Se trata de un corte a través del núcleo de una célula de adenocarcinoma de ratón que muestra el nucleolo y los canales de membrana que atraviesan el núcleo; tomado por nanotomografía de rayos X. Crédito:HZB
Investigadores alemanes de Helmholtz-Zentrum Berlin han desarrollado un nuevo microscopio de nanotomografía de rayos X. Usando su nuevo sistema, pueden revelar las estructuras de los componentes más pequeños de las células de los mamíferos en tres dimensiones.
Por primera vez, no hay necesidad de arreglar químicamente, teñir o cortar las células para estudiarlas. En lugar de, Las células vivas enteras se congelan rápidamente y se estudian en su entorno natural. El nuevo método ofrece una imagen 3D inmediata, cerrando así una brecha entre las técnicas microscópicas convencionales.
El nuevo microscopio ofrece una imagen tridimensional de alta resolución de toda la célula en un solo paso. Esta es una ventaja sobre la microscopía electrónica, en el que se ensambla una imagen tridimensional a partir de muchas secciones delgadas. Esto puede demorar hasta semanas para una sola celda. También, la celda no necesita estar etiquetada con tintes, a diferencia de la microscopía de fluorescencia, donde solo las estructuras etiquetadas se vuelven visibles. En cambio, el nuevo microscopio de rayos X aprovecha el contraste natural entre el material orgánico y el agua para formar una imagen de todas las estructuras celulares. El Dr. Gerd Schneider y su equipo de microscopía en el Institute for Soft Matter and Functional Materials han publicado su desarrollo en Métodos de la naturaleza .
Ésta es una imagen TEM convencional de una sección delgada teñida. Crédito:HZB
Con la alta resolución lograda por su microscopio, los investigadores, en cooperación con colegas del Instituto Nacional del Cáncer de EE. UU., han reconstruido células de adenocarcinoma de ratón en tres dimensiones. Los detalles más pequeños eran visibles:la doble membrana del núcleo celular, poros nucleares en la envoltura nuclear, canales de membrana en el núcleo, numerosas invaginaciones de la membrana mitocondrial interna e inclusiones en orgánulos celulares como los lisosomas. Estos conocimientos serán cruciales para arrojar luz sobre los procesos celulares internos:por ejemplo, cómo los virus o las nanopartículas penetran en las células o en el núcleo, por ejemplo.
Esta es la primera vez que se obtienen imágenes de la llamada ultraestructura de las células con rayos X con tal precisión, hasta 30 nanómetros. Diez nanómetros son aproximadamente una diezmilésima parte del ancho de un cabello humano. La ultraestructura es la estructura detallada de una muestra biológica que es demasiado pequeña para ser vista con un microscopio óptico.
Los investigadores lograron esta alta resolución tridimensional al iluminar las diminutas estructuras del objeto hidratado congelado con luz parcialmente coherente. Esta luz es generada por BESSY II, la fuente de sincrotrón en HZB. La coherencia parcial es propiedad de dos ondas cuya fase relativa sufre fluctuaciones aleatorias que no son, sin embargo, suficiente para hacer la onda completamente incoherente. La iluminación con luz coherente parcial genera un contraste significativamente mayor para los detalles de objetos pequeños en comparación con la iluminación incoherente. Combinando este enfoque con una lente de alta resolución, los investigadores pudieron visualizar las ultraestructuras de las células con un contraste hasta ahora inalcanzable.
El nuevo microscopio de rayos X también permite más espacio alrededor de la muestra, lo que conduce a una mejor vista espacial. Este espacio siempre ha estado muy limitado por la configuración de la iluminación de la muestra. La luz de rayos X monocromática requerida se creó utilizando una cuadrícula radial y luego, de esta luz, un diafragma seleccionaría el rango deseado de longitudes de onda. El diafragma tuvo que colocarse tan cerca de la muestra que casi no hubiera espacio para girar la muestra. Los investigadores modificaron esta configuración:la luz monocromática es recogida por un nuevo tipo de condensador que ilumina directamente el objeto, y el diafragma ya no es necesario. Esto permite girar la muestra hasta 158 grados y observarla en tres dimensiones. Estos desarrollos proporcionan una nueva herramienta en biología estructural para una mejor comprensión de la estructura celular.
