Los fanáticos de Star Wars, Star Trek, Los Cazafantasmas, y otras películas de ciencia ficción recordarán múltiples escenas en las que se usan rayos láser para capturar e inmovilizar naves enemigas, levitar y transportar personas hacia una nave, o capturar y encarcelar fantasmas dentro de un cubo. Esto es por supuesto ciencia ficción, sin embargo, esto evidencia un sueño de la humanidad por poder manipular la materia con un simple rayo láser. Afortunadamente, la ciencia muchas veces transforma la ficción en realidad. El premio Nobel de Física 2018 es un ejemplo.

En la década de 1970, Arthur Ashkin—un físico estadounidense de los laboratorios Bell en New Jersey—observo mientras experimentaba con láseres que podía tomar la luz enfocada de un rayo láser y atrapar bolitas de plástico microscópicas que se encontraban difundiendo libremente dentro de una solución de agua. Curiosamente, Ashkin observo que si movía el láser las bolitas de plástico atrapadas también se movían siguiendo la trayectoria del rayo láser. Tras observar este fenómeno, Ashkin bautizo a su instrumento como “Pinzas Opticas”, pues este permitía manipular partículas sumamente pequeñas

Figura 1. Esquema de los experimentos sobre la flexibilidad del ADN con Pinzas Ópticas.

con alta precisión, como si el rayo láser se tratase de una “pinza”. Ahora sabemos que este fenómeno de atrapamiento de la materia se debe a que la luz ejerce fuerza sobre la materia, como se evidencia por ejemplo en la dirección de la cola de los cometas con respecto al sol. Ashkin y su equipo siguieron investigando con las Pinzas Ópticas y lograron atrapar átomos, y a fines de la década de 1980, lograron capturar bacterias sin dañarlas. Este fue el inicio del uso de las pinzas ópticas para el estudio de sistemas biológicos.

Con estas observaciones, a fines de la década de 1980, comenzaron las primeras investigaciones de sistemas biológicos usando la tecnología desarrollada por Ashkin. Un pequeño grupo de científicos notaron que las Pinzas Ópticas podían ser usadas para el estudio de una molécula a la vez, y no de millones como se hace usualmente. Entre este selecto grupo se encuentra el científico peruano Carlos Bustamante, ex-alumno de la Universidad Cayetano Heredia y San Marcos. A inicios de la década de 1990, Bustamante y su equipo se preguntaron si podían utilizar las Pinzas Ópticas para estudiar la elasticidad del ADN. Para ello, colocaron una molécula individual de ADN entre dos esferas microscópicas de plástico, y usaron las Pinzas Ópticas para estirar o contraer una molécula de ADN mediante el movimiento controlado de una de las esferas con el láser (Figura 1), análogamente a estirar un resorte con ambas manos. Los resultados de estos experimentos—publicados en una serie de artículos en la revista Science—demostraron por primera vez que el ADN es una molécula muy elástica, y proporcionaron información relevante sobre las propiedades físicas del ADN que eran desconocidas hasta ese momento. Estos experimentos sobre la elasticidad del ADN establecieron la base para la siguiente frontera: el estudio de los motores moleculares, plegamiento de proteínas y ARN.

En los últimos 25 años, la comunidad científica ha usado Pinzas Ópticas para estudiar procesos biológicos a nivel de moléculas individuales (“single molecule” en inglés), lo cual ha resultado en descubrimientos sumamente importantes de la maquinaria celu

Figura 2. Portada de la Revista Nature, abril 2008.

lar, y que no eran accesibles con otros métodos experimentales. El laboratorio de Carlos Bustamante en la Universidad de California en Berkeley ha sido uno de los líderes y protagonistas de esta revolución, evidenciado por la infinidad de premios obtenidos (como el premio Vilcek 2012), portadas en revistas como Nature o Cell, así como por el número de publicaciones de su laboratorio usadas para respaldar el premio Nobel de Física de este año (https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/advanced-physicsprize2018.pdf).

En el laboratorio de Carlos Bustamante en Berkeley se han formado (y se siguen formando) científicos peruanos especialistas en Pinzas Ópticas. Entre ellos se encuentra i) Rodrigo Maillard, quien ahora dirige su propio laboratorio en la universidad de Georgetown en Estados Unidos, y quien publico uno de los artículos que respaldan el Nobel de Física, ii) Yves Coello, Profesor en la Universidad Católica del Perú, iii) Daniel Guerra, director del Laboratorio de Moléculas Individuales en Cayetano Heredia, iii) Robert Sosa, Christian Cañari, y Omar Herrera, quienes vienen realizando el doctorado, y iv) el autor de este artículo, quien es ahora postdoc en Stanford.

Gracias a las gestiones de Carlos Bustamante, el Perú es, desde el 2009, el primer país en Latinoamérica en contar con Pinzas Ópticas, las cuales se encuentran en la Universidad Cayetano Heredia. Hace dos años, la Universidad de Chile adquirió su propio set de pinzas ópticas, con lo que se ha instalado un eje científico de relevancia internacional en el campo de las Pinzas Ópticas a través de la cooperación Berkeley – Lima – Santiago de Chile, y el cual viene cobrando mayor presencia en la comunidad científica internacional.

Figura 3. Carlos Bustamante en su laboratorio en Berkeley. (Foto: Berkeley Science Review, 2012)

Un producto de esta colaboración es el simposio internacional que se llevara a cabo en Julio del 2019 en Lima, organizado por científicos de Perú, Chile, Argentina, y USA, y auspiciado por la Sociedad de Biofísica de Estados Unidos. Este congreso, titulado “Revisiting the Central Dogma of Molecular Biology at the Single-molecule Level”, es el primero de su tipo en desarrollarse en Latinoamérica, y se centrará en mostrar los resultados de investigaciones recientes sobre el dogma central de la biología molecular usando no solo Pinzas Ópticas, sino también otros métodos como Microscopia de Alta resolución (premio Nobel en Quimica 2014), AFM, FRET, y demás métodos usados en el mundo de las moléculas individuales. Este evento cuenta con la presencia de investigadores líderes en el campo, como:

Carlos Bustamante, University of California, Berkeley, USA *
Ruben Gonzalez, Columbia University, USA
Tomas Kirchhausen, Harvard University, USA *
Rodrigo Maillard, Georgetown University, USA *
Matthias Rief, Technische Universität München, Germany
Piere Rodriguez-Aliaga, Stanford University, USA *
Simon Scheuring, Weill Cornell Medical College, USA
Christian A.M. WilsonUniversity of Chile, Chile
Gijs Wuite, Vrije Universiteit Amsterdam, the Netherlands
Xiaowei Zhuang, Harvard University, USA

* Científicos Peruanos

Mayor información del evento: https://www.biophysics.org/2019lima

Escrito por Piere Rodríguez-Aliaga, PhD

Postdoc en la Universidad de Stanford. Graduado del programa doctoral de Biofísica de la Universidad de California en Berkeley. Realizó su tesis doctoral con en el laboratorio de Carlos Bustamante en Berkeley sobre el estudio del plegamiento y degradación de proteínas usando Pinzas Ópticas.

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