La teoría de la formación de imágenes en el microscopio propuesta por el físico alemán Ernst Abbe supuso un cambio en el enfoque científico sobre el que se apoyaba la microscopía. Sin embargo, este investigador postuló que “es imposible discernir dos elementos más cercanos entre sí que la mitad de la longitud de onda de la luz empleada”.
En otros términos, el científico de finales del siglo XIX sostuvo que había un límite de resolución. Y así fue a lo largo de muchas décadas, durante las cuales este inconveniente agobió a biólogos que necesitaban ver estructuras más diminutas de las células (universo nanométrico) y a físicos a quienes no les gustaba que la naturaleza les impusiera un límite.
Más de 150 años después, en 2014, Stefan Hell, Robert Eric Betzig y William E. Moerner recibieron el Premio Nobel de Química por “el desarrollo de la microscopía de fluorescencia de superresolución”, demostrando que podíamos ver moléculas sin tener demasiado en cuenta el límite de Abbe usando microscopía óptica. Fue la primera muerte de Abbe y nació la nanoescopía.
Ahora se perfila la segunda muerte de Abbe ya que científicos de la UNAM liderados por el doctor Oswaldo Guerrero Cárdenas diseñaron un algoritmo que al ser incorporado a computadoras que ya procesan imágenes de fluorescencia tomadas con un microscopio ordinario hace posible que adquieran una calidad equiparable a la obtenida con grandes y costosos equipos de superresolución.
Convocado por Vértigo, Guerrero sostiene que además del algoritmo y la teoría matemática que lo sustenta hay una gran aportación y solución para el mundo científico “porque hemos creado la posibilidad de ampliar la resolución de cualquier herramienta de colección de imagen, desde microscopios ópticos tradicionales hasta los más avanzados. Los fundamentos matemáticos que hemos establecido tienen el potencial de revolucionar no solo el mundo de la microscopía, sino también cualquier área que dependa de sistemas ópticos, desde las cámaras de nuestros smartphones, pasando por herramientas de análisis a escala nanométrica, hasta la fotografía astronómica y la observación satelital”.
Al frente del Laboratorio Nacional de Microscopía Avanzada (LNMA) del Instituto de Biotecnología (IBt), Guerrero apunta que el algoritmo llamado Mean Shift Super Resolution (MSSR) se puede utilizar en microscopios de fluorescencia, donde las células son teñidas con colorantes; un tipo de imágenes que para ser procesadas requieren de una computadora.
Lo interesante, dice el experto, es que el nivel de resolución obtenido con el algoritmo permite estudiar aspectos asociados a la organización subcelular y, por ejemplo, identificar claramente las mitocondrias (relacionadas con la energía de las células), lo cual es útil para reconocer patologías vinculadas a fallas en estas estructuras, como problemas agudos de respiración.
Doctor en Ciencias Bioquímicas, recuerda que el microscopio es un instrumento que permite estudiar los microorganismos, las células que forman los seres vivos, objetos tan pequeños que no se pueden ver a simple vista. Empero, estos aparatos también tienen un límite establecido por la luz, ya que los conocidos como microscopios ópticos permiten observar la forma de objetos de hasta 0.2 micras de longitud, por lo que literalmente inventaron matemáticas y teoría, algoritmos que facilitan acceder a información hasta ahora inaccesible con los ojos o lentes tradicionales.
En una investigación que tomó más de cuatro años, donde tuvieron lugar una serie de experimentos y ejercicios matemáticos orientados a identificar el origen de la información en distintas imágenes y la mejora de estas en resolución espacial, los especialistas universitarios exploraron en las derivadas de una imagen e indagaron en su curvatura, lo que reveló transiciones rápidas o contornos, información esencial en microscopía para identificar estructuras sutiles, que en este contexto fueron los detalles nanoscópicos.
Para la creación del MSSR, cuenta el doctor Guerrero, los investigadores utilizaron una fórmula matemática ya conocida como “el sombrero mexicano”, que al ser representado gráficamente se ve como un sombrero (de ahí el nombre), el cual les permitió solucionar el problema asociado a la interferencia de la luz y disminuir la incertidumbre que generan imágenes borrosas.
Replanteamiento
Lo que inventaron en la UNAM fue un “sombrero mexicano matemático” para entender “cómo se organiza el mundo no a escalas microscópicas sino en escalas nanoscópicas, que son mucho más pequeñas, lo que da espacio a que se pueda utilizar tecnología ya existente en México para desarrollar productos en nanotecnología”, asienta.
“El sombrero mexicano” se utilizaba para identificar bordes y rastrear objetos, por ejemplo, detectar las salientes en una imagen o los bordes de un coche, por lo que el equipo del IBt lo redefinió para aplicarlo a la microscopía.
Tras evaluar el rendimiento del MSSR en una serie de escenarios experimentales se obtuvo evidencia de su capacidad para mejorar la resolución espacial en imágenes a escalas nanométricas, permitiendo ver detalles biológicos como las mitocondrias (relacionadas con la energía de las células), lo cual es útil para reconocer patologías vinculadas a fallas en estas estructuras, como problemas agudos de respiración.
Sin duda, la invención del principio matemático MSSR ha replanteado las concepciones tradicionales en microscopía óptica. Aunque el Paradigma de Abbe establece un límite a la difracción, la investigación del doctor Guerrero y su equipo propone que este límite se puede trascender mediante enfoques matemáticos.
La buena noticia es que este conocimiento es de acceso público, el MSSR puede ser utilizado por expertos que emplean “un microscopio de fluorescencia que, por ejemplo, se encuentra a nivel universitario o clínico para hacer diagnósticos y esta tecnología permite hacer que las imágenes sean más claras, y entender mejor el contenido,” subraya.
Lo más importante es que el desarrollo del IBt permite realizar experimentos de microscopía de superresolución sin necesidad de un instrumento que cuesta más de 20 millones de pesos y que es compatible con todas las técnicas experimentales de microscopía de fluorescencia.
Con el MSSR, que optimiza la resolución y el contraste, se podrá lograr una inspección más profunda de estructuras a escala nanométrica, desde caracterización de moléculas como fármacos, mediante fluorescencia, hasta el seguimiento de procesos biológicos en las mismas dimensiones nanoscópicas, incluso en tiempo real, utilizando instrumentos convencionales.
Para Guerrero el alcance del algoritmo no se limita a mejorar imágenes microscópicas, sino que en teoría se podría emplear además para procesar imágenes del espacio profundo —galaxias, estrellas de neutrones, nebulosas, etcétera— como las obtenidas con los grandes telescopios espaciales; es decir, ir de lo micro a lo macro.
Este avance tecnológico tiene el apoyo de la Fundación Chan Zuckerberg Initiative, una organización filantrópica fundada por el creador de Facebook, Mark Zuckerberg, y su esposa, Priscilla Chan, para hacer llegar la tecnología a Latinoamérica.
Sus creadores consideran que lo más importante es enseñar a otros expertos a utilizar la tecnología de la UNAM de tal manera que se genere un ciclo virtuoso de descubrimientos que impacte favorablemente a la sociedad.
Microscopios de superresolución y nanoscopios
Los microscopios de superresolución y los nanoscopios superan el límite de difracción de la luz y permiten a los investigadores estudiar estructuras subcelulares con mayor detalle que el que se alcanza con un microscopio con focal estándar. Con la posibilidad de resoluciones por debajo de 30 nm con STED se pueden estudiar a nanoescala tanto la morfología como la dinámica subcelular. El análisis de colocalización de subdifracción revela detalles de interacciones sin precedentes. Sin embargo, estos instrumentos ópticos solo son accesibles a precios estratosféricos. La tecnología de la UNAM permitirá hacer microscopía de superresolución en México y en países en vías de desarrollo para que las naciones desarrollen conocimiento sin necesidad de tener instrumentos caros, lo que puede transformar la forma en que se hace ciencia en América Latina, África y otros lugares.