Zoom a través del tiempo y el espacio simultáneamente con superresolución para comprender cómo se dividen las células

División celular, o el proceso de cómo las células hijas emergen de una célula madre, es fundamental para la biología. Cada célula hereda los mismos bloques de construcción de proteínas y ADN que componen la célula de la que proviene originalmente. Sin embargo, la forma exacta en que estos bloques de construcción moleculares se organizan en nuevas células sigue siendo un misterio.

El estudio de la división celular requiere la visualización simultánea de macromoléculas a escala nanométrica, como proteínas y ADN, hasta poblaciones de células a escala milimétrica, y durante un período de tiempo que va desde segundos hasta semanas. Microscopios anteriores han podido capturar objetos diminutos solo en períodos de tiempo cortos, generalmente solo decenas de segundos. No ha habido un método que pueda examinar una amplia gama de escalas de tamaño y tiempo al mismo tiempo.

Mi equipo y yo en la Universidad de Michigan Grupo de Bioplasmónica desarrollado una nuevo tipo de imágenes de superresolución que revela características previamente desconocidas de cómo se dividen las células.

Avances en imágenes de superresolución

No era posible ver las células a nivel molecular hasta hace poco con el Premio Nobel 2014 desarrollo de superresolución.

Microscopios de luz tradicionales difuminar objetos muy pequeños que están muy juntos en una muestra, porque la luz se dispersa a medida que se mueve por el espacio. Con superresolución, las sondas fluorescentes unidas a la muestra podrían encenderse y apagarse como estrellas titilantes en una noche despejada. Al recopilar y combinar muchas imágenes de estas sondas, una imagen de superresolución puede mostrar objetos muy pequeños. La superresolución abrió un mundo completamente nuevo en biología, revelando estructuras tan pequeñas como 10 nanómetros, que es aproximadamente del tamaño de una molécula de proteína.

Sin embargo, las sondas fluorescentes en las que se basa esta técnica pueden desgastarse rápidamente. Esto limita su uso en el estudio de procesos que tienen lugar durante períodos prolongados, como la división celular.

Mi equipo de investigación y yo hemos desarrollado una solución que llamamos Nanoscopia PINE. En lugar de absorber la luz como lo hacen las sondas fluorescentes tradicionales, las sondas que usamos dispersan la luz para que no se rompan con la exposición repetida a la luz.

Para resolver objetos muy pequeños que están muy juntos, construimos filtros hechos de capas delgadas de polímeros y cristales líquidos que permiten la detección de luz dispersa, lo que hace que las sondas se enciendan y apaguen. Esto nos permitió ver detalles de las células a escala nanométrica que, de otro modo, se verían borrosos con los microscopios tradicionales.

Sorprendentemente, descubrimos que estos detalles a escala nanométrica se podían ver durante períodos muy largos, más de 250 horas. Estos detalles normalmente se perderían con el tiempo con los métodos tradicionales de superresolución.

Arrojando nueva luz sobre la división celular

Luego aplicamos nuestro método para estudiar cómo se organizan los bloques de construcción moleculares en la división celular.

Nos enfocamos en un proteína llamada actina que ayuda a mantener la estructura celular, entre muchas otras funciones. La actina tiene forma de filamentos ramificados, cada uno de unos 7 nanómetros (millonésimas de milímetro) de diámetro, que se unen para abarcar miles de nanómetros. Usando nanoscopía PINE, adjuntamos sondas de dispersión a la actina para seguir visualmente las células humanas a medida que se dividían.

Hicimos tres observaciones sobre cómo se organizan los bloques de construcción de actina durante la división celular. Primero, estos bloques de construcción moleculares se expanden para aumentar sus conexiones con sus vecinos. En segundo lugar, también se acercan a sus vecinos para aumentar sus puntos de contacto. Y tercero, las redes resultantes tienden a contraerse cuando las moléculas de actina están más conectadas entre sí y se expanden cuando están menos conectadas entre sí.

Con base en estos hallazgos, pudimos descubrir nueva información sobre el proceso de división celular. Encontramos que las interacciones entre los bloques de construcción de actina se sincronizan con la contracción y expansión de toda la célula durante la división. En otras palabras, el comportamiento de las moléculas de actina está relacionado con el comportamiento de la célula: la célula se contrae cuando la actina se expande y se expande cuando la actina se contrae.

Descubriendo enfermedades con superresolución

Planeamos usar nuestro método para estudiar cómo otros componentes moleculares se organizan en tejidos y órganos. Al igual que las células, los tejidos y los órganos son organizado en una jerarquía que se puede examinar desde una escala de pequeña a grande. Examinar el proceso dinámico y complejo de cómo los bloques de construcción de proteínas interactúan entre sí para formar estructuras más grandes podría avanzar en la futura creación de nuevos tejidos y órganos de reemplazo, como los injertos de piel.

También planeamos usar nuestra técnica de imágenes para estudiar cómo los componentes básicos de las proteínas se desorganizan en la enfermedad. Las proteínas se organizan en células, las células se organizan en tejidos y los tejidos se organizan en órganos. Un cambio muy pequeño en los componentes básicos puede molestar a esta organización, con efectos que pueden derivar en enfermedades como el cáncer. Nuestra técnica podría potencialmente ayudar a los investigadores a visualizar y, a su vez, comprender mejor cómo los defectos moleculares en los tejidos y órganos pueden convertirse en enfermedades.

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