¿Cómo vemos los virus?

En este artículo Flores Olga nos explica cómo y con qué ha sido posible ver más allá de la luz visible. Desde los primeros registros romanos de "vidrios magnificadores", pasando por el histórico microscopio de Leeuwenhoek, la fórmula del poder de resolución, hasta los actuales microscopios electrónicos y las distintas técnicas que llevaron a que June Almeida lograra ver cosas tan diminutas como los virus.

Hace unos días platicando con algunas amistades, alguien preguntaba por qué las imágenes de los coronavirus aparecían en color verde en unos medios de información mientras que en otros se mostraban rojos. La respuesta es porque así decidieron pintarlos los distintos medios y es que en realidad esas imágenes se obtienen en blanco y negro. Antes de saber por qué los vemos de esos colores, hay que entender el camino por el cual fue posible observar los virus.

La fascinación por ver más allá de lo que nuestros ojos alcanzan es muy antigua. En algún momento de la historia, alguien descubrió que un cristal con mayor grosor en las orillas y menor grosor al centro hacía que las cosas se vieran más grandes y que enfocando la luz del sol, podían incluso encender fuego. Existen registros romanos datados en el siglo I a.C. que mencionan el uso de “vidrios magnificadores” y se sabe que varias culturas han usado lentes y lupas en distintos momentos de la historia, sin embargo, su uso mayor comenzó alrededor del siglo XIII.

Las lupas son lentes convergentes que desvían la luz que incide en ellas produciendo una imagen agrandada y virtual. En este caso, la lupa solo es una parte del sistema para agrandar la imagen, el ojo humano y específicamente la imagen formada en la retina, es lo que hace posible el aumento. Los primeros microscopios consistían en una lupa apuntando a una base donde se colocaba el objeto a observar. Estos microscopios permitían ver el objeto 10 veces más grande que su tamaño.

A lo largo de los siguientes cuatro siglos la calidad de las lentes mejoró, se hicieron lentes con diámetros más grandes, se disminuyó la distancia entre el centro óptico de la lente y la distancia focal, se mejoraron las técnicas de pulido y se redujeron las alteraciones formadas en la imagen debido a las propias lentes (conocidas como aberraciones). Estos avances permitieron la invención del microscopio óptico al que también se le llama microscopio de luz, ya que funciona por la refracción de ésta. 

El microscopio óptico tiene como base dos tipos de lentes: la lente cercana al ojo se llama ocular, mientras que la otra se conoce como objetivo. El aumento total del microscopio se obtiene multiplicando el aumento del ocular (10x o 15x) por el aumento del objetivo (4x, 10x, 20x, 40x y 100x). Si usamos un ocular de 15x y un objetivo de 100x, podremos ver un aumento de hasta 1500x, es decir 1500 veces el tamaño de la muestra.

Los microscopios ópticos abrieron un inmenso campo de posibilidades. A partir de su invención se pudieron observar bacterias y protozoarios, células de la sangre como los glóbulos rojos, células sexuales como los espermatozoides y muchas otras muestras biológicas, geológicas y de interés para los físicos. En este momento todavía no se podían observar virus, pues son entre 100 y 500 veces más pequeños que una bacteria. Durante este tiempo también se descubrió que para ver adecuadamente las muestras usando objetivos de 100x o 100 aumentos, era necesario utilizar aceite en lugar de agua entre la lente y la muestra a observar. En este punto, el microscopio óptico alcanzó su límite teórico de aumento, pero la humanidad quería ver todavía más y mejor. 

Al querer ver mejor, nos referimos a mejorar el poder de resolución, otro concepto que no debe confundirse con el aumento. Puedes notar la diferencia entre estos dos conceptos cuando aumentas el tamaño de una imagen en el celular o la computadora, pero aunque sea más grande, si la imagen no tiene buen poder de resolución, no podrás distinguir los detalles. El poder de resolución se representa por la distancia más pequeña entre dos puntos a la que aún es posible distinguir ambos, sin confundirlos como uno solo.

Ernst Abbe estableció que la fórmula con la que funciona el poder de resolución en los microscopios depende de 3 factores: 1) la longitud de onda de la luz utilizada para iluminar la muestra, 2) cuánto se reduce la velocidad de la luz al pasar por el agua, aire, aceite o lo que se encuentre entre la lente y la muestra a observar, 3) la apertura de la lente (α).

Para poder mejorar la resolución necesitaban poder observar y diferenciar puntos que estuvieran muy cerca, a distancias tan pequeñas como fuera posible reducir el valor de R en la ecuación, es decir, debían reducir el valor del numerador (el valor de λ) o hacer más grande el valor del denominador (agrandando n o sen α). 

No se podía hacer más grande el valor del denominador porque no es posible cambiar la velocidad a la que la luz atraviesa el espacio en la lente, por otro lado, en este momento ya se había alcanzado el límite físicamente posible para mejorar las lentes. 

La respuesta tenía que estar en el numerador y significaba reducir la onda de la luz utilizada. ¿Es esto posible? La respuesta es sí, pero hay que entender algo primero. El ojo humano puede ver solo una parte del espectro electromagnético a la que se le conoce como luz visible. En esta zona las ondas son tan pequeñas que se miden en nanómetros. Para darte una idea, en un milímetro caben 1,000,000 nanómetros. El ojo humano ve ondas que miden desde los 380 nanómetros de la luz violeta hasta los 750 nanómetros de la luz roja. Fuera de estos rangos visibles se encuentran la luz infrarroja, la luz ultravioleta, los rayos x, las ondas de radio o del microondas, etcétera.

Ahora, volviendo al microscopio, incluso al utilizar luz violeta, la de menor longitud de onda visible al ojo humano, no se modificaba mucho el poder de resolución. Pero, ¿qué tal si se usaba algo fuera del espectro visible? Fue así que se cambió la radiación que ilumina la imagen. Se decidió utilizar un haz de electrones cuya longitud de onda era 100,000 veces menor. Y cambiando la fuente de luz/radiación, fue que nació el microscopio electrónico de transmisión o TEM, por sus siglas en inglés.

El TEM funciona al acelerar en el vacío un haz de electrones y dirigirlo hacia la muestra. En lugar de lentes de vidrio se utilizan campos magnéticos para formar sistemas de lentes ópticas electrónicas: los electrones atraviesan las muestras formando una imagen en una placa fotográfica sensible a electrones con una magnificación de hasta aproximadamente 10,000,000x. Entre otras diferencias con el microscopio óptico, el TEM ya no dependía de la retina del ojo para poder formar las imágenes.

Poco tiempo después de la invención del TEM, se desarrolló el microscopio electrónico de barrido o SEM por sus siglas en inglés, que es otro tipo de microscopio electrónico. A diferencia del TEM que detecta los electrones que se transmiten a través de la muestra, el SEM detecta los electrones reflejados. Para esto, las muestras se recubren con una capa de metal delgado (generalmente oro) para ser “barridas” o “escaneadas” por los electrones emitidos por el cañón. Los electrones que arrojan las muestras proyectan la imagen en una lente proyectora. Así se forman imágenes en tres dimensiones, detallando ampliamente las superficies de las muestras. Se puede decir grosso modo que el microscopio electrónico de transmisión permite observar las estructuras internas y el de barrido, las superficies y texturas externas. 

Como verás, los problemas para aumentar el poder de resolución implicaron soluciones a ecuaciones propias de la Física. De hecho, los microscopios electrónicos fueron inventados para y por físicos, buscando analizar distintos tipos de materiales. Tardaron muchos años antes de poder procesar material biológico por tres razones: la potencia del haz de electrones dirigida a la muestra, el alto vacío del microscopio y la necesidad de que las muestras a observar fueran extremadamente delgadas.

¿Qué tan delgadas tienen que ser las muestras? Entre 40 y 100 nanómetros de grosor, lo cual es bastante complicado de realizar en material biológico. ¿Qué tan potente es el haz de electrones? Lo suficiente para poder atravesar la muestra pero con tanta energía que en el lugar donde se enfoca el haz de electrones la temperatura sube hasta 150 °C, haciendo que el material a observar se caliente y explote. Además de que en el SEM todos los ejemplares son recubiertos con una capa metálica. ¿Qué pasa con el alto vacío? Los microscopios electrónicos necesitan sacar todo el aire de su interior para evitar que cualquier partícula pueda desviar a los electrones de su camino hacia la muestra, pero este vacío hace que el agua se evapore y en las muestras biológicas el agua es un componente muy abundante, de tal forma que parte de las muestras podrían desaparecer evaporándose en el microscopio.

Eventualmente se desarrollaron técnicas de fijación química, criofijación, tinciones y réplicas mecánicas para poder cortar muestras biológicas del grosor adecuado, que sobrevivieran al haz de electrones o el recubrimiento metálico. Hoy en día, aunque los microscopios electrónicos pueden magnificar objetos hasta un millón de veces, aún no es posible observar un organismo vivo en estos microscopios. 

Fue en un microscopio electrónico de transferencia TEM, en el que hace más de 50 años la microscopista escocesa June Almeida (o June Hart, según su apellido de soltera) y su equipo observaron las muestras de B814, una enfermedad que los médicos no habían podido cultivar en el laboratorio a partir de muestras de secreciones de los enfermos. June observó en el microscopio un punto gris rodeado de pequeños puntos, de forma que a ella y a sus compañeros se les hizo parecido a la corona solar, es decir, al halo que rodea el sol. Las imágenes del virus fueron descritas como un virus tipo influenza, pero no exactamente el mismo. Así, el nombre de este tipo de virus incluyó desde entonces la palabra en latín “corona”. 

June no solo visualizó por primera vez un virus tipo influenza, lo identificó y obtuvo las primeras imágenes de este y otros virus, también perfeccionó las técnicas para observarlos en el microscopio electrónico.

Actualmente, distintas modalidades de microscopía han permitido nuevas formas de visualización y estudio acerca de los virus y sus mecanismos. La microscopía inmunoelectrónica, crioelectrónica y la tomografía electrónica han permitido entender la composición estructural de los virus, cómo se unen a las células hospederas para replicarse y cómo es la asociación con la maquinaria celular durante la replicación, así como proveer información para tratamientos y vacunas. 

Debido a su configuración, los microscopios electrónicos no funcionan con luz visible capaz de proporcionar la gama cromática que nuestros ojos entienden por colores, sino imágenes en escalas de grises. Así que cuando los vemos en páginas de internet, artículos científicos y de divulgación, memes y todo tipo de publicaciones en redes sociales, los virus fueron coloreados para apreciarlos más fácilmente junto con sus componentes, para diferenciarlos visualmente del “fondo” o medio en el que se encuentran, para resaltar sus estructuras o simplemente para lograr un efecto estético. 

Algunas configuraciones del SEM permiten asignar un color primario a ciertas señales electrónicas, de forma que es posible superponer varias imágenes en una sola micrografía, y así lograr que cada estructura o propiedad deseada se vea de un color diferente. También es posible generar en la computadora modelos reconstruidos en tres dimensiones, basados en la información que proveen las micrografías electrónicas.

Aunque llevamos un inmenso avance, todavía existen muchos retos en el campo de la microscopía. Es un área tan especializada que seguramente estaremos viendo en años futuros nuevas imágenes de cosas cada vez más pequeñas y detalladas, porque la búsqueda de saber, de ver y entender, no tiene fin.