• Con láseres controlados en laboratorio,
la investigadora universitaria Karen Volke Sepúlveda, ensaya
una tecnología que manipula, sin dañar, muestras de
ADN, virus, látex o vidrio
• Este desarrollo se perfila como una herramienta para estudiar
tejidos como los organelos de una célula, o para analizar,
de manera teórica y experimental, la propagación de
la luz y su interacción con materiales microscópicos
Parece magia, pero es física pura.
La luz se puede convertir en una pinza precisa y delicada que, sin
dañar, empuja y atrapa células de virus, bacterias y
ADN, o diminutos fragmentos de materiales como vidrio o látex.
En ese proceso no hay truco, sino una manipulación
controlada y precisa que se realiza en el Laboratorio de Pinzas Ópticas
del Instituto de Física (IF) de la UNAM, donde Karen Volke
Sepúlveda trabaja en un cuarto negro, sobre una mesa óptica
que garantiza estabilidad para que los trayectos del láser
vayan directo al objetivo: las muestras biológicas o los materiales
que se quieren mover, orillar y capturar.
Para los biólogos, este desarrollo
se perfila como una herramienta de trabajo para estudiar tejidos como
los organelos de una célula, las moléculas de un virus
o el mecanismo de transporte de una enzima; mientras, para los médicos
constituye una tecnología de alta precisión, útil
en microcirugía y en la aplicación de métodos
de reproducción asistida.
En tanto, para los físicos representan
una forma de estudiar, de manera teórica y experimental, la
propagación de la luz y su interacción con materiales
microscópicos, sean biológicos o inorgánicos.
Quizá por lo atractivo que resulta
el alcance de la luz, esta investigación fue seleccionada para
presentarse ante estudiantes de secundaria y preparatoria que asistieron
al Día de Puertas Abiertas del IF de la UNAM.
En el auditorio Alejandra Jaidar,
Volke explicó que una pinza óptica es un dispositivo
que, mediante un haz de luz láser, permite atrapar objetos
microscópicos, que van desde fracciones hasta decenas de micra,
medida equivalente a la milésima parte de un milímetro.
“Son partículas mucho más pequeñas que
el diámetro de un cabello, cuyo grosor es de 50 a 150 micras”,
ejemplificó.
Cualidades eléctricas
Las pinzas ópticas se basan en la
manipulación de un haz lumínico que emplea sus cualidades
eléctricas para atraer y atrapar moléculas en las que
puede penetrar (por ejemplo, si son paredes celulares), o a las que
puede cortar o transportar, como el material genético (ADN),
que no se atrapa directamente, pero se puede conducir con las pinzas
con la utilización, como vehículo, de partículas
de vidrio.
Volke aclaró que se les llama pinzas
por su capacidad de atrapar, no porque tengan forma de tenaza. Se
trata de un solo láser que se dirige de forma precisa hacia
las partículas de interés.
Atracción lumínica
La acción de atrapar es posible debido
a las propiedades de la luz, que se comporta, a la vez, como una onda
y como una partícula.
Karen Volke explicó que, como onda,
tiene campos electromagnéticos que vibran con una frecuencia
muy alta. “Los átomos que componen la partícula
también tienen propiedades eléctricas, una carga positiva
concentrada en el núcleo y otra negativa en los extremos",
detalló.
Estas interacciones eléctricas hacen
que las partículas se vayan hacia la región de máxima
intensidad de luz, ubicada en el centro luminoso.
"Si enfocamos un haz, como lo hacen
los niños al dirigir la luz del Sol con una lupa hasta quemar
a una hormiga, pero usamos lentes de microscopio potentes que se orientan
a un punto extremadamente pequeño, lograremos atrapar las partículas
en el punto focal, que es el mismo donde los pequeños logran
quemar a ese insecto", ejemplificó.
El desarrollo de una pinza óptica
requiere de un laboratorio con equipo de alta precisión. El
proceso inicia con la emisión de un láser, que puede
ser verde para atrapar material inorgánico, pero requiere ser
infrarrojo para capturar tejido biológico vivo sin dañarlo.
Ruta de tres espejos
En el proceso se emplean dos espejos normales,
que dirigen casi toda la luz que recibe, y un tercero, denominado
dicroico, que es selectivo y solamente refleja la emisión del
láser y deja pasar la luz que no proviene de ese haz. Al final
de la ruta de espejos, el láser llega a un microscopio con
una lente muy potente.
"El microscopio cumple dos funciones:
por un lado, enfoca al láser para lograr la intensidad que
requiere la pinza óptica y, por otro, permite ver las partículas
mientras son atraídas y atrapadas por la luz", añadió.
Las partículas a analizar se colocan
en el portaobjetos del microscopio, hacia donde se enfoca el láser.
Una cámara adaptada a ese instrumento registra el proceso de
captura y conduce su señal hacia una computadora que amplifica
el proceso en un monitor.
Las aplicaciones de pinzas ópticas
incluyen usos en ingeniería genética y microcirugía,
pero Volke centra su estudio en las propiedades dinámicas de
los haces luminosos, que tienen diferentes geometrías, como
la elíptica y la parabólica. "Nos interesa saber
cómo la luz hace rotar a las partículas".
Un poco de historia
Las pinzas ópticas fueron creadas
en 1986 por Arthur Ashkin, físico estadounidense, en los laboratorios
Bell.
En 1970, interesado en medir la presión
que ejerce la radiación luminosa sobre ciertas partículas,
el científico reportó que éstas se pueden empujar
en la dirección de propagación de un haz de luz láser,
luego de ser atraídas hacia el eje del haz.
Durante sus experimentos, Ashkin observó
que además de atraerlas y empujarlas, el láser también
puede atrapar las partículas. Entonces, ideó el concepto
de "pinza óptica", un haz de luz láser que,
en intensidades muy elevadas, captura partículas de origen
inorgánico o biológico.
Desde 1986, científicos de varios
países prueban aplicaciones de estas pinzas para manipular
pequeñísimas porciones de materiales delicados sin dañarlos
ni contaminarlos.
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