Este año, el premio Nobel de Química fue otorgado a tres destacados científicos por la invención de los microscopios fluorescentes de super resolución. Los galardonados fueron los  investigadores  Eric Betzig, W. E. Moerner, y Setefan W. Hell, los dos primeros, estadounidenses, y el último, nacionalizado alemán. Sus inventos han revolucionado la investigación del mundo de lo más pequeño al permitir visualizar en vivo, y por primera vez, la actividad y forma de objetos más pequeños que las células y las bacterias, pero más grandes que las moléculas, es decir, de estructuras del mundo que se conoce como nanoscópico.

Hasta la llegada de los microscopios fluorescentes de super resolución, los microscopios ópticos habían estado sujetos a un límite natural de resolución llamado el límite de Abbe, conocido desde 1873. Gracias al trabajo del científico Ernst Abbe se supo que era imposible discernir los detalles de objetos más pequeños que unas fracciones de micra1 empleando sólo luz visible. Este límite se debe a la naturaleza ondulatoria de la luz, y no hay forma de evadirlo usando mecanismos ópticos. Sin embargo, se puede evitar si se emplea radiación de alta energía (como rayos X o electrones) en la iluminación de la muestra, pero el precio a pagar es que el objeto estudiado puede ser destruido o dañado. Por mucho tiempo, S. W. Hell y E. Betzig, independientemente, pensaron sobre el problema y gracias a su perseverancia, encontraron una forma ingeniosa, a su manera, de evitar el límite de Abbe en microscopios ópticos usando moléculas fluorescentes.

La idea de Hell consiste en unir moléculas fluorescentes a la muestra que se desea estudiar. Luego, mediante un haz muy fino de luz láser se ilumina la muestra que se desea analizar. La anchura del haz es muy pequeña, y no es menor que el límite de Abbe. Al ser iluminadas con el láser, las moléculas fluorescentes comienzan a brillar emitiendo la luz fluorescente que las caracteriza. Enseguida, se emplea un segundo haz de luz de menor energía, llamado STED, cuya función es apagar la fluorescencia de las moléculas iluminadas por el primer haz, excepto en una región central más pequeña que el límite de Abbe. Lo anterior permite aumentar la resolución del microscopio y observar estructuras más pequeñas que una micra. Para lograr este curioso efecto, al haz de luz STED se le da forma de dona o anillo, caracterizado por un diámetro interno más pequeño que el límite de Abbe, y se sobrepone sobre la mancha de luz generada por el primer haz. Ahora bien, para generar la imagen de un objeto los dos haces barren simultáneamente la muestra y de cada punto donde estos se colocan se mide la fluorescencia emitida. Al final, se unen todos los puntos luminosos observados, generando una imagen con una resolución nunca antes alcanzada por un microscopio óptico. Hell fue el primero en vencer el límite de Abbe con su técnica cuando sus ideas cristalizaron en la construcción del primer microscopio fluorescente de super resolución en el año 2000, al cual llamó microscopía de supresión por emisión estimulada (STED, por sus siglas en inglés). Este nombre proviene del hecho de que el haz STED al incidir sobre las moléculas fluorescentes da paso a un mecanismo físico en ellas, conocido como emisión estimulada, que es el que entra en juego a la hora de suprimir la fluorescencia en las mismas. Cabe mencionar que el principio teórico detrás de la emisión estimulada no fue descubierto por S. Hell, sino por Albert Einstein a principios del siglo pasado.

Por otra parte, E. Betzig resolvió el problema del límite de Abbe usando una técnica de observación de luz fluorescente de moléculas individuales (y no de grupos de moléculas como en el caso del microscopio de S. Hell) desarrollado previamente por E. Moerner. Precisamente, Moerner fue quien estableció, en 1989 y 1997, las técnicas para observar la absorción y emisión de luz por una sola molécula, respectivamente. En la microscopía fluorescente de super resolución inventado por Betzig, la muestra se combina con una clase especial de moléculas fluorescentes que tienen la curiosa propiedad de apagarse y encenderse usando luz de diferente energía de manera respectiva. De hecho, fue el propio Moerner quien descubrió esta propiedad accidentalmente al estudiar cierto tipo de moléculas derivadas de otras, llamadas GTP. Estas últimas provienen de una especie de medusa2 (Aequorea victoria) y se caracterizan porque exhiben una fluorescencia verde. Ahora bien, regresando a nuestro punto, ya que a la muestra se le han fijado las moléculas fluorescentes, se les desactiva posteriormente con luz UV. Después, se ilumina la muestra con un láser de luz de baja intensidad, lo que permite activar la fluorescencia de algunas moléculas de la muestra. Ya que el haz es muy tenue, generalmente son pocas las moléculas que se encienden. Estas se activan al azar a distancias mayores que el límite de Abbe, lo que permite observar la emisión fluorescente de cada molécula activada sin que se superponga con la de otra. Enseguida, se toma una imagen de las manchitas de luz de las moléculas emisoras, de donde, con ayuda de una computadora, se calculan las posiciones reales de las lamparitas emisoras de luz con una precisión de nanómetros3. Como siguiente paso, se baña nuevamante la muestra con el haz láser de luz y se graban las posiciones de las siguientes moléculas encendidas. El proceso se repite varias veces. Al final, se unen todas las imágenes obtenidas y el resultado es la figura de la muestra a la cual estaban adheridas las moléculas fluorescentes, con una resolución de nanómetros. Betzig bautizó originalmente a su técnica como microscopía de localización fotoactivada (PALM, por sus siglas en inglés), pero posteriormente la llamó microscopía de reconstrucción óptica estocástica o STORM. El primer microscopio de este tipo fue construido por Betzig y sus colaboradores en el 2006, seis años después del construido por Hell.

A diferencia de otros microscopios de alta resolución, los microscopios fluorescentes de super resolución poseen la ventaja de que no dañan las muestras analizadas y no matan los organismos vivos que están siendo estudiados. Además, permiten seguir, paso a paso, el comportamiento individual de objetos tan pequeños como las moléculas. Lo anterior ha encontrado diversas aplicaciones en campos tan diversos como la biología, la química, la física, la medicina, la farmacología, etc. En el campo de la biología, por ejemplo, se le ha empleado para averiguar cómo funcionan las células vivas a nivel molecular, estudiar en detalle la división celular, visualizar estructuras celulares que antes no eran posible observar con microscopios convencionales, observar como interaccionan las proteínas con las células y el DNA, etc., mientras que en química, se le ha usado para indagar como es qué se reagrupan las moléculas en una reacción química, entre otras cosas. Las aplicaciones de esta nueva tecnología son ilimitadas. Pero lo más importante es que el uso que se le está dando a estos instrumentos promete grandes avances científicos que seguramente traerán bienestar a la humanidad.