En la superficie de nuestros billones de células hay una multitud compleja de moléculas moviéndose, hablando uno al otro, ocasionalmente segregándose, y desencadenar funciones básicas que van desde la sensación de dolor hasta la liberación de insulina.

Las estructuras que organizan este atasco microscópico ya no son invisibles, gracias a los investigadores de la Universidad Estatal de Colorado. Un equipo multidisciplinario de biofísicos y bioquímicos de una sola molécula ha arrojado luz sobre un proceso celular largo tiempo oculto:la relación de la membrana de una célula de mamífero con un andamio debajo de ella, el citoesqueleto cortical de actina. Por primera vez, El equipo de CSU ha realizado observaciones en tiempo real de este citoesqueleto que actúa como una barrera que organiza las proteínas en la superficie de la célula. jugar eficazmente a la policía de tráfico en las actividades de la membrana celular.

La visualización y el análisis revolucionarios de este proceso biológico más fundamental, cómo una membrana celular interactúa con su entorno intracelular y controla las funciones celulares, fue logrado conjuntamente por los laboratorios de Diego Krapf. profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática e ingeniería biomédica, y Michael Tamkun, profesor de ciencias biomédicas en la Facultad de Medicina Veterinaria y Ciencias Biomédicas, y de bioquímica, en la Facultad de Ciencias Naturales. El estudio de los investigadores aparecerá en una próxima edición de Revisión física X , con el primer autor Sanaz Sadegh, un doctorado estudiante en el laboratorio de Krapf.

En su estudio, los investigadores utilizaron una poderosa tecnología de imágenes de superresolución llamada microscopía de localización fotoactivada (PALM), cuales, evitando el límite de difracción natural de la luz, permite a los científicos tomar fotografías y videos nítidos de procesos biológicos a nanoescala. La microscopía de superresolución fue objeto del Premio Nobel de Química de 2014.

Los investigadores de CSU se centraron en los movimientos de los canales de iones de potasio, un tipo de proteína fundamental para las funciones celulares en la superficie celular, y cómo estos canales iónicos interactúan con el citoesqueleto de actina cortical. El citoesqueleto es una red de filamentos en forma de telaraña justo debajo de la membrana celular que le da a la célula algo de su forma y estructura. Los científicos habían planteado previamente la hipótesis de que el citoesqueleto desempeña un papel fundamental para ayudar a que las proteínas de la membrana que se adhieren a la superficie celular se organicen y transmitan señales para mantener la célula sana y funcionando. Pero capturar visualmente esta interacción actina-proteína en células vivas había sido imposible.

"Proteínas en la superficie celular, como canales iónicos, tiene mucha masa que cuelga dentro de la celda, Tamkun explicó:"Es esa masa intracelular la que choca con la red de actina".

Usando un microscopio de superresolución de diseño personalizado, los investigadores hicieron películas que capturaron los momentos exactos en que los canales iónicos colisionaron con la red de actina. Y lo que es más, realizaron un análisis estadístico de estos movimientos para proporcionar evidencia de los elementos estructurales clave de la actina. La red de actina cortical en una célula es un fractal, lo que significa que es estructuralmente similar en diferentes escalas de longitud.

"La naturaleza fractal de la red de actina explica nuestras mediciones, "Dijo Sadegh." Nos lleva a preguntarnos por qué vemos tantos fractales en la naturaleza. ¿Es una forma eficiente de organizar funciones? Es una pregunta interesante para estudios futuros ".

El análisis de los investigadores de CSU mostró que los movimientos aleatorios de las proteínas de la membrana celular exhiben patrones sofisticados. Entre sus observaciones estaba que las proteínas tendían a rebotar en los lugares que habían visitado anteriormente. Por primera vez, los investigadores de CSU ofrecieron evidencia estadística y visual de que este rebote es causado directamente por la naturaleza fractal de la actina.

El principal desafío técnico fue lograr imágenes de alta resolución en ráfagas de muy poco tiempo, según Krapf. "Si esperamos 10 segundos, el citoesqueleto celular cambia, por lo que necesitamos crear una imagen rápida. Estábamos empleando intervalos de dos segundos, y en esos segundos necesitábamos obtener una resolución espacial lo suficientemente alta como para ver colisiones entre las proteínas de membrana individuales y la estructura de la actina ".

Los investigadores quieren comprender todo sobre la membrana celular, porque así es como la célula se comunica con su entorno exterior, y puede ser la clave para la progresión de la enfermedad y otros aspectos de la salud humana. "Es importante para nosotros comprender cómo la célula organiza su membrana para mantener las cosas en los lugares donde deben estar, ", Dijo Sadegh. Ella sugirió que los estudios futuros podrían centrarse en sitios específicos de la membrana, por ejemplo, dónde tiene lugar la endocitosis y cómo la red de actina regula la actividad localizada.