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Laser vivo: célula humana emite raios laser

21 de outubro de 2011

O laser biológico será útil para a criação de interfaces entre a eletrônica e os organismos biológicos, incluindo as próteses inteligentes, as interfaces neurais e os exoesqueletos. [Imagem: Gather/Yun]

Cientistas criaram um laser vivo, dando a uma célula humana a capacidade para emitir luz laser.

Embora encontrando cada vez mais usos na área da saúde, a emissão dos raios laser sempre esteve associada com materiais inertes, como cristais, espelhos e lentes.

Agora, pela primeira vez, cientistas demonstraram que um organismo biológico é capaz de emitir laser.

Laser vivo

Malte Gather e Seok Hyun Yun, trabalhando juntos no Hospital Geral de Massachusetts, nos Estados Unidos, modificaram geneticamente uma célula para que ela expressasse a proteína fluorescente verde, a chamada GFP (Green Fluorescent Protein).

A luz emitida por essa proteína é não-coerente – como a luz de uma lâmpada. Mas os cientistas transformaram-na na base para a geração da luz laser a partir da célula onde ela está implantada.
O isolamento da GFP valeu o Prêmio Nobel de Química de 2008 aos cientistas que trabalharam para que ela se tornasse um instrumento incomparável nas pesquisas biológicas e médicas e uma das principais ferramentas da engenharia genética.

Massa cinzenta cerebral fotografada em cores

Os dois pesquisadores agora usaram essa proteína para amplificar os fótons, transformando uma única célula em uma fonte de laser, que emite pulsos com duração de alguns nanossegundos cada um.

Os lasers pulsados são importantes em aplicações que vão dos vídeos holográficos à destruição de vírus no sangue, embora ainda não esteja claro se o laser vivo poderá ter utilidade tão ampla.

O laser celular foi montado colocando uma única célula em uma microcavidade composta por dois espelhos altamente reflexivos, espaçados por 20 milionésimos de metro. [Imagem: Gather/Yun]

Laser biológico

Os dois pesquisadores montaram um dispositivo composto de um cilindro de 2,5 centímetros de comprimento, com espelhos em cada uma das extremidades, preenchido com uma solução de GFP em água.

Depois de confirmarem de que a solução de GFP é capaz de amplificar uma energia de entrada – um outro laser de luz azul – para produzir seus próprios pulsos de luz laser, os pesquisadores estimaram a concentração de GFP necessária para produzir o efeito laser.

O passo seguinte foi desenvolver uma linhagem de células humanas expressando a GFP nos níveis necessários – os cientistas usaram células embrionárias do rim humano.

O laser celular foi montado colocando uma única célula expressando a GFP – com um diâmetro entre 15 e 20 milionésimos de metro – em uma microcavidade composta por dois espelhos altamente reflexivos, espaçados por 20 milionésimos de metro.

Uma descoberta inesperada foi que o próprio formato circular da célula funcionou como uma lente, focalizando a luz e induzindo a emissão de luz laser em níveis de energia mais baixos do que aqueles do dispositivo inicial baseado na solução de GFP.

Curiosidade de cientista

“Desde que foram desenvolvidos cerca de 50 anos atrás, os lasers têm sido construídos com materiais tais como cristais, corantes e gases purificados como meio de ganho óptico, dentro dos quais pulsos de fótons são amplificados enquanto refletem-se continuamente entre dois espelhos”, comenta Yun. “O nosso trabalho é o primeiro relato de um laser biológico baseado em uma única célula viva.”

Para seu colega Malte Gather, o grande motivador da pesquisa foi a curiosidade científica de saber se o laser era algo absolutamente artificial ou se essa emissão coerente de luz poderia ser feita no interior de organismos vivos.

A GFP – que é uma proteína encontrada originalmente em algumas espécies de medusa – mostrou-se interessante para a pesquisa porque ela pode ser induzida a emitir luz sem que seja necessário usar enzimas adicionais.

Uma descoberta inesperada foi que o próprio formato circular da célula funcionou como uma lente, diminuindo o nível de energia necessário para emissão do laser. [Imagem: Gather/Yun]
Terapias fotodinâmicas

As células usadas no laser biológico sobreviveram ao processo de produção da luz laser, chegando a produzir centenas de pulsos.

“Embora os pulsos individuais de laser durem apenas alguns nanossegundos, eles são brilhantes o suficiente para serem facilmente detectados, com informações úteis que podem representar formas totalmente novas de analisar as propriedades de um grande número de células de forma quase instantânea”, afirma Yun.

A possibilidade de gerar laser a partir de uma fonte totalmente biológica poderá dar um novo impulso às promissoras terapias fotodinâmicas – uma das mais eficientes, por exemplo, para a eliminação do câncer de pele.

Comunicação óptica celular

“Um dos nossos objetivos a longo prazo será encontrar formas de levar as comunicações ópticas e a computação, feitas atualmente com dispositivos eletrônicos inertes, para a esfera da biotecnologia,” acrescenta Gather.

Isto poderá ser particularmente útil para a criação de interfaces entre a eletrônica e os organismos biológicos, o que inclui as próteses inteligentes, as interfaces neurais e os exoesqueletos.

O próximo passo da pesquisa será tentar implantar os espelhos dentro da própria célula, criando um laser biológico autocontido e totalmente portável.

Bibliografia:

Single-cell biological lasers
Malte C. Gather, Seok Hyun Yun
Nature Photonics
12 June 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphoton.2011.99

Fonte: Redação do Site Inovação Tecnológica – 13/06/2011

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