Las imágenes por resonancia magnética, o MRI, son un pilar de la investigación en medicina y en neurociencias. Puede sondear en lo profundo de los tejidos sin ser invasiva y proveer información sobre la presencia de elementos químicos específicos. Pero debido a que las fuerzas magnéticas que detecta son tan pequeñas, el MRI no es demasiado sensible: típicamente revela las estructuras en escala milimétrica y submilimétrica.

Ahora, los investigadores del IBM Almaden Research Center de California, han desarrollado un escáner MRI con una resolución que es 100 millones de veces mejor, lo suficientemente bueno como para obtener la imagen de partículas virales individuales.

“El sueño de obtener la imagen de una molécula ha sido algo que ha desvelado a los químicos”, dice John Marohn, un profesor adjunto de química y biología química en la Cornell University. “Si tuvieras esta herramienta, no habría límite a las cosas que podrías hacer con ella, y tampoco habría límite al bien que podría resultar de ella”.

El MRI se basa en el hecho que los núcleos de algunos elementos, por ejemplo el hidrógeno, actúan como imanes diminutos. Cuando se les aplica un campo magnético externo, los núcleos rotan hacia la dirección del campo con frecuencias características, y generan fluctuaciones magnéticas diminutas. En un escáner de MRI típico, una bobina eléctrica detecta estas fluctuaciones y las usa para trazar el mapa de la distribución espacial de los núcleos de hidrógeno, generando así una imagen del tejido escaneado.

Dado que el MRI es tan bueno para crear imágenes en 3-D de las estructuras internas, los científicos querrían utilizarlo para obtener la imagen de muestras biológicas mucho más pequeñas, tales como proteínas individuales. Pero la bobina de detección no funciona bien a medida que se va reduciendo el tamaño, cuanto más pequeña la bobina, menor la sensibilidad. Por lo tanto, las muestras pequeñas y una mejor resolución quedan fuera del ámbito del MRI convencional.

El escáner nuevo, desarrollado por IBM, utiliza una tecnología emergente llamada microscopio de fuerza de resonancia magnética, (MRFM). EL MRFM salva las limitaciones del MRI al utilizar un detector físico, en vez de eléctrico para detectar las fuerzas magnéticas minúsculas generadas por los núcleos rotantes.

“Es una manera mucho más sensible de detectar el magnetismo de los núcleos”, comenta Dan Rugar, el gerente de estudios de nanoescala del IBM Almaden Research Center y líder del equipo que creó el dispositivo nuevo.

Rugar y sus colegas colocan la muestra de la cual quieren obtener la imagen en la punta de una ménsula pequeña de silicio, exquisitamente sensible. Cerca de la punta hay un imán diminuto. Utilizando un cable microscópico, los investigadores generan un campo magnético oscilante que causa que los núcleos de hidrógeno de la muestra se desplacen en vaivén entre el imán que los atrae y los repele. Las vibraciones físicas resultantes en la ménsula se detectan mediante un láser y se construye la imagen.

El campo de oscilación está calibrado con precisión para que sólo respondan los núcleos de una rodaja muy fina de la muestra, llamada corte resonante. Al escanear el imán con un patrón tridimensional, los investigadores pueden desplazar el corte resonante por toda la muestra. Es esta precisión lo que permite que el dispositivo cree imágenes de resolución tan alta.

Otras formas de imágenes de alta resolución tales como el microscopio de escaneo de apertura y el microscopio de fuerza atómica, sólo pueden captar la superficie del elemento. Debido al corte resonante, el MRFM puede penetrar profundamente en la muestra y elaborar una imagen en 3-D de su estructura interna.

El MRFM emergió a principios de los años 90, e IBM ha sido siempre el líder en ese terreno. En un experimento que fue un hito en 2004, Rugar y sus colegas utilizaron la tecnología para detectar la rotación de un único electrón. Más recientemente han generado imágenes de muestras que no eran biológicas, con una resolución de 90 nanómetros (mucho mejor que el MRI convencional, pero no lo suficientemente sensible como para modelar estructura biológicas individuales).

Ahora, después de años de mejoras muy concienzudas, el equipo de Rugar logró las imágenes de una muestra biológica con una resolución nanométrica. El equipo optó por utilizar el virus mosaico de tabaco que es resistente y bien conocido como prueba del concepto, y vieron detalles de tan sólo cuatro nanómetros.

“Esta es realmente la primera vez que utilizamos esta técnica en una muestra biológica. Queríamos demostrar que realmente se podía hacer con algo biológico, porque después de todo, esa es nuestra meta global”, comenta Rugar.

Este experimento exitoso le abre la puerta a una gran variedad de aplicaciones biológicas, agrega Rugar. En particular, a él le gustaría obtener las imágenes de proteínas individuales a fin de determinar sus estructuras internas tridimensionales.

“En tu cuerpo tienes miles de proteínas cuyas estructuras se desconocen porque no existe una técnica para determinar la estructura”, concluye Rugar. Por ahora, el punto de referencia estándar para obtener la estructura de las proteínas es la cristalografía mediante rayos X, que se limita a las proteínas que pueden cristalizarse.  

El escáner nano-MRI no sería objeto de esa restricción. En teoría, con más mejoras en la resolución, podría examinar proteínas en su estado nativo congelándolas rápidamente. El MRFM debe realizarse a temperaturas muy bajas, apenas por encima del cero absoluto, para minimizar el ruido creado por las vibraciones térmicas.

“La verdadera importancia de esto es que demuestra que no se han alcanzado los límites del MRFM y que todavía están en camino de crear un medio para obtener imágenes atómicas”, dice Jonathan Jacky, un científico investigador  en la University of Washington. “Obtener imágenes a escala atómica sería uno de los logros científicos más grandes jamás logrados. Estaría al mismo nivel del telescopio o del microscopio óptico. Eso es lo realmente apasionante de esto”.