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La investigación se ha publicado en la revista científica ‘Nature Nanotech’ y ha sido destacada en ‘Nature’
Átomos artificiales para realizar resonancias magnéticas en células
Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) –instituto universitario adscrito a la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)–, en colaboración con el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad Macquarie de Australia, han desarrollado una nueva técnica, similar a la resonancia magnética pero con una resolución y sensibilidad mucho mayor, que permite escanear células individuales a escala molecular.
13/02/2013
En el artículo "Three-dimensional optical manipulation of a single electron spin", publicado en la revista Nature Nanotech, y destacado por Nature, el grupo de investigadores liderado por el investigador del ICFO, Romain Quidant, explica cómo ha conseguido utilizar átomos artificiales, partículas nanométricas de diamante dopado con una impureza de nitrógeno, para poder sondear campos magnéticos muy débiles, como los generados en algunas moléculas biológicas.
La resonancia magnética convencional registra los campos magnéticos de los núcleos atómicos de nuestro cuerpo que han sido previamente excitados por un campo electromagnético externo. Según la respuesta del conjunto de todos estos átomos podemos monitorizar y diagnosticar la evolución de ciertas enfermedades. Sin embargo, esta técnica de diagnóstico convencional tiene una resolución milimétrica. Los objetos más pequeños no tienen suficientes átomos como para poder observar la señal de respuesta.
La innovadora técnica propuesta por el grupo de Romain Quidant mejora significativamente la resolución hasta la escala nanométrica (1.000.000 veces mayor que la milimétrica), haciendo posible medir campos magnéticos muy débiles, como los que crean las proteínas. “Nuestro método abre la puerta a poder realizar resonancias magnéticas a células aisladas, obteniendo una nueva fuente de información para entender mejor los procesos intra-celulares y poder diagnosticar enfermedades a esta escala” explica Michael Geiselmann, investigador de ICFO que realizó el experimento. Hasta ahora sólo era posible llegar a esa resolución en el laboratorio, utilizando átomos individuales a temperaturas cercanas al cero absoluto (alrededor de -273 grados centígrados).
Los átomos individuales son estructuras muy sensibles a su entorno y tienen una gran capacidad para detectar los campos electromagnéticos cercanos. El problema que presentan es que son tan pequeños y volátiles que necesitamos enfriarlos a temperaturas próximas al cero absoluto para poder manipularlos. Este proceso es muy complejo y requiere un entorno muy restrictivo que hace inviable sus posibles aplicaciones médicas. Sin embargo, los átomos artificiales utilizados por el equipo de Quidant están formados por una impureza de nitrógeno capturada dentro de un pequeño cristal de diamante. “Esta impureza tiene la misma sensibilidad que un átomo individual pero es muy estable a temperatura ambiente gracias a su encapsulamiento. Esta cáscara de diamante nos permite manejar la impureza de nitrógeno en un entorno biológico y, por lo tanto, nos permite escanear células” argumenta Quidant.
Para poder atrapar y manipular estos átomos artificiales los investigadores utilizan luz láser. El láser funciona como una pinza capaz de dirigirlos por encima de la superficie del objeto a estudiar y así recibir la información de los pequeños campos magnéticos que lo conforman.
La aparición de esta nueva técnica podría revolucionar el campo del diagnóstico médico por imagen, ya que optimiza sustancialmente la sensibilidad del análisis clínico y, por lo tanto, mejora la posibilidad de detectar enfermedades con más antelación y tratarlas con más éxito.
Esta investigación ha sido posible gracias al apoyo de la Fundación Privada Cellex Barcelona.
Su investigación está orientada a programas dirigidos a aplicaciones de la luz en salud, en las ciencias de la vida, la nanomedicina, en energías renovables, en tecnologías de la información, la seguridad y los procesos industriales, entre otros. El centro acoge 250 investigadores y estudiantes de doctorado que trabajan en 60 laboratorios situados en un edificio de 14.000 m2, en el Parc Mediterrani de la Tecnologia, en Castelldefels, en el área metropolitana de Barcelona.
La resonancia magnética convencional registra los campos magnéticos de los núcleos atómicos de nuestro cuerpo que han sido previamente excitados por un campo electromagnético externo. Según la respuesta del conjunto de todos estos átomos podemos monitorizar y diagnosticar la evolución de ciertas enfermedades. Sin embargo, esta técnica de diagnóstico convencional tiene una resolución milimétrica. Los objetos más pequeños no tienen suficientes átomos como para poder observar la señal de respuesta.
La innovadora técnica propuesta por el grupo de Romain Quidant mejora significativamente la resolución hasta la escala nanométrica (1.000.000 veces mayor que la milimétrica), haciendo posible medir campos magnéticos muy débiles, como los que crean las proteínas. “Nuestro método abre la puerta a poder realizar resonancias magnéticas a células aisladas, obteniendo una nueva fuente de información para entender mejor los procesos intra-celulares y poder diagnosticar enfermedades a esta escala” explica Michael Geiselmann, investigador de ICFO que realizó el experimento. Hasta ahora sólo era posible llegar a esa resolución en el laboratorio, utilizando átomos individuales a temperaturas cercanas al cero absoluto (alrededor de -273 grados centígrados).
Los átomos individuales son estructuras muy sensibles a su entorno y tienen una gran capacidad para detectar los campos electromagnéticos cercanos. El problema que presentan es que son tan pequeños y volátiles que necesitamos enfriarlos a temperaturas próximas al cero absoluto para poder manipularlos. Este proceso es muy complejo y requiere un entorno muy restrictivo que hace inviable sus posibles aplicaciones médicas. Sin embargo, los átomos artificiales utilizados por el equipo de Quidant están formados por una impureza de nitrógeno capturada dentro de un pequeño cristal de diamante. “Esta impureza tiene la misma sensibilidad que un átomo individual pero es muy estable a temperatura ambiente gracias a su encapsulamiento. Esta cáscara de diamante nos permite manejar la impureza de nitrógeno en un entorno biológico y, por lo tanto, nos permite escanear células” argumenta Quidant.
Para poder atrapar y manipular estos átomos artificiales los investigadores utilizan luz láser. El láser funciona como una pinza capaz de dirigirlos por encima de la superficie del objeto a estudiar y así recibir la información de los pequeños campos magnéticos que lo conforman.
La aparición de esta nueva técnica podría revolucionar el campo del diagnóstico médico por imagen, ya que optimiza sustancialmente la sensibilidad del análisis clínico y, por lo tanto, mejora la posibilidad de detectar enfermedades con más antelación y tratarlas con más éxito.
Esta investigación ha sido posible gracias al apoyo de la Fundación Privada Cellex Barcelona.
Sobre el ICFO
El Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) fue creado en 2002 por la Generalitat de Catalunya y la UPC, como centro de investigación de excelencia dedicado al estudio de las ciencias y tecnologías de la luz, al más alto nivel internacional. En reconocimiento a la excelencia en la investigación, el Ministerio de Ciencia e Innovación ha concedido al ICFO la acreditación Severo Ochoa. El centro tiene una triple misión: investigación de frontera, formación de científicos y tecnólogos, y transferencia de conocimiento y tecnología. Su investigación está orientada a programas dirigidos a aplicaciones de la luz en salud, en las ciencias de la vida, la nanomedicina, en energías renovables, en tecnologías de la información, la seguridad y los procesos industriales, entre otros. El centro acoge 250 investigadores y estudiantes de doctorado que trabajan en 60 laboratorios situados en un edificio de 14.000 m2, en el Parc Mediterrani de la Tecnologia, en Castelldefels, en el área metropolitana de Barcelona.
+ información:
Artículo "Three-dimensional optical manipulation of a single electron spin", publicado en Nature Nanotech Por Michael Geiselmann, Mathieu L. Juan, Jan Renger, Jana M. Say, Louise J. Brown, F. Javier García de Abajo, Frank Koppens y Romain Quidant.
Artículo "Three-dimensional optical manipulation of a single electron spin", publicado en Nature Nanotech Por Michael Geiselmann, Mathieu L. Juan, Jan Renger, Jana M. Say, Louise J. Brown, F. Javier García de Abajo, Frank Koppens y Romain Quidant.
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