CONTRIBUCIÓN DE HUMBERTO FERNÁNDEZ-MORÁN A LA MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

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Raúl Padrón
Departamento de Biología Estructural Humberto Fernández-Morán, IVIC, Apdo 21827, Caracas 1020A, Venezuela.

  Humberto Fernández-Morán (1924-1999) fundador del Instituto Venezolano de Neurología e Investigaciones Cerebrales (IVNIC), precursor del actual Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC), contribuyó de manera fundamental al desarrollo de la técnica de la microscopía electrónica (1) así como a sus aplicaciones en Biología y Medicina.

   Fernández-Morán introdujo por vez primera el concepto de crioultramicrotomía (2); la cuchilla de diamante (3)  y sus aplicaciones para el seccionado ultrafino de materiales biológicos y metales (4); la técnica de crio-fijación ultrarápida con helio II (5); el método de substitución bajo congelamiento para microscopía electrónica (6); el concepto de crio-microscopía electrónica (7) y el crio-microscopio electrónico (8); el uso de lentes superconductoras a temperatura de helio líquido en microscopios electrónicos (9) y el crio-ultramicrotomo operado a temperatura de helio liquido (10). Además contribuyó a la modificación de los ultramicrotomos (11); al desarrollo de filamentos de punta y de cristal único (12) para proveer microhaces coherentes para la obtención de micrografías electrónicas de baja dosis electrónica disminuyendo el daño por irradiación electrónica; y al desarrollo de portaespecímenes para nitrógeno y helio líquidos (5).

   Las contribuciones de Fernández-Morán en Biología y Medicina son múltiples y variadas, permitiéndome mencionar aquí solamente una: la portada de la revista Molecular Biology of the Cell (13) aparecida en Junio de este año reproduce dos micrografías electrónicas tomadas por Fernández-Morán consideradas entre las primeras en revelar la complejidad de la estructura de las membranas mitocondriales, producto de un estudio (14) en que se correlacionaban datos bioquímicos y  de microscopía electrónica a fin de definir una partícula submitocondrial en la superficie de las membranas de las crestas mitocondriales. Estas partículas, que se denominan partículas elementales o partículas de Fernández-Morán consisten de una cabeza globular, de un eje cilíndrico y de una pieza basal. Estudios ulteriores  demostraron que el eje y la pieza basal incluían un dominio (F0) transmembrana que transportaba protones a través de las membranas de las crestas y que la cabeza comprendía la ATPasa (F1), que sintetizaba ATP al pasar los protones a través de F0 siguiendo el gradiente electroquímico. Estas imágenes demostraron claramente la asimetría de las proteínas en las membranas iniciando  las investigaciones bioquímicas que condujeron a una comprensión de como la quimiósmosis se acopla a la síntesis de ATP para producir una fosforilación oxidativa en las células.

En reconocimiento de las contribuciones hechas por Fernández-Morán a la microscopía electrónica el Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC) designó en su honor al  Departamento de Biología Estructural creado en 1997.

“The research of Raúl Padrón was supported in part by an international research grant from the Howard Hughes Medical Institute”

Referencias
1.- H. Fernández-Morán. Adv.Electron. Electron Phys. sup. 16: 167, 1985.
2.- H. Fernández-Morán. Ark. Fys. 4: 471, 1952.
3.- H. Fernández-Morán.  Exp. Cell Res. 5:255, 1953.
4.- H. Fernández-Morán. J. Biophys. Biochem. Cytol. 4, suppl. 2, 29, 1956.
5.- H. Fernández-Morán. en “Macromolecular Complexes” (M. V. edds, ed.) p. 113. Ronald Press, New York, 1961; y H. Fernández-Morán. Ann. N. Y. Aca. Sci. 85: 689, 1960.
6.- H. Fernández-Morán. Science 129: 1284, 1959. y H. Fernández-Morán. Ann. New York Acad. Sc.  85: 689, 1960.
7- H. Fernández-Morán. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 56: 801, 1966.
8.- H. Fernández-Morán. Proc. 10th. Int. Cong. E.M. Berlin Vol 1, pp751, 1982.
9.- H. Fernández-Morán. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 53: 445, 1965.
10.- H. Fernández-Morán. Appl. Cryog. Technol. 5: 153, 1973.
11.- H. Fernández-Morán. Ind. Diamond Rev. 16: 128, 1956.
12.- H. Fernández-Morán. J. Appl. Phys. 31: 1840, 1960 y H. Fernández-Morán. Proc. Robert A. Welch Found. Conf. Chem. Res. 23: 315, 1980.
13.- Molecular Biology of the Cell 10(6), 1999.
14.- H. Fernández-Morán, Oda, T., Blair, P.V. y Green, D.E. J. Cell Biol. 22: 63, 1964.

CONTRIBUCIÓN DE HUMBERTO FERNÁNDEZ-MORÁN 

A LA MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

Nov. 2001
Humberto Fernández-Morán, quién nació en Maracaibo el 18 de febrero de 1924 y murió en Estocolmo (Suecia) el 17 de marzo de 1999, fue un destacado científico que contribuyó de manera prominente al desarrollo de las técnicas de microscopía electrónica de transmisión y sus aplicaciones en biología y medicina.

Fernández-Morán fue pionero en la introducción de la crio-ultramicrotomía; la cuchilla de diamante y sus aplicaciones para el seccionamientoultrafino de especímenes biológicos y metales; la técnica de crio-fijación ultra-rápida con helio líquido; la técnica de substitución bajo congelamiento; el concepto de crio-microscopía electrónica y el crio-microscopio electrónico; el uso de lentes superconductoras mantenidas a temperatura de helio líquido en crio-microscopios electrónicos y el crio-ultramicrotomo operado a temperatura de helio líquido. Además, también contribuyó a la modificación de los ultramicrotomos; al desarrollo de crio-portaespecímenes para nitrógeno líquido y helio; y al desarrollo de filamentos de punta y filamentos de cristal único lo cual le permitió obtener intensos micro-haces de electrones de alta coherencia para el realce del constraste, mejoramiento de la resolución y registro de micrografías a baja dosis electrónica reduciendo el daño del especimen por irradiación. 

El interes de Fernández-Morán en la técnica de crio-fijación por enfriamiento ultra-rápido y la estructura de los cristales de hielo lo condujo a convertirse en un ávido proponente de la observación directa de especímenes biológicos no teñidos embebidos en hielo completamente hidratados (estado congelado hidratado) y construyó en 1966 el primer crio-microscopio electrónico con lentes superconductoras mantenidas a temperatura de helio líquido. En sus estudios pioneros, Fernández-Morán examinó varios materiales inorgánicos, orgánicos y biológicos a muy baja temperatura (4.2° K) y con una resolución de 10 Ångstroms, demostrando por primera vez que el daño del especimen se puede reducir usando temperaturas muy bajas. A pesar de este trabajo pionero, que en la práctica sentó las bases requeridas para el advenimiento de la microscopía electrónica de transmisión a baja temperatura (más conocida como crio-microscopía electronica), los avances que en este campo se lograron en la decada siguiente fueron muy escasos. El potencial de la crio-microscopía electrónica como técnica estructural se hizo aparente cinco años después, en 1971, cuando el trabajo de R. M. Glaeser y sus colaboradores demostró que la extensión del daño producido por el haz de electrones en el microscopio electrónico de transmisión disminuía a temperaturas muy bajas; sin embargo, fué solo en 1974 cuando el trabajo de K. A. Taylor y R. M. Glaeser abrió las puertas para la obtención de imágenes de alta resolución de especímenes biológicos no teñidos congelados hidratados, la raison d´être de la crio-microscopía electrónica tal y como lo visualizó y propugnó Fernández-Morán 8 años antes. 

Las contribuciones de Fernández-Morán a la biología y la medicina son muchas y muy diversas, y aqui citaremos solo una de ellas. En la portada de la revista Molecular Biology of the Cell publicada en Junio de 1999 se reprodujeron dos micrografías electrónicas tomadas en el laboratorio de Fernández-Morán, que fueron reseñadas como las primeras imágenes en revelar la complejidad de la estructura de las membranas mitocondriales. Estas micrografías provenían de un estudio en el cual Fernández-Morán y sus colaboradores correlacionaron datos de microscopía electrónica y de bioquímica para definir las partículas submitocondriales, en la superficie de las crestas de las membranas mitocondriales. Estas partículas, conocidas como las partículas de Fernández-Morán, consisten de tres partes: una cabeza esférica o polihedral, un tallo cilíndrico y una base. Fueron los estudios de E. Racker y sus colegas los que mostraron que el tallo y la base de estas partículas incluía un dominio transmembrana (F0), que transporta protones a través de las membranas de las crestas; y que la cabeza (F1) incluye una ATPasa, la cual sintetiza ATP cuando los protones pasan a traves de F0 favorecidos por el gradiente electroquímico. Ambas porciones F0 y F1 estan compuestas de múltiples subunidades protéicas. Estas micrografías electrónicas publicadas por Fernández-Morán en 1964 claramente demostraron la orientación asimétrica de las proteinas de membrana e iniciaron un esfuerzo de investigación bioquímico detallado que condujo a una comprensión profunda de como la quimio-ósmosis se acopla a la síntesis de adenosintrifosfato (ATP) para producir la fosforilación oxidativa en diferentes células. El conocimiento de la estructura de las partículas de Fernández-Morán inició el estudio de los complejos de proteínas oligoméricas en las membranas en términos de su complejidad y asimetría. Este trabajo pionero de Fernández-Morán y sus colaboradores tuvo una influencia seminal en el trabajo de P. D. Boyer (Universidad de California, Los Angeles, EE.UU) y J. E. Walker (Laboratorio de Biología Molecular, Consejo de Investigaciones Médicas, Cambridge, Reino Unido), que elucidó el mecanismo enzimático de la síntesis del ATP. Este trabajo de Boyer y Walker fue reconocido cuando compartieron el Premio Nobel de Química de 1997 con J. C. Skou (Universidad de Aarhus, Dinamarca), por su descubrimiento de la enzima ATPasa transportadora de sodio y potasio. 

Fernández-Morán fundó el Instituto Venezolano de Neurología e Investigaciones Cerebrales (IVNIC), precursor del actual Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC) que se convirtió en una institución clave y ejemplo para el desarrollo de la ciencia en Venezuela y América Latina. En reconocimiento de las muchas contribuciones hechas por Fernández-Morán a las técnicas de la microscopía electrónica, asi como de sus aplicaciones a la biología y medicina, el Instituto Venezolano de Investigaciones Cientificas (IVIC) designó en su honor el Departamento de Biología Estructural (http://cbe.ivic.ve), creado en 1997. 

Raúl Padrón
Investigador Titular, Jefe del Departamento de Biología Estructural Humberto Fernández-Morán del IVIC.
International Research Scholar, Howard Hughes Medical Institute de los EE.UU. 


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