Han pasado más de 300 años desde que el comerciante holandés Anton Van Leeuwenhoek viera lo “invisible”. Leeuwenhoek pulió una serie de lentes con los que pudo descubrir el mundo microscópico**, hasta ese entonces oculto al ojo humano. Sus observaciones no sólo dejaron boquiabierta a la comunidad científica, sino a todo el mundo: filas de gente curiosa acudían a ver los “bichos” revelados con las lentes de Leeuwenhoek.
Desde entonces inició una revolución, muchos se dedicaron a estudiar y entender todo aquel mundo microscópico; a la par, una carrera de instrumentación óptica dio inicio para desarrollar instrumentos más estables para ver y descubrir este maravilloso mundo. Y debemos remarcar lo de “ver”, ya que, si alguna vez has tenido oportunidad de observar bajo el microscopio, notarás que te es imposible tocar o interactuar con la muestra que estás observando.
Sin embargo, esta revolución daría un gran giro, a finales de la década de 1960, al desarrollarse una herramienta que además de permitir ver lo “invisible”, ¡también permite tocarlo!
Esta herramienta recibe el nombre de pinzas ópticas. El nombre de pinzas hace alusión a una herramienta mecánica, que como tal nos permite tocar, rotar, mover y desplazar un objeto. Por otro lado, el término óptica está relacionado con la palabra luz: al abrir los ojos, podemos “ver” debido a la captación de luz por medio de nuestros ojos. Además de permitirnos “ver”, la luz también nos permite “empujar” objetos; esto puede sonar ajeno a nuestra realidad pues nadie es empujado por la luz de una lámpara o aquella proveniente del sol. Sin embargo, es una idea que planteó Johannes Kepler al sugerir que la luz solar era la responsable de empujar las pequeñas partículas de polvo que rodean a un cometa y con las que se crea su famosa cola.
¿Cómo es posible que la luz “empuje” objetos? Podemos imaginar que la luz está formada por millones de partículas (los llamados fotones), y que cada partícula posee momento lineal (lo cual se refiere que tiene la capacidad de empuje); de esta manera, si sumamos la contribución de todo este flujo de fotones incidiendo sobre una superficie de un objeto microscópico, podemos concluir que lo terminará empujando.
Los efectos de la luz sobre objetos microscópicos sólo fueron visibles con la invención y desarrollo del láser. Fue hasta la década de 1970 cuando, el ahora premio Nobel de Física Arthur Ashkin enfocó un haz láser en una región microscópica. Al situar una muestra de partículas esféricas suspendidas en agua, observó que eran jaladas hacia el centro del haz y también eran empujadas en la dirección de propagación del láser. Esta observación dio pie a muchos otros experimentos, en los cuales, al enfocar el láser por medio del objetivo de un microscopio y con un sistema que permite moverlo de manera muy precisa, se observó que es posible desplazar las partículas suspendidas en agua con mucha precisión.
Fue así como la aplicación de este logro experimental dio inicio a una carrera para atrapar y estudiar objetos microscópicos. Entre muchos de los estudios, podemos destacar las siguientes aplicaciones: medir la elasticidad de una cadena de ADN, deformar glóbulos rojos de humanos para estudiar sus propiedades mecánicas, y con ello establecer una técnica de diagnóstico de células enfermas y sanas, o realizar la perforación de células cancerígenas para inyectarles algún tratamiento.
Las aplicaciones de la técnica de pinzas ópticas han sido de vital importancia en las áreas biológicas, pues se ha incorporado como una técnica complementaria a las de microscopía convencional; los sistemas actuales de pinzas ópticas están acoplados a modernos microscopios en los que, además de contar con resolución suficiente para observar la vida, también es posible “tocarla” y medir las fuerzas que permiten que exista.
El intervalo de fuerzas que la luz nos permite ejercer por medio de las pinzas ópticas es del orden de 10-12 pN (pico-Newton)***, para darnos una idea de lo pequeño que resulta este valor comparemos con el hecho que para mover el carrito del super que contiene un objeto con una masa de 1kg a una aceleración constante de 1m/s2 la fuerza necesaria es de 1 N (Newton) y posiblemente no “sintamos” que sea muy fuerte la fuerza. Sin embargo, las fuerzas que las pinzas ópticas pueden ejercer son suficientes como para conocer los procesos de activación o respuesta de neuronas, o para estudiar cómo se mueven las bacterias en un medio acuoso.
Esta poderosa herramienta ha hecho volar a la imaginación de la comunidad científica, lo cual ha llevado a combinarla con otras técnicas como la espectrometría Raman, formando una poderosa herramienta que permite analizar la composición química de los objetos que están atrapados.
Actualmente, en el Grupo de Biofotónica de INAOE contamos con un sistema de pinzas ópticas, equipado con un sensor que nos permite medir la fuerza con la cual los objetos son atrapados. La pinza óptica está formada por un láser de una longitud de onda “invisible” (1070nm de longitud de onda), es decir, fuera del intervalo del espectro que nuestros ojos pueden capturar. Este láser es de vital importancia, pues no induce un calentamiento sobre la materia viva y por ello no la daña, de esta manera hemos logrado capturar los organelos en el interior de hongos; midiendo los desplazamientos de un organelo podemos determinar importantes propiedades mecánicas como la elasticidad y viscosidad. Podemos imaginar este experimento como la medida del ritmo cardiaco que detecta un reloj inteligente en una persona que está nadando en una alberca, a medida que nada más rápido su ritmo cardiaco se incrementa y esto es detectado, dando una razón del esfuerzo que la persona está haciendo al nadar. De igual manera, con un sensor de fuerzas determinamos el esfuerzo de un organelo atrapado con las pinzas ópticas y de esta manera podemos relacionar una propiedad mecánica con el grado de salud del hongo.
Por otro lado, también hemos hecho experimentos en los cuales una esfera atrapada por medio de la pinza actúa como un esfuerzo mecánico artificial sobre neuronas receptoras del tacto, las cuales fueron aisladas de un nematodo. Con estos experimentos se ha estudiado la fuerza de reacción y los mecanismos que subyacen al proceso de activación de neuronas, ampliando el campo de aplicación de las pinzas ópticas en áreas tan diversas como las neurociencias y la optogenética.
Recientemente, algunos autores han sugerido la idea de utilizar pinzas ópticas como una herramienta portátil y que evita el “contacto humano” para estudiar la composición química de polvo estelar. De esta manera, se propone como una herramienta que podría ser llevada en alguna misión estelar y buscar rastros de elementos químicos que sean vitales para el desarrollo de la vida. El futuro es prometedor con esta técnica. A ti, ¿qué aplicación se te ha ocurrido?
** Microscópico. Hace referencia a todo aquello que mide un par de micras, es decir, una millonésima parte de metro (intenta dividir un listón que mida un metro en un millón de partes iguales: morirás en el intento. Pero lo que obtendrías son divisiones invisibles a tu vista por lo pequeñas que son).
*** 1 Newton es igual a 1012 pico-Newton
Referencias
[1] Ashkin A, Dziedzic JM, Bjorkholm JE, Chu S (1986). Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt. Lett. 11 (5): 288–290.
[2] Appleyard, D.C., Vandermeulen, K.Y., Lee, H., & Lang, M.J. (2007). Optical trapping for undergraduates. American Journal of Physics, 75, 5-14.
Twittear