La Universidad de California, La instalación de sala limpia de nanofabricación de San Diego (Nano3) es la primera institución en obtener un nuevo microscopio de haz doble FEI Scios, con una adaptación para su uso a temperaturas criogénicas. El nuevo microscopio permitirá la investigación entre una base de usuarios muy diversa, desde la ciencia de los materiales hasta la biología estructural y molecular.

Como explica el director técnico de Nano3, Bernd Fruhberger:"Existe un gran interés en utilizar este instrumento entre los profesores de varios departamentos. Los Departamentos de Nanoingeniería, Ingeniería de Materiales y Aeroespacial, Ingeniería Eléctrica y Computación, Química, Física y Biología en UC San Diego tienen proyectos que necesitan esta herramienta, y han participado activamente en hacer realidad la adquisición de la herramienta.

"El instrumento proporciona capacidades de vanguardia para la sección transversal, preparación de secciones para microscopía electrónica de transmisión y más, " él añade, "pero lo que realmente lo diferencia es la novedosa capacidad criogénica, lo que permitirá a los biólogos celulares ver las estructuras de las células biológicas en una resolución más alta para comprender mejor cómo funcionan las células a nivel molecular. Esto posiblemente podría allanar el camino para nuevos tratamientos y el descubrimiento de fármacos ".

Elizabeth Villa, un nuevo profesor asistente en el Departamento de Química y Bioquímica de UC San Diego, junto con sus colegas del Instituto de Bioquímica Max Planck de Alemania, adaptó un microscopio de haz de iones enfocado para aplicaciones biológicas durante sus estudios postdoctorales. El diseño fue adoptado por la empresa holandesa FEI en un prototipo único que Villa desarrollará en UC San Diego en colaboración con la empresa.

Villa señala que UC San Diego tiene una tradición académica establecida en el área de imágenes moleculares, lo que se refleja más notablemente en el trabajo del bioquímico Roger Tsien. Tsien ganó el Premio Nobel de Química en 2008 por el descubrimiento y desarrollo de la proteína verde fluorescente, que revolucionó los campos de la biología celular y la neurobiología al permitir a los científicos escudriñar el interior de las células vivas y observar su comportamiento en tiempo real.

"Lo que estoy haciendo es similar, "explica Villa, "solo que estoy usando microscopía electrónica, lo que nos da imágenes de mayor resolución. La idea detrás de nuestro método es unir a personas que hacen biología estructural con personas que hacen biología celular mediante el uso de una nueva herramienta que nos permitirá ver las estructuras de las células. en alta resolución, y comprender mejor qué están haciendo las moléculas ".

Para explicar la diferencia entre microscopía óptica (que hizo posible el trabajo de Tsien) y su trabajo en microscopía electrónica, Villa invoca una metáfora.

"La microscopía óptica es como dar linternas a un grupo de personas en una ciudad. Puedes ver dónde están esas personas, pero no puedes ver lo que sucede a su alrededor. Con microscopía electrónica, puedes ver a la gente con linternas (las moléculas de una célula) y también puedes ver las paredes y los edificios de la ciudad (la estructura de la célula) ".

Pero la microscopía electrónica tiene sus desventajas. Tradicionalmente, ser visible, las células deben prepararse de antemano secándolas y tiñéndolas con lo que Villa equivale a una "capa gruesa de pintura". Sin embargo, la mayoría de las células son demasiado gruesas para estudiarlas de esta manera, y eso es lo que hace que la herramienta Scios cambie las reglas del juego:permite a Villa evitar la tinción y nanomáquina las células para reducirlas al grosor requerido para la microscopía electrónica, alrededor de unas pocas décimas de micrón, sin crear distorsiones en la muestra y manteniendo criogénico. temperaturas (generalmente la temperatura del nitrógeno líquido).

Villa agrega:"Hay personas en el campus, como el profesor de neurociencia Mark Ellisman, que hacen un trabajo magnífico diseñando y usando este tipo de tintes, pero cuando el objetivo es obtener una imagen de alta resolución de las celdas donde la pregunta implica determinar detalles estructurales, desea evitar tener esta capa adicional encima de ellos. Sería como tener una capa de pintura sobre tu cara y luego tratar de contar cuántas pestañas tienes. Estarías fuera del negocio ".

Villa compara el proceso de estudio de las células (típicamente células eucariotas, en su caso) a temperaturas criogénicas para 'congelar repentinamente' la 'ciudad' celular en su metáfora anterior.

"Todo en la celda se congela en la posición en la que estaba para que podamos ver mejor, ", dice." Una cosa que he estado estudiando es algo conocido como el complejo de poros nucleares, que es el guardián del núcleo. Mantiene el ADN dentro del núcleo y lejos de otras partes de la célula. Si tuviéramos que sacarlo de la celda por completo para estudiarlo, no tendría mucho sentido, por eso tenemos que congelarlo en su lugar.

"Con técnicas de tomografía crioelectrónica, podemos crear imágenes en 3D de las células llamadas tomogramas, ", continúa." Lo que hago es exactamente equivalente a una tomografía computarizada (TC), excepto que las células son un millón de veces más pequeñas. Podemos tomar esas imágenes en 3D y verlas en StarCAVE o NexCAVE (de Qualcomm Institute) agrandados y en color, y tener una mejor idea de lo que está pasando ".

Villa agrega que otro beneficio de la microscopía crioelectrónica es la capacidad de inferir la dinámica celular a lo largo del tiempo, "o lo que llamamos en física 'ergodicidad'. Puedo mirar 3, 000 poros nucleares congelados en diferentes momentos para inferir la dinámica celular, clasifique toda esta información y luego haga predicciones. Luego podemos hacer un experimento de microscopía óptica in vivo (con una célula viva) y correlacionar lo que vemos con los datos anteriores que hemos reunido ".

Villa señala que al usar el haz dual de Scios para nanomáquina material biológico, en cierto sentido, "secuestrar una herramienta que los científicos de materiales usan todo el tiempo en la nanofabricación de materiales".

El microscopio Scios también facilitará la investigación planificada dirigida por UC San Diego en enfermedades neurodegenerativas, dice Villa, así como investigaciones relacionadas con el cáncer y las enfermedades cardíacas.

"Muchos tipos de perturbaciones o fenotipos que provienen de una enfermedad o la recuperación de una enfermedad se podrán examinar con el microscopio Scios, ", señala." Es importante tener en cuenta que este es un primer paso y queda mucho trabajo por hacer, pero nos coloca en un lugar realmente emocionante donde nuestro objetivo es observar las estructuras moleculares en su contexto natural:desde la célula hasta el nivel del organismo ".