Usando métodos de química física para observar la biología a nanoescala, un investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha inventado una nueva tecnología para obtener imágenes de moléculas individuales con una resolución espectral y espacial sin precedentes, conduciendo así al primer microscopio de superresolución de "color verdadero".

Ke Xu, un científico de la facultad en la División de Ciencias de la Vida de Berkeley Lab, ha denominado a su innovación SR-STORM, o microscopía de reconstrucción óptica estocástica resuelta espectralmente. Dado que SR-STORM proporciona información espacial y espectral completa para cada molécula, la tecnología abre la puerta a la obtención de imágenes de alta resolución de múltiples componentes y entornos químicos locales, como variaciones de pH, dentro de una celda.

La investigación se informó en la revista Métodos de la naturaleza en un papel titulado, "Espectroscopía de una sola molécula de rendimiento ultra alto y microscopía de superresolución resuelta espectralmente, "con los coautores Zhengyang Zhang, Samuel Kenny, Margaret Hauser, y Wan Li, todo UC Berkeley. Xu también es profesor asistente en el Departamento de Química de UC Berkeley.

"Medimos tanto la posición como el espectro de cada molécula individual, trazar su posición espacial superesuelta en dos dimensiones y colorear cada molécula de acuerdo con su posición espectral, entonces en ese sentido, es microscopía de súper resolución de color verdadero, que es el primero de su tipo, ", Dijo Xu." Este es un nuevo tipo de imagen, combinando la medición espectral de una sola molécula con microscopía de superresolución ".

Y lo que es más, SR-STORM es de alto rendimiento, capaz de entregar información espacial y espectral para millones de moléculas individuales en aproximadamente cinco minutos, en comparación con varios minutos para un solo cuadro de imagen que comprende decenas de moléculas utilizando técnicas convencionales basadas en escaneo.

Xu se basó en el trabajo que hizo como investigador postdoctoral en Harvard con Xiaowei Zhuang, quien inventó STORM, un método de microscopía de superresolución basado en imágenes de una sola molécula y fotoconmutación. Al diseñar un sistema de doble objetivo con dos lentes de microscopio enfrentadas, Xu y sus colegas observaron el anverso y el reverso de la muestra al mismo tiempo y lograron una resolución óptica sin precedentes (de aproximadamente 10 nanómetros) de una celda. Usando este método para obtener imágenes de neuronas, demostraron que actina, un componente clave del citoesqueleto (columna vertebral de la célula), tiene una estructura diferente en los axones que en las dendritas, dos partes de una neurona.

Pero las técnicas actuales de microscopía de superresolución no proporcionan información espectral, que es útil para que los científicos comprendan el comportamiento de moléculas individuales, así como para permitir imágenes multicolores de alta calidad de múltiples objetivos.

"Así que construimos un sistema de doble objetivo, pero dispersamos la imagen de una sola molécula recopilada por una lente de objetivo en el espectro mientras conservamos la otra imagen para la localización de una sola molécula, ", Dijo Xu." Ahora estamos acumulando simultáneamente el espectro de las moléculas individuales y también su posición, así que resolvimos el dilema ".

A continuación, tiñeron la muestra con 14 tintes diferentes en una ventana de emisión estrecha y excitaron y fotocambiaron las moléculas con un láser. Si bien los espectros de los 14 tintes se superponen en gran medida, ya que tienen una emisión cercana, encontraron que los espectros de las moléculas individuales eran sorprendentemente diferentes y, por tanto, fácilmente identificables. "Eso es útil porque significa que teníamos una forma de obtener imágenes multicolores dentro de una ventana de emisión muy estrecha, "Dijo Xu.

En efecto, usando cuatro tintes para etiquetar cuatro estructuras subcelulares diferentes, como mitocondrias y microtúbulos, pudieron distinguir fácilmente moléculas de diferentes tintes basándose solo en su media espectral, y cada estructura subcelular era de un color distinto.

"Entonces, al usar este método, podemos observar las interacciones entre cuatro componentes biológicos dentro de una célula en tres dimensiones y con una resolución muy alta de aproximadamente 10 nanómetros, ", Dijo Xu." Las aplicaciones son principalmente en investigación fundamental y biología celular en este momento, pero es de esperar que dé lugar a aplicaciones médicas. Esto nos brinda nuevas oportunidades para observar las estructuras celulares, cómo están construidos, y si hay alguna degradación de esas estructuras en las enfermedades ".

Muchas enfermedades son causadas por un patógeno invasor o por la degradación de la estructura interna de una célula. Alzheimer por ejemplo, puede estar relacionado con la degradación del citoesqueleto dentro de las neuronas. "El sistema del citoesqueleto se compone de una serie de proteínas y estructuras subcelulares que interactúan, y nuestra técnica permitirá investigar las interacciones entre estos diferentes objetivos con un número sin precedentes de canales de color y resolución espacial, " él dijo.

Próximo, Xu está tratando de refinar el método utilizando un sistema de objetivo único, y hacerlo funcionar con sistemas de microscopios convencionales, lo que lo hace más accesible. También está tratando de desarrollar tintes y sondas adecuados para monitorear el medio ambiente local, como el pH, en células vivas a escala nanométrica.