La célula es la unidad básica que constituye a los seres vivos. Al agregarse células se conforman tejidos, órganos, extremidades. Desde su descubrimiento (hace trescientos cincuenta años, utilizando un microscopio óptico), existe la curiosidad de saber cómo funcionan. A partir de la década de 1950 se ha desarrollado la disciplina científica conocida como biología molecular, que estudia a los componentes de una célula: las macromoléculas, que son arreglos de cientos de miles de átomos que efectúan funciones específicas mediante las cuales la célula sobrevive y prolifera.
Las proteínas y el ácido desoxirribonucleico –el ADN– son dos tipos de macromoléculas; sus tamaños son, típicamente, de unos cuantos nanómetros. Un nanómetro (nm) es una mil millonésima parte de un metro (1 nm=10-9 m). Las cosas más pequeñas que podemos ver sin ayuda son mucho mayores que un nanómetro: el grosor de un cabello es de unos 50,000 nanómetros.
Dentro de las macromoléculas existe un tipo de proteínas extraordinarias conocidas como motores moleculares, las cuales son verdaderas nano-maquinarias. Tal vez el más pequeño de estos motores es la cinesina. Formada por dos cadenas idénticas de aminoácidos (los componentes de una proteína), la cinesina mide alrededor de 7 nm de longitud y su labor dentro de la célula es transportar cápsulas conocidas como organelos del centro hacia la periferia. Esta tarea la realiza consumiendo moléculas contenedoras de la energía bioquímica en los organismos vivos y transformando esta energía en movimiento, para así avanzar sobre filamentos extendidos conocidos como microtúbulos (los cuales forman parte del esqueleto de la célula).
A través de experimentos in vivo e in vitro (observando cinesinas en un organismo vivo o aisladas en ambientes controlados, respectivamente), se sabe que la cinesina avanza sobre los microtúbulos como una persona caminando sobre un riel (ver esquema). El cargamento que se transporta es precioso: cápsulas que en su interior contienen, por ejemplo, neurotransmisores esenciales para llevar a cabo la comunicación entre neuronas.
En el ser humano existen varios tipos de cinesinas. Se sabe que fallos en el mecanismo del motor molecular pueden dar lugar a padecimientos neurodegenerativos (tales como la enfermedad de Alzheimer): de ahí la importancia de su estudio.
ANÁLISIS. Para comprender el mecanismo de un motor común, como el de una batidora o el de un automóvil, podemos estudiar las respuestas del motor a estímulos controlados, o bien desarmarlo y estudiar cada una de sus partes. Para entender el funcionamiento de un motor molecular como la cinesina se realiza algo similar. ¿Y cómo es posible manipular un motor que mide tan sólo unos pocos nanómetros de tamaño? Para ello se utilizan unas pinzas diminutas, que están hechas de… luz. La luz ejerce fuerzas sobre la materia, y esto constituye la base de estas tenazas de luz, llamadas pinzas ópticas.
Cuando un haz de luz se propaga en cierta dirección e incide sobre partículas de cualquier material, las empuja en esa misma dirección. Ésta es la razón por la cual un cometa desarrolla una cola que apunta justo en la dirección en la que viaja la luz solar. Así, siempre que estamos debajo del sol de mediodía soportamos una presión debida a la luz que nos empuja hacia el suelo. ¿Por qué no sentimos esto? Porque la presión debida a la luz es muy pequeña, completamente despreciable en comparación con la presión atmosférica. Sin embargo, las fuerzas asociadas a la luz sí son comparables a las que se desarrollan en el mundo de la biología molecular.
Las pinzas ópticas están formadas por un haz de láser que es enfocado o concentrado por una lente. Bajo la influencia de este haz, objetos minúsculos (con tamaños de nanómetros hasta micrómetros) de plástico o vidrio –e inclusive células y bacterias– se desplazan hacia el punto focal del láser, justo en donde la intensidad luminosa es más alta. Una vez que llegan a este punto, las partículas quedan atrapadas, sujetas por la luz. Las pinzas ópticas, por tanto, hacen realidad el “rayo tractor” de la serie de ciencia ficción Star Trek, que podía capturar y manipular naves espaciales utilizando un haz de luz.
En el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT), en San Luis Potosí, hemos construido un instrumento de pinzas ópticas. Este instrumento se basa en un microscopio óptico, con el cual podemos observar muestras biológicas y micropartículas. Un microscopio óptico utiliza lentes para formar una imagen amplificada de la muestra de interés. La lente más importante del microscopio es el objetivo, que se encuentra inmediata a la muestra. A nuestro microscopio le acoplamos un haz láser, que hacemos pasar a través de la lente objetivo, con lo cual logramos tener el láser enfocado sobre la muestra. Este láser es el que captura y manipula nano-objetos.
Para estudiar motores moleculares con el sistema de pinzas de luz, tomamos una esfera de plástico de 500 nanómetros de diámetro a la cual se une un solo motor molecular de cinesina. Con las pinzas ópticas atrapamos la esfera que lleva consigo al motor y la colocamos sobre un microtúbulo previamente fijado sobre la superficie del cubreobjetos. Al interactuar con el microtúbulo, la cinesina comienza a consumir energía y a desplazarse sobre el microtúbulo, llevando consigo a la esfera de plástico. Por otra parte, el láser de la pinza óptica también ejerce una fuerza sobre la esfera. Se da entonces una situación similar al juego en donde dos equipos tiran de una cuerda en sentidos opuestos (ver esquema). Si el motor molecular tira de la esfera hacia la derecha, el láser tira hacia la izquierda. Con un experimento de este tipo se ha logrado saber que la cinesina se desplaza sobre el microtúbulo, dando pasos de 8 nm, y que este motor biológico y nanométrico es capaz de desarrollar fuerzas del orden de 0.000 000 000 007 N = 7 x 10-12 N". En comparación, para levantar nuestro teléfono celular del piso necesitamos una fuerza de 1 N. Las magnitudes tan pequeñas de desplazamientos y fuerzas que aquí mencionamos proporcionan una idea de lo que ocurre a nivel molecular dentro de la célula, así como de las capacidades de medición de las pinzas ópticas.
Actualmente, en el IPICYT estamos desarrollando métodos para estudiar qué sucede cuando muchos motores moleculares intentan transportar una sola cápsula. Esta situación es común dentro de la célula, pues ayuda a asegurar que la cápsula llegue a su destino. Con ello esperamos aprender no sólo acerca del mecanismo que emerge cuando muchos motores moleculares interaccionan entre sí, sino también sobre los posibles beneficios de estos arreglos moleculares para las células.
Fuente La Cronica
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