal especial, una mezcla de gases, un pigmento en disolución, etc., pero no toda sustancia puede lasear. Ahora han logrado que una proteína fluorescente lasee dentro de células vivas. Consiguen así generar un haz direccional intenso monocromático de luz verde. Especulan que este sistema podría servir para distinguir células cancerosas de las sanas.
La sustancia usada es la proteína flurescente verde o GFP, que se encuentra en la medusa Aequorea victoria y que ha sido usada para técnicas de imagen en Biología desde los años sesenta. Combinando el gen de codifica esta proteína con otros genes, la GFP puede pegarse a la proteína que se quiera estudiar. Se puede hacer un seguimiento de la proteína a estudiar en los tejidos iluminando con luz de alta frecuencia y visualizando la fluorescencia que produce la GFP asociada. Naturalmente la luz producida por este sistema es incoherente, sus fotones no están “puestos de acuerdo” y no es distinguible de la que pueda producir una bombilla verde. Hasta aquí nada nuevo.
Malte Gather y Seok Hyun Yun, del Massachusetts General Hospital, creyeron que sería posible amplificar por estimulación la GFP para producir un láser biológico. Si esto fuera posible, pensaron, se podría hacer que cualquier organismo, desde la bacterias a una vaca, lasease.
Así que se pusieron manos a la obra y tomaron células humanas embrionarias de riñón en una placa de Petri y añadieron ADN que codificaba GFP. Cultivaron estas células reprogramadas, tomaron una gota de la disolución obtenida y la depositaron sobre un espejo de 3cm de diámetro. Sobre él colocaron otro espejo de igual tamaño dejando una distancia de 200 micras entre ellos. Luego introdujeron energía en el sistema con un láser azul pulsado de nanosegundo a través de ese hueco entre espejos para excitar las proteínas GFP. Con la ayuda de un microscopio enfocaron a una célula aislada para ver el resultado.
Fueron aumentando gradualmente la potencia del láser de bombeo y registrado la luz verde producida por la célula. Por encima de cierto umbral la célula laseó en verde. Era la primera vez que se construía un láser con material vivo.
Los investigadores creen que el hallazgo tendrá importantes aplicaciones prácticas. Así por ejemplo, se podrá usar para diferenciar las estructuras celulares o para distinguir con claridad las células cancerígenas o las infectadas por virus de las sanas.
El próximo paso será reducir la longitud de la cavidad entre los espejos para que tenga el groso de una sola célula (10 o 20 micras) y aplicar la técnica a tejidos “in vivo” sin que se necesite extraer células, quizás usando fibras ópticas para “bombear” luz dentro del cuerpo.
Se ha especulado que algo así podía también usarse en un futuro como sistema de comunicación entre tejidos vivos y sistemas optoelectrónicos sintéticos, dado lugar a algún tipo de interface hombre-máquina. Un sistema de ese tipo podría ayudar a personas con discapacidades a la hora de usar un ordenador o un exoesqueleto.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3528

Fuentes y referencias:
Noticia en Physics World.
Artículo original.