Transferencia de energía de resonancia de Förster

Transmisión de energía de resonancia o transferencia de energía de resonancia de Förster, habitualmente abreviado como FRET por sus siglas en idioma inglés Förster resonance energy transfer, es un mecanismo de transferencia de energía entre cromóforos. Se basa en que la excitación de un cromóforo puede transferirse a otro cercano, generalmente cuando ambos se sitúan en la misma molécula, mediante un mecanismo acoplador dipolo-dipolo. Fue descrita por el científico alemán Theodor Förster en 1948.^[1]​ En el caso de que los cromóforos sean fluorescentes (esto es, fluorocromos), el mecanismo subyacente continúa siendo el mismo: la energía se transfiere, lo que desemboca en la aparición de fluorescencia (cabe destacar que no es la fluorescencia la transferida)^[2]​^[3]​

FRET es la transferencia de energía no-radiante que se produce entre dos fluoróforos (donador y aceptor) en los que el espectro de emisión del donador y de excitación del aceptor se superponen lo suficiente para que el donador, una vez excitado transfiera energía que permita la respuesta del aceptor con su sub secuente emisión de fluorescencia. La eficiencia del FRET decae con la sexta potencia de la distancia entre fluoróforos (radio de Forster). A su vez, la transferencia es más eficaz cuanto mayor superposición se produzca entre los espectros de excitación-emisión de donador y aceptor y cuanto más favorable sea la orientación espacial relativa de los fluoróforos.^[4]​

Las aspectos del FRET son:^[5]​

1. Es precisa una gran cercanía entre los cromóforos o fluorocromos, en torno a 10-100 Å.
2. El espectro de absorción del cromóforo aceptor debe superponerse el espectro de emisión de fluorescencia del donador.
3. De extinguir la fluorescencia del fluorocromo aceptador («fotobleaching»), aumenta la intensidad de la emisión del fluorocromo donador. Esto se debe a la inhibición del FRET debido a que, por excitación de gran intensidad, el aceptor ya es incapaz de absorber fotones; al excitar el flurocromo donador, la intensidad producida por este aumenta puesto que no pierde energía por transferencia al aceptor, ya bloqueado.

Principios teóricos

La FRET se describe mediante la tasa de transferencia de energía (${\displaystyle k_{\text{ET}}}$ ), que es inversamente proporcional a la sexta potencia de la distancia intermolecular ${\displaystyle r}$ :^[6]​

${\displaystyle k_{\text{ET}}=({\frac {R_{0}}{r}})^{6}\,{\frac {1}{\tau _{D}}}}$ 

${\displaystyle \tau _{D}}$  es la vida media de fluorescencia del donante en ausencia del receptor. El parámetro ${\displaystyle R_{0}}$  se denomina radio de Förster, y representa la distancia intermolecular para la cual la tasa de transferencia de energía es igual a la tasa de fluorescencia del donante en ausencia del receptor; es decir, la distancia para la que la mitad de las moléculas participarían en la transferencia de energía. ${\displaystyle R_{0}}$  viene dado por

${\displaystyle R_{0}^{6}={\frac {9\,\log(10)\,\kappa ^{2}\,Q_{D}\,J}{128\,\pi ^{5}\,N_{A}\,n^{4}}}}$ 

donde ${\displaystyle Q_{D}}$  es la eficiencia cuántica del donante en ausencia del receptor, ${\displaystyle N_{A}}$  es el número de Avogadro y ${\displaystyle n}$  es el índice de refracción del medio.

${\displaystyle \kappa }$  es el factor de orientación dipolar

${\displaystyle \kappa ={\hat {\mu }}_{\text{A}}\cdot {\hat {\mu }}_{\text{D}}-3({\hat {\mu }}_{\text{D}}\cdot {\hat {R}})({\hat {\mu }}_{\text{A}}\cdot {\hat {R}}),}$ 

donde ${\displaystyle {\hat {\mu }}_{i}}$  es el momento dipolar de transición del fluoróforo, y ${\displaystyle {\hat {R}}}$  es el desplazamiento normalizado entre fluoróforos. Un valor comúnmente utilizado es ${\displaystyle \kappa ^{2}}$  = 2/3, obtenido cuando ambos fluoróforos rotan libremente y están orientados isotrópicamente.

${\displaystyle J}$  representa la densidad de estados cuánticos compatibles de ambos dopantes. Para la mayoría de aplicaciones, se aproxima mediante una integral de solapamiento de los espectros de absorción y emisión:

${\displaystyle J={\frac {\int f_{\text{D}}(\lambda )\epsilon _{\text{A}}(\lambda )\lambda ^{4}\,d\lambda }{\int f_{\text{D}}(\lambda )\,d\lambda }}=\int {\overline {f_{\text{D}}}}(\lambda )\epsilon _{\text{A}}(\lambda )\lambda ^{4}\,d\lambda ,}$ 

${\displaystyle f_{\text{D}}}$  es el espectro de emisión del donante, ${\displaystyle {\overline {f_{\text{D}}}}}$  es el espectro de emisión del donante normalizado a un área total de 1 y ${\displaystyle \epsilon _{\text{A}}}$  es el coeficiente de extinción molar del receptor, normalmente obtenido de un espectro de absorción.

A partir de la tasa de transferencia de energía ${\displaystyle k_{\text{ET}}}$  se define la eficiencia cuántica de la FRET, o la fracción de las moléculas que participarán en la transferencia:

${\displaystyle E={\frac {k_{\text{ET}}}{k_{f}+k_{\text{ET}}+\sum {k_{i}}}},}$ 

${\displaystyle k_{f}}$  es la tasa de fluorescencia del donante, y ${\displaystyle k_{i}}$  son otras posibles tasas de otras formas de emisión de energía, incluyendo FRET a otros receptores. Asumiendo que no haya otras transferencias, E depende de la distancia intermolecular:

${\displaystyle E={\frac {1}{1+(r/R_{0})^{6}}}}$ 

Referencias

1. Förster T. Zwischenmolekulare Energiewanderung und Fluoreszenz, Ann. Physik 1948, 437, 55. doi 10.1002/andp.19484370105
2. Joseph R. Lakowicz, "Principles of Fluorescence Spectroscopy", Plenum Publishing Corporation, 2nd edition (July 1, 1999)
3. FRET microscopy tutorial from Olympus
4. Guerra, F. Javier Díez (28 de febrero de 2004). «Técnicas de microscopía óptica». Arbor 177 (698): 225-258. ISSN 1988-303X. doi:10.3989/arbor.2004.i698.607. 
5. Laboratorio de fotónica del CSIC
6. Förster, Th. (1965). «Delocalized Excitation and Excitation Transfer». En Sinanoglu, Oktay, ed. Modern Quantum Chemistry. Istanbul Lectures. Part III: Action of Light and Organic Crystals 3. New York and London: Academic Press. pp. 93-137. 

•   Datos: Q367473
•   Multimedia: Fluorescence resonance energy transfer