Etiquetas

, ,

Artículo publicado por Kimm Fesenmaier el 26 de octubre de 2015 en Caltech News

En marzo de este año, un equipo de bioingenieros procedentes de Caltech, JPL, y la Universidad de Washington pasaron una semana en Groenlandia, usando motos de nieve para acarrear su equipamiento científico, aguardando a que pasaran los vendavales, y pasando horas trabajando sobre el hielo. Ahora, los mismos investigadores están planeando un viaje al Desierto de Mojave, en California, donde estudiarán el Lago Searles, una cuenca extremadamente seca y salada que está llena de forma natural de hostiles elementos químicos, como el arsénico y el boro. Los investigadores están poniendo a prueba un microscopio holográfico que se ha diseñado y construido con el propósito de observar los microbios que medran en unos entornos tan hostiles. ¿El objetivo final? Enviar el microscopio a bordo de una nave para buscar biofirma – signos de vida – en otros mundos tales como Marte o Encélado, la helada luna de Saturno.

Pruebas de SHAMU en Groenlandia

Pruebas de SHAMU en Groenlandia Crédito: Kelsey Ammondson

“Nuestra gran hipótesis global es que la motilidad es una buena biofirma”, explica Jay Nadeau, investigador científico en Caltech y uno de los investigadores del proyecto de microscopio holográfico, apodado SHAMU (Submersible Holographic Astrobiology Microscope with Ultraresolution). “Sospechamos que si enviamos a la Tierra vídeos de bacterias nadando, eso sería una mejor demostración de la vida que cualquier otra cosa”.

Piensa, dice, en Antonie van Leeuwenhoek, el padre de la microbiología, que usó un simple microscopio en los siglos XVII y XVIII para  observar protozoos y bacterias. “Inmediatamente reconoció que eran seres vivos, basándose en la forma en que se movían”, explica Nadeau. Es más, cuando Leeuwenhoek escribió sobre la observación de muestras de la placa que había entre sus dientes, describió la visión de “muchos animáculos, con gran movimiento”. Y Nadeau añade que: “Nadie dudó de Leeuwenhoek una vea que los vieron moverse por sí mismos”.

Para capturar imágenes de microbios “en movimiento” sobre otro mundo, Nadeau y sus colegas, incluyendo a Mory Gharib, Catedrático Hans W. Liepmann de Aeronáutica e Ingeniería Bioinspirada y vicedecano en Caltech, tuvo la idea de usar la holografía digital en lugar de la microscopía convencional.

La holografía es un método para registrar información holística sobre la luz que rebota desde una muestra de tal forma que puede reconstruirse una imagen 3-D en un momento posterior. Comparado con la microscopía, que a menudo implica múltiples lentes enfocando una muestra superficial (en una lámina, por ejemplo), la holografía ofrece la ventaja de centrarse en un volumen relativamente grande, y capturar imágenes de alta resolución sin el problema de tener partes móviles que puedan romperse en entornos extremos, o durante un lanzamiento o aterrizaje, si el instrumento se lanza al espacio.

La fotografía estándar registra sólo la intensidad de la luz (relacionada con su amplitud) que alcanza a la lente de la cámara después de dispersarse desde un objeto. Pero como onda, la luz tiene tanto amplitud como fase, una propiedad distinta que puede usarse para decirnos lo lejos que pueda viajar la luz una vez que se dispersa. La holografía es una técnica que capta ambas, algo que hace posible recrear una imagen tridimensional a partir de una muestra.

Para comprender la técnica, primero imagina un guijarro cayendo a un estanque, y mira las olas que emanan desde ese punto. Ahora imagina que cae un segundo guijarro en otro punto, produciendo un segundo conjunto de olas. Si las olas interactúan con un objeto de la superficie, como una roca, dicho objeto las difracta, o dispersa, cambiando el patrón de las olas, un efecto que puede detectarse. La holografía es similar a arrojar dos guijarros al estanque simultáneamente, siendo los guijarros dos haces láser, uno de referencia que ilumina sin verse afectado por la muestra, y un haz objeto que ilumina la muestra y queda difractado o dispersado. Un detector mide la combinación, o superposición, de las ondas procedentes de los dos haces, que es lo que se conoce como patrón de interferencia. Conociendo cómo se propagan las ondas, y analizando el patrón de interferencia, un computador puede reconstruir qué encontró el haz objeto durante su viaje.

“Podemos tomar un patrón de interferencia y usarlo para reconstruir todas las imágenes en diferentes planes formando un volumen”, explica Chris Lindensmith, ingeniero de sistemas en el JPL e investigador del proyecto. “De este modo podemos reconstruir cualquier plano en el que estemos interesados y ver si hay algo interesante allí”.

Esto significa que una única imagen captura todos los microbios de una muestra, ya haya una bacteria o miles. Y al tomar una serie de imágenes a lo largo del tiempo, los investigadores pueden reconstruir el camino que cada bacteria tomó mientras nadaba en la muestra.

Esto sería algo virtualmente imposible de conseguir con la microscopía convencional, señala Lindensmith. Con la microscopía, tienes que enfocar en tiempo real, lo que significa que alguien tendría que mover un dial para acercar o alejar la muestra de las lentes del microscopio para mantener un microbio concreto en el foco. Durante este tiempo, se perderían los movimientos del resto de microbios de la muestra debido a que el foco es muy pequeño.

Todas las ventajas que ofrecen los microscopios holográficos respecto a la microscopía hacen que sea atractivo para estudios por todo el sistema solar. Y existen un número de mundos que los científicos están ansiosos por estudiar en detalle para buscar señales de vida. En 2008, usando datos de Phoenix, los científicos determinaron que había hielo de agua justo bajo la superficie en las llanuras del norte del Planeta Rojo, haciendo que esta localización fuese una candidata para estudios de seguimiento. Además, tanto la luna joviana Europa, como la saturniana Encélado, se cree que albergan océanos líquidos bajo sus heladas superficies. Por tanto, el grupo SHAMU dice que un microscopio compacto y robusto, como el que está desarrollando el equipo de Caltech, podría ser un componente muy deseable para un conjunto de instrumentos que viajen sobre un aterrizados en alguna de estas localizaciones.

Nadeau dice que el prototipo del grupo tuvo un gran rendimiento durante el viaje de pruebas sobre el terreno a Groenlandia. En cada lugar de pruebas, los investigadores taladraron un agujero en el hielo del mar, sumergieron el microscopio a una profundidad donde el agua salada atrapada dentro del hielo, llamada salmuera, se filtrara dentro del área de muestra del dispositivo, y recopiló imágenes holográficas. “Sabemos que hay seres vivos en el agua, y queremos saber qué hacen y cómo nadan”, apunta Nadeau. “Pero, lo creas o no, nadie sabía qué tipo de microorganismos viven en la salmuera del hielo marino, o si pueden nadar”.

Esto se debe a que las típicas técnicas para contar, etiquetar, y observar microbios dependen de un frágil instrumental  y, a menudo, requieren grandes cantidades de energía, haciendo que sean imposibles de usar en entornos extremos, como el Ártico. Como resultado, “nadie había visto jamás organismos del hielo marino inmediatamente tras su recolección, tal como hicimos nosotros”, dice Stephanie Rider, científica de la plantilla de Caltech que participó en el viaje a Groenlandia como parte del proyecto. Anteriormente, otros equipos habían recopilado muestras y las habían llevado al laboratorio, donde se almacenaron en congeladores, a veces durante semanas. “¿Quién sabe cuánto se habían calentado y enfriado las muestras antes de que alguien las estudiara?”, comenta Rider. “Las muestras serían completamente diferentes en ese punto”.

Durante el viaje a Groenlandia, el grupo de SHAMU recopiló con éxito imágenes que se habían usado para construir vídeos de bacterias y algas que viven en la salmuera del hielo marino. También llevaron muestras a un laboratorio en Nuuk, Groenlandia, calentándolas durante la noche, y alimentándolas con un medio de crecimiento bacteriano, replicando las condiciones estándar bajo las que se han estudiado en el pasado los microorganismos del hielo marino. Los investigadores encontraron que bajo esas condiciones, “todo empieza a moverse a toda velocidad”, explica Nadeau, indicando que para ser precisas, las observaciones tienen que hacerse en el hielo, no en el laboratorio.

El equipo está particularmente entusiasmado por lo que las exitosas medidas tomadas en Groenlandia puede significar para el contexto de Marte. “Sabemos, a partir de esto, que podemos afirmar que algo está vivo cuando acabas de sacarlo del hielo”, señala Nadeau. “Si podemos ver vida ahí en la Tierra, entonces es posible que también pueda haber vida en bolsas de hielo en Marte. Tal vez no tienes que tener un gran océano líquido para encontrar organismos vivos; hay una posibilidad de que pueda haber seres vivos en bolsas de hielo”.

El proyecto SHAMU, de tres años, comenzó en enero de 2014 con el patrocinio de la Fundación Gordon y Betty Moore. En los próximos meses, los ingenieros esperan mejorar la cámara de muestras del microscopio y reducir la escala de todo el dispositivo. Creen que tendrán un instrumento listo para su lanzamiento para el final del periodo de patrocinio.

Como primera prueba en el espacio, les gustaría enviar el instrumento a la Estación Espacial Internacional, no sólo para ver cómo se comporta en el espacio, sino para observar las muestras microbianas bajo condiciones de gravedad cero. Más allá de esto, esperan incluir a SHAMU en un aterrizador sobre Marte como parte de una misión del programa Discovery de la NASA, con el objetivo de buscar biofirmas en las llanuras heladas del norte de Marte. El equipo de Caltech se asoció con Honeybee Robotics, una compañía que ha construido sistemas de perforación y muestreo para numerosas misiones de la NASA (incluyendo el aterrizador de Marte Phoenix), para integrar el microscopio holográfico en un perforador que podría alcanzar el metro de profundidad en el terreno helado de Marte.

Anuncios