En 2014, W. E. Moerner, el Profesor Harry S. Mosher de Química en la Universidad de Stanford, ganó el Premio Nobel de Química por desarrollar conjuntamente una forma de obtener imágenes de formas dentro de las células a muy alta resolución, llamada microscopía de superresolución. Ahora, él y su laboratorio han creado un nuevo microscopio que produce imágenes a nanoescala en 3D de células de mamíferos en su totalidad.

"Una célula tiene toda una ciudad de proteínas, enzimas y estructuras trabajando todo el tiempo, "Tenemos una idea de lo que hay en una célula", dijo Moerner. "Muchos de nosotros estamos familiarizados con los dibujos de las mitocondrias o del retículo endoplásmico", pero es una idea normal. Cuando miramos las células individuales, reconocemos que no todas son exactamente como las imágenes que tenemos en los libros de texto ".

El laboratorio de Moerner combina la química, física, óptica e ingeniería para crear mejores formas de mirar dentro de las células para ver el funcionamiento de moléculas individuales. Colaborando con muchos otros laboratorios, el grupo se centra en temas biológicos, como medir las estructuras de las fibras proteicas relacionadas con la enfermedad de Huntington, observar la organización de hebras individuales de ADN en el núcleo y documentar los cambios estructurales en las células durante los tratamientos médicos.

Panqueques y magia

El nuevo microscopio, que los investigadores llaman TILT3D y que se describió recientemente en un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , combina dos nuevas técnicas de obtención de imágenes con microscopía de superresolución para capturar imágenes tridimensionales muy claras de estructuras y moléculas individuales dentro de una célula.

Una de las dos nuevas técnicas, conocido como iluminación de hoja de luz inclinada, aborda los problemas de enfoque y funcionalidad que ocurren con las técnicas de iluminación existentes. En la mayoría de los microscopios ópticos, la muestra de la celda se ilumina desde abajo.

"Este es un problema si desea investigar los detalles de una celda porque genera imágenes visualmente borrosas en las que solo algunas partes están enfocadas, como una foto tomada a larga distancia, "dijo Anna-Karin Gustavsson, becario postdoctoral en el laboratorio de Moerner y autor principal del artículo.

La iluminación de la hoja de luz estándar soluciona este problema al iluminar sólo una porción de luz desde el lateral para obtener una iluminación similar a un panqueque de la muestra. Incluso con esta ventaja, si intentas que una sábana ligera brille en el fondo de una celda, rebota en la esquina de la cámara que contiene la muestra, que distorsiona la imagen. Inclinando la hoja de luz, el laboratorio de Moerner evita golpear la esquina.

Además de despejar el desorden visual inclinando la hoja de luz, el nuevo microscopio incluye un método óptico para obtener imágenes en 3-D. Lograr esto, Los investigadores etiquetan moléculas en la muestra de células con sustancias químicas que emiten fluorescencia cuando se encienden y usan aditivos químicos para hacerlas parpadear intensamente. Luego, a través de lo que Moerner llama "magia óptica, "el grupo ajusta el microscopio para convertir cada parpadeo fluorescente en dos puntos de luz en diferentes ángulos. Con estos dos puntos, los investigadores pueden obtener la posición de cada molécula en tres dimensiones, que informa la imagen 3-D final.

Apilando sus imágenes tridimensionales pancacadas una encima de la otra, los investigadores pueden crear una reconstrucción de una célula de arriba a abajo. Las imágenes de láminas de luz inclinadas también permiten rastrear el movimiento tridimensional de las moléculas a lo largo del tiempo con una precisión de decenas de nanómetros. que podría capturar moléculas que se unen, moviéndose por motores o viajando aleatoriamente a través de estructuras de la celda.

Combinando la imagen clara de TILT3D y las capacidades 3-D con las técnicas de superresolución existentes, el microscopio puede crear imágenes precisas a superresolución, tan pequeñas como decenas de nanómetros o alrededor de 4, 000 veces más pequeño que un cabello humano es grueso. Esto abre nuevas oportunidades para producir imágenes tridimensionales detalladas de estructuras celulares de mamíferos, incluso de los que antes eran demasiado densos para visualizarlos con claridad.

Listo para compartir

Como parte de su artículo, Moerner y los miembros de su laboratorio probaron con éxito su microscopio en estructuras celulares conocidas. Ya están recorriendo otros laboratorios a través del proceso de duplicar este microscopio. El diseño puede ser una adición modular a los microscopios ópticos existentes. En el futuro, esperan que sus imágenes de iluminación de lámina de luz inclinada en 3-D se utilicen para cualquier número de proyectos.

"TILT3D es más simple que otros microscopios que han sido diseñados para obtener imágenes de estas desafiantes muestras, y se puede utilizar para obtener imágenes tanto de estructuras estáticas como de moléculas en movimiento ", dijo Gustavsson, que cuenta con el apoyo parcial de una beca postdoctoral del Karolinska Institutet de Suecia. "Lo diseñamos para que sea versátil, no vinculado a una pregunta específica ".

Los investigadores continuarán trabajando en TILT3D, particularmente en la combinación de información estática y dinámica de varias proteínas diferentes. Junto con sus muchas otras innovaciones y estudios en imágenes celulares, esperan que esta tecnología les permita a ellos y a otros aprender más sobre las estructuras y procesos de las células, una molécula a la vez.