En 2014, WE Moerner, profesor de química Harry S. Mosher en la Universidad de Stanford, ganó el Premio Nobel de química por desarrollar conjuntamente una forma de obtener imágenes de formas dentro de las células a muy alta resolución, llamada microscopía de superresolución. Ahora,él y su laboratorio han creado un nuevo microscopio que produce imágenes a nanoescala 3-D de células de mamíferos en su totalidad.
"Una célula tiene toda una ciudad de proteínas, enzimas y estructuras trabajando todo el tiempo", dijo Moerner. "Tenemos una idea de lo que hay en una célula; muchos de nosotros estamos familiarizados con los dibujos de las mitocondrias o del retículo endoplásmico- pero es una idea promedio. Cuando miramos las celdas individuales, reconocemos que no todas son exactamente como las imágenes que tenemos en los libros de texto ".
El laboratorio de Moerner combina química, física, óptica e ingeniería para crear mejores formas de observar el interior de las células para ver el funcionamiento de moléculas individuales. En colaboración con muchos otros laboratorios, el grupo se centra en temas biológicos, como la medición de las estructuras de las fibras proteicasrelacionado con la enfermedad de Huntington, observando la organización de hebras individuales de ADN en el núcleo y documentando cambios estructurales en las células durante los tratamientos médicos.
Panqueques y magia
El nuevo microscopio, que los investigadores llaman TILT3D y que fue descrito recientemente en un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , combina dos nuevas técnicas de imagenología con microscopía de superresolución para capturar imágenes tridimensionales muy claras de estructuras y moléculas individuales dentro de una célula.
Una de las dos nuevas técnicas, conocida como iluminación de hoja de luz inclinada, aborda los problemas de enfoque y funcionalidad que ocurren con las técnicas de iluminación existentes. En la mayoría de los microscopios ópticos, la muestra de células se ilumina desde abajo.
"Este es un problema si desea investigar los detalles de una celda porque genera imágenes visualmente borrosas en las que solo algunas partes están enfocadas, como una foto tomada a larga distancia", dijo Anna-Karin Gustavsson,becario postdoctoral en el laboratorio Moerner y autor principal del artículo.
La iluminación de la hoja de luz estándar soluciona este problema al iluminar solo una porción de luz desde el lateral para obtener una iluminación similar a un panqueque de la muestra. Incluso con esta ventaja, si intenta que una hoja de luz brille en el mismoparte inferior de una celda, rebota en la esquina de la cámara que contiene la muestra, lo que distorsiona la imagen. Al inclinar la hoja de luz, el laboratorio de Moerner evita golpear la esquina.
Además de despejar el desorden visual inclinando la hoja de luz, el nuevo microscopio incluye un método óptico para obtener imágenes en 3-D. Para lograr esto, los investigadores etiquetan moléculas en la muestra de células con productos químicos que emiten fluorescencia cuando se encienden y utilizan productos químicosaditivos para hacerlos parpadear brillantemente. Luego, a través de lo que Moerner llama "magia óptica", el grupo ajusta el microscopio para convertir cada parpadeo fluorescente en dos puntos de luz en diferentes ángulos. Con estos dos puntos, los investigadores pueden obtener la posición de cadamolécula en tres dimensiones, que da forma a la imagen tridimensional final.
Apilando sus imágenes tridimensionales en pancartas una encima de la otra, los investigadores pueden crear una reconstrucción de arriba a abajo de una célula. Las imágenes con láminas de luz inclinadas también permiten rastrear el movimiento tridimensional de las moléculas a lo largo del tiempo conuna precisión de decenas de nanómetros, que podría capturar moléculas que se unen, se mueven por motores o viajan aleatoriamente a través de estructuras de la célula.
Combinando la imagen clara de TILT3D y las capacidades 3-D con las técnicas de superresolución existentes, el microscopio puede crear imágenes precisas en superresolución, tan pequeñas como decenas de nanómetros o unas 4.000 veces más pequeñas que el grosor de un cabello humano.generar nuevas oportunidades para producir imágenes tridimensionales detalladas de estructuras celulares de mamíferos, incluso de aquellas que anteriormente eran demasiado densas para obtener imágenes claras.
Listo para compartir
Como parte de su artículo, Moerner y los miembros de su laboratorio probaron con éxito su microscopio en estructuras celulares conocidas. Ya están recorriendo otros laboratorios en el proceso de duplicación de este microscopio. El diseño puede ser una adición modular a los microscopios ópticos existentes. En elfuturo, esperan que su imagen de iluminación de hoja de luz inclinada 3-D se utilice para cualquier número de proyectos.
"TILT3D es más simple que otros microscopios que han sido diseñados para obtener imágenes de estas desafiantes muestras, y se puede usar para obtener imágenes tanto de estructuras estáticas como de moléculas en movimiento", dijo Gustavsson, quien cuenta con el apoyo parcial de una beca postdoctoral de Karolinska.Institutet en Suecia. "Lo diseñamos para que sea versátil, no limitado a una pregunta específica".
Los investigadores continuarán trabajando en TILT3D, particularmente en la combinación de información estática y dinámica de varias proteínas diferentes. Junto con sus muchas otras innovaciones y estudios en imágenes celulares, esperan que esta tecnología pueda permitirles a ellos y a otros aprender más sobre las estructuras yprocesos de las células, una molécula a la vez.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Taylor Kubota. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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