Zoom en el tiempo y el espacio simultáneamente con superresolución para comprender cómo se dividen las células

División celular, o el proceso por el cual las células hijas emergen de una célula madre, es importante en biología. Cada célula hereda los mismos bloques de construcción de proteína y ADN que componen la célula de la que proviene. Sin embargo, la forma exacta en que estos bloques de construcción moleculares se organizan en nuevas células sigue siendo un misterio.

El estudio de la división celular requiere la visualización simultánea de macromoléculas a escala nanométrica, como proteínas y ADN, a poblaciones de células a escala milimétrica, y durante un período de tiempo que va desde segundos hasta semanas. Microscopios pasados Capaz de capturar solo objetos pequeños en un período de tiempo corto, generalmente solo decenas de segundos. Todavía no hay forma de que pueda analizar una amplia gama de escalas y escalas de tiempo simultáneamente.

Mi equipo y yo en la Universidad de Michigan Grupo de Bioplasmónica desarrollado una nuevo tipo de imágenes de superresolución que revelan características previamente desconocidas de cómo se dividen las células.

Avances en imágenes de superresolución

No era posible observar las células a nivel molecular hasta hace poco usando Premio Nobel 2014 generación de superresolución.

Microscopio de luz tradicional difuminar objetos muy pequeños juntos en una muestra, porque la luz se propaga a medida que se mueve a través del espacio. Con superresolución, las sondas fluorescentes conectadas a la muestra se pueden encender y apagar como estrellas titilantes en una noche despejada. Al recopilar y combinar múltiples imágenes de estas sondas, una imagen de superresolución puede mostrar objetos muy pequeños. La superresolución ha abierto un mundo completamente nuevo en biología, revelando estructuras tan pequeñas como 10 nanómetros, que es aproximadamente el tamaño de una molécula de proteína.

Sin embargo, las sondas fluorescentes que dependen de esta técnica pueden agotarse rápidamente. Esto limita su uso en el estudio de procesos que ocurren durante largos períodos de tiempo, como la división celular.

Mi equipo de investigación y yo hemos desarrollado una solución que llamamos Nanoscopia PINE. En lugar de absorber la luz como lo hacen las sondas fluorescentes tradicionales, las sondas que usamos dispersan la luz para que no se rompan con la exposición repetida a la luz.

Para resolver objetos muy pequeños juntos, creamos filtros hechos de capas delgadas de polímeros y cristales líquidos que permiten la detección de luz dispersa, lo que hace que las sondas se enciendan y apaguen. Esto nos permitió ver detalles a escala nanométrica de las células que, de otro modo, quedarían oscurecidos por los microscopios tradicionales.

Sorprendentemente, descubrimos que estos detalles a escala nanométrica se pueden ver durante mucho tiempo, más de 250 horas. Estos detalles generalmente se pierden con el tiempo utilizando los métodos tradicionales de superresolución.

Arrojando nueva luz sobre la división celular

Luego aplicamos nuestro método para estudiar cómo se organizan los componentes básicos moleculares en la división celular.

Nos enfocamos en un proteína llamada actina que ayuda a mantener la estructura celular, entre muchas otras funciones. La actina tiene forma de filamentos ramificados, cada uno de unos 7 nanómetros (millonésimas de milímetro) de diámetro, que conectan miles de nanómetros. Usando nanoscopía PINE, adjuntamos sondas difusas a la actina para rastrear visualmente las células humanas a medida que se dividen.

Hicimos tres observaciones sobre cómo se organizan los bloques de actina durante la división celular. Primero, estos bloques de construcción moleculares se expanden para aumentar sus conexiones con sus vecinos. En segundo lugar, también se acercan a sus vecinos para aumentar sus puntos de contacto. Y tercero, las redes resultantes tienden a contraerse cuando las moléculas de actina están más conectadas entre sí y se expanden cuando están menos conectadas entre sí.

Con base en estos hallazgos, pudimos descubrir nueva información sobre el proceso de división celular. Descubrimos que las interacciones entre los bloques de construcción de actina sincronizan la contracción y expansión de toda la célula durante la división. En otras palabras, el comportamiento de las moléculas de actina está relacionado con el comportamiento de la célula: la célula se contrae cuando la actina se expande y se expande cuando la actina se contrae.

Revelando enfermedades con superresolución

Planeamos usar nuestro método para estudiar cómo se organizan otros bloques de construcción moleculares en tejidos y órganos. Como las células, los tejidos y los órganos son ordenados en una jerarquía que se pueden evaluar de pequeña a gran escala. Examinar el proceso dinámico y complejo de cómo los bloques de construcción de proteínas interactúan entre sí para formar estructuras más grandes podría avanzar en la creación futura de nuevos tejidos y órganos de reemplazo, como los injertos de piel.

También planeamos usar nuestra técnica de imágenes para estudiar cómo los bloques de proteínas se desorganizan en la enfermedad. Las proteínas organizan las células, las células organizan los tejidos y los tejidos organizan los órganos. Un cambio muy pequeño en los componentes básicos puede interrumpir esta organización, con efectos que pueden derivar en enfermedades como el cáncer. Nuestro método puede ayudar a los investigadores a ver y, a su vez, comprender mejor cómo los defectos moleculares en los tejidos y órganos pueden causar enfermedades.

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