Detectar un marcador de enfermidade cando aínda está en cantidades mínimas, levar un fármaco ao punto exacto no que se precisa ou desfacer colonias de bacterias con calor. Estas tres cousas dependen do mesmo: fabricar partículas capaces de recoñecer unha proteína concreta e ningunha outra, como un quebracabezas que só ten unha solución posible.
Sobre isto traballa, no Centro de Investigación en Nanomateriais e Biomedicina (CINBIO) da Universidade de Vigo, o grupo de Nanomateriais Biomiméticos que dirixe o catedrático Luis Liz-Marzán. Con todo, para deseñar esas partículas hai que entender primeiro como se comporta cada unha por separado, algo que non se pode ver cun microscopio convencional. Por esta razón, e para conseguilo, o CINBIO vén de incorporar unha ferramenta pouco común, un microscopio hiperespectral de campo escuro.
Partículas deseñadas para recoñecer proteínas
O microscopio chegou ao centro dentro dun proxecto financiado polo Consello Europeo de Investigación, CHIRAL-PRO, dotado con máis de 9,2 millóns de euros a través dunha ERC Synergy Grant e coordinado polo propio Liz-Marzán. Nel participan, ademais do CINBIO, o CIC biomaGUNE de San Sebastián, a Universidade de Amberes e a Universidade de Michigan.
“O obxectivo principal é o deseño de nanopartículas, partículas que son da orde de tamaños de millonésimas de milímetro, que teñen unha característica bastante especial que se chama quiralidade”, explica Luis Liz-Marzán. “Isto significa que non se poden superpoñer as súas imaxes especulares, igual que fan as nosas mans, que son imaxe especular unha da outra, pero se intentamos poñelas encima non coinciden”.
As proteínas do noso corpo tamén son quirais, isto quere dicir que dúas partículas con formas distintas non encaixarán por moito que todo o demais coincida, igual que unha luva dereita non entra na man esquerda. Esta coincidencia de escalas é o que abre a porta á aplicación biomédica. As nanopartículas miden o mesmo que as proteínas coas que teñen que interactuar, así que poden deseñarse para recoñecer de forma selectiva unhas dianas concretas.
E como se comproba a quiralidade dunha partícula que non se ve? Facendo xirar a luz como un sacarrollas. Ao xirala, nun sentido ou no contrario, unha partícula quiral non responde igual aos dous xiros. Medir esa diferenza equivale a saber de que man é. E, aínda que agora esa medida tomábase sobre todo o conxunto, agora pódese facer de maneira individual.
“Normalmente esta propiedade mídese en dispersións de nanopartículas nun líquido. Podemos iluminar millóns de partículas a un tempo, e polo tanto obtemos unha resposta promedio que oculta as diferenzas individuais”, explica Liz-Marzán. “Con este novo microscopio podemos facer o mesmo, pero distinguindo cada partícula individualmente“.
Un fondo negro cheo de puntos brillantes
A diferenza dun microscopio convencional, o microscopio hiperespectral de campo escuro non ilumina a mostra de fronte, senón que un condensador dirixe a luz de lado, de xeito que o obxectivo só capta o que as partículas devolven.
“Con isto veriamos un fondo negro sobre o cal aparecerían diferentes puntos brillantes. Por iso se chama de campo escuro”, explica Carlos Renero, investigador posdoutoral do grupo e responsable do deseño, a adquisición e a optimización inicial do sistema. “Neste caso en concreto, esta tecnoloxía permite ver partículas que poidan dispersar moito a luz e, así, podemos reducir o seu tamaño. Podemos ver nanopartículas de tamaños en torno aos cen nanómetros, vinte nanómetros incluso, que non seriamos capaces de captar cun microscopio convencional. E o mellor é saber que cada un dos puntos que vemos son partículas individuais“.
A parte hiperespectral engade unha segunda capa de información. O equipo non rexistra só o brillo de cada punto, senón o detalle completo da luz que devolve. É dicir, permite ver as diferentes lonxitudes de onda e cores no que as partículas dispersan a luz.
“É un proceso moi bonito e á vez complexo”, conta o investigador. “Moi bonito porque nos permite tomar unhas imaxes moi vistosas, moi coloridas, de nanopartículas, que son algo que xeralmente só se pode observar a través de microscopía electrónica. E tamén moi complexo, porque a preparación das mostras ten moitos pasos nos que temos que ser moi meticulosos para asegurarnos de que estamos vendo estas nanopartículas e non restos de po ou dalgunha outra impureza”.
Un equipo comercial que houbo que redeseñar
Para conseguir esta ferramenta, houbo que facer traballo previo con outras universidades. Neste caso, o grupo colaborou co laboratorio de Weihai Ni, profesor na Soochow University de China, e un dos referentes internacionais neste campo. Ni, ademais, foi investigador posdoutoral no grupo de Vigo hai vinte anos. Sobre esa base, o CINBIO adaptou despois o sistema ás necesidades de CHIRAL-PRO.
“Para adquirilo fomos a unha casa comercial, pero cambiamos o deseño e tivemos que dar instrucións á Soochow University para que incorporasen o que se chama un polarizador e un modulador de frecuencia, que nos permite implementar a polarización da luz de xeito circular á dereita ou á esquerda”, detalla Liz-Marzán. “O equipo é comercial, pero hai unha parte que necesitou dun deseño especial para adaptalo ás necesidades do proxecto”.
Para o investigador, o resultado sitúa ao centro nun grupo moi reducido, xa que aínda que hai uns vinte laboratorios no mundo que poden medir a resposta individual dunha partícula con luz polarizada circular, este é o único que permite ver centos de partículas de xeito simultáneo.
Aplicación e futuro na biomedicina
Entre as aplicacións previstas, moitas se centran no campo biomédico. Entre algunhas das máis relevantes, están a loita contra as infeccións resistentes provocadas polo feito de que as bacterias xeran fibras de proteína que lles permiten agruparse en biofilmes, unhas estruturas que dificultan o tratamento.
“Temos previsto a aplicación destas nanopartículas para recoñecer fibras de proteína xeradas por bacterias”, explica Liz-Marzán. “Se as nanopartículas recoñecen selectivamente esas fibras, podemos empregar a súa interacción coa luz para quentar selectivamente a zona irradiada, romper as ligazóns entre as bacterias, destruír os chamados biofilmes e potencialmente resolver problemas de infeccións bacterianas”.
O microscopio xa se está aplicando tamén noutras liñas do centro, en colaboración cos grupos de Isabel Pastoriza e Gustavo Bodelón, para observar o comportamento de bacterias que incorporan nanopartículas e buscar efectos terapéuticos baseados nesas propiedades.
O horizonte que marca o equipo é curto. A idea é que nos próximos dous anos teñan xa resultados relevantes e que isto lles permita estar na vangarda deste tipo de investigación.
