Un equipo de investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Bielefeld, en Alemania, ha logrado por primera vez obtener imágenes del coronavirus SARS-CoV-2 con un microscopio de iones de helio. En contraste con la microscopía electrónica más convencional, las muestras no necesitan un fino recubrimiento metálico.
Esto permite observar con especial claridad las interacciones entre los coronavirus y su célula huésped. Los científicos han publicado sus hallazgos, obtenidos en colaboración con investigadores de la Facultad de Medicina OWL de la Universidad de Bielefeld y la Universidad Justus Liebig de Giessen, en un número especial de Beilstein Journal of Nanotechnology.
La doctora Natlie Frese, primera autora del estudio que trabaja en el grupo de Física de Sistemas Supramoleculares de la Universidad de Bielefeld, comenta que su estudio demuestra que el microscopio de iones de helio es adecuado para obtener imágenes de SARS-CoV-2 “de manera tan precisa que se puede observar la interacción entre el virus y la célula huésped”.
Los coronavirus son diminutos, con unos 100 nanómetros de diámetro (cien mil millonésimas de metro). Hasta ahora, se ha utilizado principalmente la microscopía electrónica de barrido (SEM) para examinar las células infectadas por el nuevo coronavirus.
Con SEM, un haz de electrones escanea la célula y proporciona una imagen de la estructura de la superficie de la célula ocupada por este agente patógeno. Sin embargo, según los especialistas tiene una desventaja: la muestra se carga electrostáticamente durante el proceso de microscopía.
Debido a que las cargas no se dispersan a partir de muestras no conductoras, por ejemplo virus u otros organismos biológicos, deben recubrirse con un revestimiento conductor de electricidad, por ejemplo una fina capa de oro.
Microscopio de iones de helio, mayor resolución y profundidad de campo
Sin embargo, este recubrimiento conductor también cambia la estructura de la superficie de la muestra. “La microscopía de iones de helio no requiere un recubrimiento y, por lo tanto, permite el escaneo directo”, asegura el profesor Armin Gölzhäuser, que dirige el grupo de investigación Física de Sistemas y Superficies Supramoleculares, en esta Universidad germana que inició sus actividades en 1969.
Con el microscopio de iones de helio, un haz de iones de helio escanea la superficie de la muestra. Los iones de helio son átomos de helio a los que les falta un electrón; por lo tanto, están cargados positivamente. El haz de iones también carga la muestra electrostáticamente, pero esto puede compensarse irradiando adicionalmente la muestra con electrones.
Además, el microscopio de iones de helio tiene una resolución más alta y una mayor profundidad de campo. En su estudio, los científicos infectaron células, producidas artificialmente a partir del tejido renal de una especie de mono, con SARS-CoV-2 y las estudiaron en estado muerto bajo el microscopio.
“Nuestras imágenes proporcionan una vista directa de la superficie 3D del coronavirus y la célula del riñón, con una resolución en el rango de unos pocos nanómetros”, matiza la doctora Frese.
Interacciones entre SARS-CoV-2 y las células
Esto permitió a los investigadores visualizar las interacciones entre los virus y la célula renal. Los resultados de su estudio indican, por ejemplo, que la microscopía de iones de helio se puede utilizar para observar si los coronavirus individuales simplemente se encuentran en la célula o están unidos a ella.
Este punto es importante para comprender las estrategias de defensa contra el virus: una célula infectada puede unir los virus, que ya se han multiplicado en su interior, a su membrana celular al salir y así evitar que se propaguen más.
“El microscopio de iones de helio es muy adecuado para obtener imágenes de los mecanismos de defensa de la célula que tienen lugar en la membrana celular”, asegura el profesor Friedemann Weber, especialista en virología que investiga el SARS-CoV-2 en la Universidad Justus Liebig en Gießen y colaboró con los investigadores de Bielefeld en este estudio.
El doctor Holger Sudhoff, de la Facultad de Medicina OWL de la Universidad de Bielefeld, subraya que “este método es una mejora significativa para obtener imágenes del virus SARS-CoV-2 que interactúa con la célula infectada. La microscopía de iones de helio puede ayudar a comprender mejor el proceso de infección en quienes padecen COVID-19”.
La microscopía de iones de helio es una tecnología relativamente nueva. En 2010, la Universidad de Bielefeld se convirtió en el primer campus de Alemania en adquirir un microscopio de iones de helio, que se utiliza principalmente en nanotecnología.
En todo el mundo, la tecnología de iones de helio rara vez se utiliza para examinar muestras biológicas. “Nuestro estudio demuestra que hay un gran potencial aquí”, afirma el profesor Gölzhäuser.
Diez años del microscopio de iones de helio
Han pasado ya 10 años desde que se diseñó el primer microscopio de iones de helio, como se recuerda en este número especial de Beilstein Journal of Nanotechnology.
Este ingenio se ha convertido en una herramienta versátil que respalda la investigación en una amplia gama de aplicaciones. Desde sus inicios como herramienta de imágenes, la comunidad científica lo aceptó rápidamente como instrumento de elección no solo para imágenes a nanoescala, sino también para nanofabricación debido a su capacidad de estructuración por debajo de 10 nanómetros.
Hoy en día, se encuentran disponibles múltiples clases de iones (He, Ne, Ga), así como diferentes químicas de gases. La reciente incorporación de un espectrómetro de masas de iones secundarios ha ampliado las capacidades del microscopio de iones de helio, con análisis a nanoescala basados en haces de iones, lo que permite el análisis de elementos e isótopos con una resolución lateral de tan solo 10 nanómetros.
Estas nuevas capacidades le permiten sobresalir en los campos de imágenes a nanoescala y análisis químico (espectroscopía de masas de iones secundarios), nanopatrones y nanolitografía.
En ese número temático se hace especial referencia a las aplicaciones y desarrollos técnicos que han contribuido al éxito del microscopio de iones de helio en la primera década de su funcionamiento.
