El virus de la inmunodeficiencia humana, o VIH, libra la guerra en nuestros cuerpos usando una estrategia desarrollada durante millones de años que vuelve nuestras propias máquinas celulares contra sí mismas. A pesar de los grandes avances en la comprensión de la enfermedad, todavía existen importantes lagunas. Durante años, Los científicos de la Universidad de Utah desearon que hubiera una forma de visualizar cómo el virus y sus moléculas interactúan con las células humanas en tiempo real. Entonces, un grupo de investigación desarrolló uno.

El nuevo método utiliza interferometría para capturar visualizaciones de muy alta resolución de millones de moléculas que se mueven a través de geles viscosos o una membrana plasmática. Ipsita Saha, candidato a doctorado en física y autor principal del estudio, desarrolló un análisis de correlación que explicaba teóricamente cómo el microscopio de interferometría podía distinguir entre dos tipos de movimiento —flujo y difusión— y ella y el autor principal Saveez Saffarian lo verificaron experimentalmente. El método nos acerca un paso más a visualizar cómo interactúan las moléculas en una célula viva real.

"Ya existen métodos que capturan cómo las moléculas fluyen y se difunden en dos dimensiones. Queríamos ver qué está sucediendo en todo el entorno celular. ¿Cómo funcionan estas moléculas? ¿Qué tipo de interacciones están teniendo lugar?" dijo Saha, quien también está afiliado al Center for Cell and Genome Science (CCGS) en la U.

"Hasta aquí, nos quedamos para imaginar estas interacciones. Tenemos formas muy limitadas de entrar en la célula y observar cómo todas estas moléculas bailan juntas al mismo tiempo, "dijo el autor principal Saffarian, profesor asociado de física, profesor asistente adjunto de biología y afiliado a la CCGS. "Realmente necesitábamos generar métodos de mayor resolución que pudieran analizar la dinámica de las moléculas biológicas".

El estudio publicado en la revista MÁS UNO el 18 de diciembre 2019.

Flujo y difusión

Las células funcionan como una oficina eficiente. Las proteínas y otras moléculas realizan tareas, desarrollar productos, comunicarse entre sí y moverse, incluso dejando su celda particular para adentrarse en el resto del mundo. El movimiento es crucial para que las moléculas se encuentren e interactúen entre sí y con su entorno. Este estudio tuvo como objetivo distinguir entre dos tipos de movimientos:flujo y difusión.

Las moléculas fluyen cuando tienen una tendencia a moverse en una dirección determinada. La difusión es cuando las moléculas se mueven al azar. Para comprender cómo funcionan las células o los virus, es importante comprender la mecánica de cómo se mueven.

"¿Estas moléculas transportan cosas diferentes de un lugar a otro, ¿O hay otros procesos en marcha? ", dijo Saha." Este método específicamente puede diferenciar entre flujo y difusión en tres dimensiones ".

Los investigadores utilizaron un microscopio de interferometría, que mide la distancia que recorre la luz en nanoescalas. Las moléculas emiten fotones que viajan como ondas de luz, cada uno con amplitudes y frecuencias específicas. Para el experimento, el microscopio dividió un rayo de luz en dos rayos que viajaron por diferentes caminos, eventualmente volviendo a encontrarse. Estos rayos se combinan en un prisma, y tres reflejos separados de su combinación se capturan en tres cámaras. La interferencia es tal que si una molécula se mueve 80 nanómetros, su imagen se cambia a una cámara diferente. Esta es una resolución extremadamente alta:un glóbulo rojo humano tiene aproximadamente 7, 000 nanómetros de ancho. Los investigadores midieron la resolución en vóxeles, que son píxeles en tres dimensiones.

Saha y Saffarian crearon un gel de sacarosa inyectado con puntos cuánticos, cristales a nanoescala artificiales que conducen electrones. Los puntos cuánticos producen una señal que el microscopio puede detectar. Al aprender primero cómo se mueven los puntos cuánticos en el gel, los científicos validaron su técnica, que luego podría aplicarse a cómo se mueven las proteínas dentro de una célula. Enfriaron el gel a temperatura ambiente para reducir la velocidad de la sustancia a una velocidad que las cámaras pudieran capturar.

"De hecho, puedes ver si las moléculas van en una dirección particular o si se mueven al azar. Y puedes hacer esto en muy, vóxeles muy pequeños en una gran sección transversal de la muestra, que tiene una gran cantidad de información, ", dijo Saffarian. Los científicos utilizaron el Centro de Computación de Alto Rendimiento de la U para procesar grandes cantidades de datos.

Los investigadores midieron cuánto tiempo estas ondas de luz se "recordaban" entre sí calculando la probabilidad de cuánto tiempo las ondas retendrían su amplitud y frecuencia. llamado coherencia. La luz emitida por la misma molécula aparecerá en las cámaras con la misma coherencia. Utilizaron la función de correlación para averiguar cómo se movían las moléculas y en qué dirección. Si los haces de luz divididos viajan por caminos separados a menos de 10 micrones uno del otro, recuerdan que provienen de la misma molécula. Cuando los rayos de luz se reencuentren, se combinarán con ese conocimiento. Si no se conocen, tienen un 30% de probabilidad de aparecer en cualquiera de las tres cámaras. Si se recuerdan el uno al otro, tienen un 100% de probabilidad de aparecer en una cámara, pero un 0% de probabilidad de aparecer en los demás. Este método mide la luz emitida por millones de moléculas a la vez, lo que hace que este método sea ideal para estudiar el flujo y la difusión a través de células y tejidos.

Mejorando la tecnología

Si bien este método detecta el movimiento a través de geles viscosos o membranas plasmáticas, no puede crear un mapa de partículas que se mueven a través de una celda real. Sin embargo, Saha y Saffarian ahora están colaborando con investigadores de ThermoFisher Scientific (FEI) en Alemania para construir un prototipo de microscopio con detectores mucho más rápidos que podrán capturar el movimiento dentro de las células vivas. Son parte de una solicitud de patente para la tecnología y analizarán los datos de los experimentos.

"Ya podemos utilizar este método para procesos lentos, pero en nuestro laboratorio, somos biólogos en algún nivel. Queremos comprender realmente cómo funciona la biología, y el incentivo detrás de todo el desarrollo de este método es comprender, ¿Cuál es la loca danza de las moléculas dentro de las células y los tejidos que permite que la biología realmente exótica avance? Para llegar necesitamos detectores mucho más rápidos, "Dijo Saffarian.