Contribuci ón de Humberto Fernández-Morán a la Microscopía Electrónica

1. Contribución de Humberto Fernández-Morána la Microscopía Electrónica Octubre 24 , 1999

2. Eventos mas importantes en el desarrollo de la microscopía electrónica y sus aplicaciones a la Biología ETAPA I: Bases Físicas del Microscopio Electrónico y de Barrido ETAPA II : Invención del Microscopio Electrónico de Transmisión y de Barrido ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica ETAPA IV: Desarrollo de las técnicas de análisis, procesamiento digital de imágenes y reconstruccion tridimensional en microscopía electrónica y expansion de la Crio-Microscopia Electronica.

3. ETAPA I: Bases Físicas del Microscopio Electrónico y de Barrido 1897 J. J. Thompson(P. N. Fisica 1906) anuncia la existencia de particulas cargadas negativamente, denominadas luego electrones. 1924 Louis-Victor de Broglie(P.N. Fisica 1930) propone que los electrones en movimiento tienen propiedades ondulatorias. 1924: Manne Siegbahn (Universidad de Uppsala, Suecia) gana el Premio Nobel de Física por sus investigaciones en espectroscopía de rayos-X. 1924:Nace HFM (0) en Maracaibo el 18/2/1924 1926 Busch prueba que es posible enfocar un haz de electrones con una lente magnética cilíndrica, estableciendo las bases de la óptica electrónica. 1930: HFM (5) viaja al The Witt Junior High School de New York, EE.UU.

4. ETAPA II : Invención del Microscopio Electrónico de Transmisión y de Barrido 1931 Ernst Ruska(P.N. Fisica 1986) y colegas contruyen el primer microscopio electrónico de transmisión. 1932 A.C. Van Dorsten (Philips Research Laboratories) comienza a estudiar las lentes magnéticas. 1935 Max Knoll demuestra la factibilidad del microscopio electrónico de barrido; tres años después Von Ardenne construye un instrumento prototipo. 1936: HFM (12) regresa a Maracaibo 1937: HFM (13) viaja a Alemania 1939 Siemens produce el primer microscopio electrónico de transmisión comercial. 1939: HFM (15) obtiene titulo B. A., Liceo Schulgemeinde Wichersdorf de Sallfeld, Alemania. 1942 Microscopio Electrónico de Transmisión de 400 kV desarrollado por Philips Research Laboratories.

5. ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica 1944 William and Wyckoff introducen la técnica de sombreado metalico. 1944: HFM (20) obtiene su M. D. Mención Summa cum Laude, Universidad de Munich, Alemania luego regresa a Venezuela. 1945 Porter (P.N. Fisiologia y Medicina 1972), Claude (P.N. Fisiologia y Medicina 1974) y Fullam utilizaron el microscopio electrónico para examinar celulas en cultivo de tejidos luego de fijarlas y teñirlas con tetróxido de osmio. 1945: HFM (21) revalida su título de médico, Mención Summa cum Laude, UCV; ingresa a la UCV como Profesor, regresa a Maracaibo;y luego viaja a la George Washington University como Médico Internista en Neurología. 1946: HFM (22) viaja a Suecia, Estocolmo como Foreign Research Fellow trabajando con el neurocirujano Oliver Olivecrona (Serafimer Hospital) en organización de celulas tumorales; invitado a trabajar en el Electron Microscope Laboratories por el Prof. Manne Siegbahn, Director del Nobel Institute for Physics donde trabaja por 8 anos, y simultaneamente en el Karolinska Institute 1946 Philips introduce su primer prototipo de microscopio electrónico comercial en Oxford.

6. ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica 1947: HFM (23) desiganado agregado científico y cultural de Venezuela para Suecia, Noruega y Dinamarca. 1948 Pease y Baker preparan confiablemente secciones finas(0,1 a 0,2 m de grosor) de material biológico. 1950 H. Latta y J. F. Hartman introducen la cuchilla de vidrio para ultramicrotomía. 1951: HFM (27) recibe M. Sc. En Biología Celular, Karolinska Institute, Estocolmo, Suecia. 1952 Palade (P. N. Fisiología y Medicina 1975) , Porter (P.N. Fisiología y Medicina 1972), y Sjöstrand desarrollan metodos de fijación y seccionamiento fino que permitieron ver por vez primera muchas estructuras intracelulares. En una de las primeras aplicaciones de estas tecnicas, H. E. Huxley demostró que los musculos esqueleticos contienen un arreglo solapado de filamentos proteinicos, apoyando la hipotesis de los filamentos deslizantes de la contracción muscular. 1952: HFM (28) Ph.D. Biofísica, Universidad de Estocolmo, Suecia. Durante sus estudios trabaja como Asistente Clinico y Residente en Serafimerlasaretter Hospital de Estocolmo. Profesor Asociado del Instituto Karolinska. 1952 Humberto Fernández-Morán logra cortar por vez primera secciones finas congeladas introduciendo la crio-ultramicrotomia.

7. ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica 1953 Porter (P.N. Fisiología y Medicina 1972), y Blum desarrollaron el primer ultramicrotomo de aceptación general, incorporando muchas de las caracteristicas introducidas por Claude y Sjöstrand previamente. 1953 Fernández-Morán introduce la cuchilla de diamante para seccionamiento ultrafino. 1953: HFM (29) Miembro de la Academia de Ciencias Fisicas, Matematicas y Naturales de Venezuela. Sillon XXVI. Visita el Instituto de Neurologia e Investigaciones Cerebrales (INIC) en Chile.

8. ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica 1954: HFM (30) regresa a Venezuela, funda el IVNIC el 29/4/1954. Director del IVNIC. Jefe del Departamento de Biofisica de la UCV HFM (30) obtiene su primera patente #799497, Suecia. 1955: Se inaugura oficialmente el IVNIC, que opera solo 4 años hasta el 8/2/1959. HFM (31) obtiene la patente #10682/57, Londres. 1956 Glauert y asociados demuestran que la resina epóxica Araldita era un agente de embebimiento altamente efectivo para microscopía electrónica. 1956 Fernández-Morán demuestra la aplicación de la cuchilla de diamante para el seccionamiento ultrafino para el estudio de la estructura fina de tejidos biológicos y de metales.

9. ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica 1957 Robertson describe la estructura trilaminar de la membrana celular, vista por vez primera con el microscopio electrónico. 1957: HFM (32) desarrolla el “Fernandez-Moran Ultramicrotome”, una modificación del microtomo de Sjöstrand introducido en 1953. 1957 Las tecnicas de crio-fractura (“freeze-fracture), inicialmente desarrollada por Steere, fue perfeccionada por Moor y Mühlethaler. 1957: HFM toma la decisión de construir el reactor nuclear del IVNIC. 1958: El nuevo gobierno concede a HFM pasaporte diplomático vitalicio en reconocimiento a sus contribuciones científicas y educacionales. HFM (34) viaja Boston, EE.UU invitado por F. O. Schmitt, en misión tecnica oficial del IVNIC, en el Massachusetts General Hospital organiza el Mixter Laboratory of Electron Microscopy. HFM (34) es designado Visiting Lecturer en Biología en el Massachusetts Institute of Technology, y Research Associate en Neuropatología en Harvard University. HFM (34) colabora con T. G. Lewis de la Du Pont Company en nuevos metodos de fabricación de cuchillas y bisturíes de diamante.

10. ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica 1959 Singer utiliza anticuerpos acoplados a ferritina para detectar moleculas en las celulas utilizando el microscopio electrónico. 1959: El 9/2/1959 se crea el IVIC a partir del IVNIC. 1959 Brenner y Horne ampliaron la técnica de tinción negativa, inventada cuatro años antes por Hall, a una técnica de uso general para la visualización de virus, bacterias y filamentos proteinicos.

11. ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica 1959 Fernández-Morán contribuye al uso de la crio-fijación y tecnicas de preparación de baja temperatura usando helio II aplicandolas al estudio de la ultraestructura de tejidos.

12. ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica 1960 Fernández-Morán introduce el método de substitución bajo congelamiento (“freeze-substitution) en microscopía electrónica. 1960: HFM (34) desarrolla filamentos de punta de cristal único orientado de tungsteno para proveer iluminación de microhaz coherente, reduciendo daño del espécimen por irradiación usando mínima dosis electrónica por translación del microhaz.

13. ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica 1960 Fernández-Morán propone por vez primera observar directamente muestras hidratadas congeladas (“frozen-hydrated”), construyendo el primer crio- microscopio electrónico y el primer crio-portamuestra introduciendo el concepto de Crio-microscopía electrónica. 1961 Luft introdujo la resina de embebimiento Epón. 1962: HFM(36) viaja a Universidad de Chicago, EE.UU. Desempeñándose como Full Professor. HFM obtiene la U.S. patent #3,060,781. 1963 Sabatini, Bensch y Barrnett introducen el glutaraldehido (usualmente seguido por tetróxido de osmio) como un fijador para la microscopía electrónica. 1963: HFM obtiene la U.S. Patent #3,091,144 1965 Cambridge Instruments produce el primer microscopio electrónico de barrido comercial.

14. ETAPA III: Desarrollo de las técnicas preparativas en microscopía electrónica 1966 Fernández-Morán introduce el uso de lentes superconductoras a temperatura de Helio liquido en los microscopios electronicos. 1966 Davis G. Durham (E. I. Du Pont Company) introduce un nuevo instrumento para incisiones en cataratas basado en la cuchilla de diamante 1966 Branton demuestra que la crio-fractura permite visualizar el interior de las membranas. 1967: HFM (43) gana el Premio John Scott de Filadelfia por la invención de la cuchilla de diamante, el cual ganaron antes Thomas Edison, Marie Curie, Alexander Fleming y Jonas Salk entre otros.

15. ETAPA IV: Desarrollo de las técnicas de análisis, procesamiento digital de imágenes y reconstruccion tridimensional en microscopía electrónica y expansion de la Crio-Microscopia Electronica. 1968 de Rosier y Aaron Klug(P.N. Quimica 1982) describen las tecnicas para la reconstrucción tridimensional de estructuras a partir de micrografías electrónicas. 1969: HFM (45) obtiene la U.S. Patent # 3,447,366. 1972: HFM (48) obtiene la U.S. Patent # 3,646,841. 1973: HFM (49) obtiene la U.S. Patent # 3,751,780. 1973: HFM (49) introduce el crio-ultramicrotomo con cuchilla de diamante diseñado para operar a temperatura de helio líquido.

16. . ETAPA IV: Desarrollo de las técnicas de análisis, procesamiento digital de imágenes y reconstruccion tridimensional en microscopía electrónica y expansion de la Crio-Microscopia Electronica. 1974: HFM (50) obtiene la U.S. Patent # 3,803,958. 1975 Henderson y Unwin determinan la primera estructura de una proteina de membrana mediante reconstrucción computacional de micrografías electrónicas de muestras no teñidas. 1978: HFM (54) obtiene la U.S. Patent # 4,084,942. 1978: Muere Manne Siegbahn 1979 Heuser, Reese y colegas desarrollan la técnica de crio-grabado (“freeze-etching”) de alta resolución usando especimenes congelados rapidamente. 1979: HFM (55) obtiene la U.S. Patent # 4,164,680. HFM (55) visita dos veces el Laboratorio de Estructura Molecular del IVIC 1982: HFM (58) obtiene la U.S. Patent # 4,319,889. 1985: HFM (61) publica sus “Reminiscences and Reflections: Cryo-electron Microscopy and Ultramicrotomy”

17. ETAPA IV: Desarrollo de las técnicas de análisis, procesamiento digital de imágenes y reconstruccion tridimensional en microscopía electrónica y expansion de la Crio-Microscopia Electronica. 1986: Ernst Ruska (Alemania Oriental) gana el premio Nobel en Fisica por el diseño del primer microscopio electrónico conjuntamente con Gerd Binning (Alemania Occidental) y Heinrich Rohrer (Suiza) por el diseno del microscopio de barrido de efecto tunel. 1988: HFM (64) asiste al 70avo Aniversario de la Academia Nacional de Ciencias Fisicas, Matematicas y Naturales de Venezuela. 1988: Muere Ernst Ruska en Berlin Oriental (88 años)

18. ETAPA IV: Desarrollo de las técnicas de análisis, procesamiento digital de imágenes y reconstruccion tridimensional en microscopía electrónica y expansion de la Crio-Microscopia Electronica. 1993 Se logra la resolución de 1 Å en un Philips CM-200/300 en la Universidad de Tübingen 1997: El IVIC crea el Departamento de Biología Estructural “Humberto Fernández-Morán” 1999: Philips Electron Optics de Holanda designa al Departamento de Biología Estructural del IVIC como la sede del Centro LatinoAmericano Philips de Crio-Microscopía Electronica (CLAPCME) 1999: HFM (75) muere en Estocolmo, Suecia el 17/3/1999.

19. Departamento de Biologia Estructural Humberto Fernandez-Moran Http://cbe.ivic.ve

20. Centro LatinoAmericano Philips de Crio-Microscopia Electronica http://clapcme.ivic.ve/clapcme.html

21. Estructuras resueltas con Crio-Microscopia Electronica BIOLOGIABacteriorodopsina 3.5 ACatalasaCrotoxina y muchas otras toxinasFilamentos delgadosActinaTubulina TropomiosinaCromatinaRibosomasFlagelosVirusmembranas (mielina)complejo fotosinteticofilamentos gruesosetc. CIENCIA DE LOS MATERIALES Gases solidificados Monocapas Ceramicas Agentes surfactantes Microemulsiones Polimeros Compuestos de la Industria Petrolera etc.

22. Contribucion de Humberto Fernández-Morán a la Microscopía Electrónica 1.- Introduce el concepto de Crio-ultramicrotomia. 2.-Introduce la Cuchilla de Diamante. 3.-Introduce la aplicacion de la cuchilla de diamante para el seccionamiento ultrafino de materiales biologicos y de metales. 4.-introduce su ultramicrotomo disenado especialmente para su cuchilla de diamante. 5.-Introduce la crio-fijacion ultrarapida con helio II. 6.-Introduce el metodo de substitucion bajo congelamiento en microscopia electronica. 7.-Desarrolla filamentos de punta y de cristal unico para proveer microhaz coherente para la obtencion de micrografias de baja dosis electronica disminuyendo el dano por irradiacion electronica. 8.-Introduce el concepto de crio-microscopia electronica: la necesidad de observar las muestras congeladas-hidratadas. 9.- Introduce el crio-microscopio electronico. 10.- Introduce el uso de lentes superconductoras a temperatura de helio liquido en microscopios electronicos 11.-Introduce el portaespecimen de nitrogeno y el de helio liquido. 12.-Introduce el crio-ultramicrotomo a temperatura de helio liquido.