Una nueva forma de ver detalles más pequeños que la mitad de la longitud de onda de la luz ha revelado cómo el andamiaje a nanoescala dentro de las células se une a la macroescala durante la división celular. A diferencia de las técnicas de superresolución anteriores, la desarrollada y probada en la Universidad de Michigan no se basa en moléculas que se desgastan con el uso prolongado.
La superresolución puede revelar estructuras de hasta 10 nanómetros, o aproximadamente del mismo ancho que 100 átomos. Abrió un mundo completamente nuevo en biología, y las técnicas que primero lo hicieron posible recibieron un Premio Nobel en 2014. Sin embargo, su debilidad es que solo puede tomar instantáneas de decenas de segundos. Esto hace que sea imposible observar la evolución de la maquinaria de una célula durante largos períodos de tiempo.
“Nos preguntábamos: cuando el sistema en su conjunto se está dividiendo, ¿cómo interactúan las estructuras a escala nanométrica con sus vecinas a escala nanométrica y cómo se amplía esta interacción a toda la célula?” dijo Somin Lee, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática de la UM, quien dirigió el estudio publicado en Nature Communications.
La increíble investigación que muestra con un detalle sin precedentes cómo ocurre la división celular
Para responder a esa pregunta, Lee y sus colegas necesitaban un nuevo tipo de superresolución. Usando su nuevo método, pudieron monitorear continuamente una celda durante 250 horas.
“La célula viva es un lugar ocupado con proteínas bullendo aquí y allá. Nuestra superresolución es muy atractiva para ver estas actividades dinámicas”, dijo Guangjie Cui, estudiante de ingeniería eléctrica e informática y coautor del estudio con Yunbo Liu, graduado en ingeniería eléctrica e informática.
Al igual que el método original, la nueva técnica utiliza sondas cerca de los objetos de interés a nanoescala para arrojar luz sobre ellos. La superresolución 1.0 usó fluoróforos para esto, moléculas fluorescentes que enviarían una luz de respuesta después de ser iluminadas. Si los fluoróforos estuvieran más juntos que el tamaño de lo que sea que se esté fotografiando, la imagen podría reconstruirse a partir de los estallidos de luz producidos por los fluoróforos.
La nueva técnica utiliza nanorods de oro, que no se descomponen con la exposición repetida a la luz, pero hacer uso de la luz que interactúa con ellos es más desafiante. Los nanorods responden a la fase de la luz, o dónde se encuentra en la oscilación hacia arriba y hacia abajo de los campos eléctricos y magnéticos que la componen. Esta interacción depende de cómo se incline la nanovarilla con la luz entrante.
Al igual que los fluoróforos, los nanorods pueden adherirse a estructuras celulares particulares con moléculas de orientación en sus superficies. En este caso, los nanorods buscaron actina, una proteína que agrega estructura a las células blandas. La actina tiene forma de filamentos ramificados, cada uno de unos 7 nanómetros (millonésimas de milímetro) de diámetro, aunque se unen para abarcar miles de nanómetros. Aunque los nanorods suelen tener más del doble del diámetro de la actina, los datos que proporcionan como grupo pueden iluminar sus pequeños detalles.
Para ubicar las nanovarillas, el equipo construyó filtros hechos de finas capas de polímeros y cristales líquidos. Estos filtros permitieron la detección de luz con una fase particular, lo que permitió al equipo seleccionar nanorods con ángulos particulares de la luz entrante. Al tomar de 10 a 30 imágenes, cada una de las cuales observa un subconjunto diferente de nanorods, y fusionarlas en una sola imagen, el equipo pudo deducir los detalles a escala nanométrica de los filamentos dentro de las células. Estos detalles se verían borrosos en los microscopios convencionales.
Usando la técnica, el equipo descubrió tres reglas que rigen la forma en que la actina se autoorganiza durante la división celular:
- La actina se expande para llegar a sus vecinos cuando los filamentos de actina están muy separados.
- Actín se acercará a sus vecinos para aumentar las conexiones, aunque esta tendencia se ve atenuada por el impulso de expandirse y llegar a más vecinos.
- Como resultado, la red de actina tiende a contraerse cuando está más conectada y se expandirá cuando está menos conectada.
El comportamiento de la actina está relacionado con el comportamiento de la célula, pero la célula se contrae cuando la actina se expande y se expande cuando la actina se contrae. El equipo quiere explorar esto más a fondo, descubriendo por qué los movimientos son opuestos en diferentes escalas. También quieren investigar las consecuencias de desregular este proceso molecular: ¿Está esto en la raíz de algunas enfermedades?
En términos más generales, esperan utilizar la superresolución para comprender cómo se construye la autoorganización en las estructuras biológicas, sin necesidad de un control central.
“Nuestro código genético en realidad no incluye suficiente información para codificar cada detalle del proceso de organización”, dijo Lee. “Queremos explorar los mecanismos de los comportamientos colectivos sin coordinación central que son como pájaros que vuelan en formación, en los que el sistema es impulsado por interacciones entre partes individuales”.
