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Observando células vivas en resolución a nanoescala
Un microscopio de luz 3-D de súper alta resolución desarrollado en el Instituto Max Planck de Química Biofísica permitirá a los biólogos observar el funcionamiento de los orgánulos más pequeños e incluso grupos individuales de proteínas en las células vivas. La nueva tecnología, que tiene una resolución de 40 nanómetros, supera algunas limitaciones importantes en las técnicas de microscopía existentes y podría tener aplicaciones importantes para analizar exactamente cómo los medicamentos impactan en las células.
Potencia celular: Estas imágenes de un orgánulo celular llamado mitocondria se tomaron con el microscopio de luz 3-D de mayor resolución desarrollado hasta ahora. Investigadores del Instituto Max Planck, en Alemania, han utilizado el microscopio para obtener imágenes de grupos de proteínas individuales marcadas con fluorescencia en las mitocondrias de células vivas (abajo) y combinarlas para formar imágenes tridimensionales (arriba).
[Es] un tour de force, un gran logro, dice John Sadat , profesor de bioquímica y biofísica en la Universidad de California, San Francisco. Usando el microscopio Max Planck y otros que están impulsando la resolución a nanoescala, los biólogos podrán observar cómo funcionan las células vivas con un nivel de detalle sin precedentes. Va a ser una revolución para la biología, dice Sedat, que no participó en la investigación.
En las últimas décadas, los biólogos han logrado grandes avances en la comprensión de la composición molecular de las células, pero la forma en que estas partes se suman al funcionamiento de las células y los tejidos sigue siendo un misterio. Utilizando microscopios ópticos, los biólogos pueden observar células vivas con una resolución relativamente baja; utilizando microscopía electrónica, pueden diseccionar cuidadosamente las células muertas.
El nuevo microscopio le permite disecar ópticamente células vivas, dice Stefan Hell , jefe del departamento de nanobiofotónica del Instituto Planck, en Göttingen, Alemania, quien dirigió el desarrollo del instrumento.
Los investigadores utilizaron el nuevo microscopio para crear las primeras imágenes de luz de muy alta resolución de diminutos orgánulos celulares llamados mitocondrias, que son cruciales para el metabolismo celular y juegan un papel en el proceso de envejecimiento. Una aplicación potencial es visualizar cómo ciertos medicamentos contra el cáncer afectan las mitocondrias, cuyo funcionamiento interno ha sido invisible para la microscopía óptica tridimensional. Ha sido difícil porque no pudiste ver moléculas que se unen entre sí, lo que hace imposible nombrar definitivamente la causa de los efectos de estas drogas, dice Maryann Fitzmaurice , patólogo de la Universidad Case Western Reserve, en Cleveland.
Los microscopios de luz tridimensionales funcionan escaneando un punto de luz enfocado a través de células en tres planos. El tamaño de este punto limita la resolución del microscopio; no se puede ver nada más pequeño que el tamaño del punto. Debido a una propiedad fundamental de la luz llamada límite de difracción, es imposible enfocar la luz a un tamaño menor que la mitad de su longitud de onda usando lentes convencionales. Muchas partes de la celda tienen menos de la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada para estas técnicas. Otros investigadores han superado el límite de difracción en dos dimensiones, o con técnicas que solo funcionan con una longitud de onda de luz particular.
El grupo Max Planck desarrolló una forma de sortear las limitaciones fundamentales de la luz mediante el uso de dos haces en lugar de uno. El primer haz de luz juega el mismo papel, y tiene el mismo tamaño de punto, que la luz en un microscopio convencional. Se mueve a través de la célula en estudio, excitando las moléculas marcadas con fluorescencia dentro de la célula para que emitan fluorescencia. El segundo rayo esculpe al primero, dice Hell, inhibiendo la fluorescencia creada por los bordes del primer rayo. Eso reduce el tamaño efectivo del punto de 40 a 45 nanómetros de diámetro.
Fitzmaurice dice que la microscopía de resolución molecular mejorará la atención al paciente en el futuro. La atención se ha centrado en los defectos moleculares de las enfermedades, pero para comprenderlos realmente hay que verlos en la célula, dice. Ella cree que la microscopía de resolución a nanoescala también jugará un papel importante en el avance de la medicina personalizada. Por ejemplo, los científicos han identificado biomarcadores específicos que ayudan a predecir el pronóstico de un paciente con cáncer, pero no todos los pacientes con un biomarcador en particular responden de manera similar a los mismos tratamientos. Utilizando el nuevo microscopio Hell y otros por venir, los biólogos pueden realizar la investigación básica necesaria para comprender cómo interactúan las proteínas y otras moléculas y, en última instancia, para identificar predictores más precisos de enfermedades.
Y en el futuro, los microscopios con resolución a nanoescala podrían usarse en los laboratorios de los hospitales para realizar una medicina verdaderamente personalizada. Sedat dice que el siguiente nivel para la microscopía de resolución a nanoescala es desarrollarla para obtener imágenes no solo de células individuales sino también de tejidos como biopsias quirúrgicas. Creo que estamos al borde de algunas nuevas e importantes direcciones para la microscopía óptica, dice.