Si todavía no sabes de que va el premio Nobel de física de 2018, atento. El premio Nobel de este año ha sido otorgado a Arthur Ashkin, a Gérard Mourou y a Donna Strickland por sus descubrimientos en el campo de la física de los láseres.

Arthur Ashkin inventó las pinzas ópticas, un instrumento que nos permite atrapar y manipular objetos muy pequeños utilizando solo luz láser. La luz es una onda electromagnética y como tal, transporta energía y momento. Al atravesar dos medios con distinto índice de refracción, la luz se desvía y el momento de la onda cambia. Esta propiedad la podemos aprovechar para que la partícula se mueva hacia cualquier punto que nosotros queramos. Para el caso en el que enfocamos un láser con una lente, la partícula siempre está sometida a una fuerza que la hace desplazarse hacia el punto de mayor intensidad láser.

Nota para saber más: [En el caso que la partícula sea del orden de la longitud de onda, el análisis con rayos ópticos no es adecuado y tendríamos que utilizar las ecuaciones de Maxwell para poder calcular en qué dirección se mueve la partícula. Obtendremos que la partícula se mueve en la dirección en la que es mayor el gradiente de la intensidad de campo eléctrico. Es decir, la partícula está sometida a una fuerza hacia la zona de mayor intensidad láser, como en el caso anterior.]

Las fuerzas que podemos ejercer con las pinzas ópticas son muy muy pequeñas (del orden de 10^-12 N). Por ello, hasta 1986 no se pudieron atrapar los primeros objetos. Fue el propio Ashkin quien empezó a experimentar con sistemas biológicos introduciendo el virus del mosaico del tabaco en las pinzas ópticas.

Aquí vemos unas pinzas ópticas desplazando microesferas:

 

Aplicaciones

A partir de entonces, las pinzas ópticas han abierto un nuevo mundo de posibilidades para los experimentos de biología. Ya que permiten manipular a voluntad células, orgánulos o hacer experimentos con una única molécula.

Esta capacidad de analizar una única molécula ha permitido a los investigadores estudiar las propiedades mecánicas del ADN, es decir, cómo se comporta cuando está sometido a una fuerza. Lo cual ha llevado a tener mejores modelos del plegamiento y empaquetamiento de ADN.

Además, las pinzas ópticas son el instrumento perfecto para medir las fuerzas de diferentes motores moleculares en el interior de las células. Por ejemplo, la RNA polimerasa en la transcripción de DNA a mRNA. O la kinesina, que transporta vesículas a lo largo de los microtúbulos del citoesqueleto celular. De hecho, fueron las pinzas ópticas las que permitieron saber que las kinesinas se desplazaban a través de los microtúbulos, dando “pasos”.

En el siguiente video vemos una kinesina en acción transportando una vesícula.

 

Las pinzas ópticas son a día de hoy, un instrumento indispensable en cualquier centro de investigación biológica. En combinación con otras técnicas, nos permiten entender como funciona toda la compleja «maquinaria» celular. Un premio Nobel que ejemplifica perfectamente como cada vez la ciencia tiende a ser más interdisciplinar y los espectaculares avances que esto produce.