Estudiar el movimiento de células diminutas no es tarea fácil. Para la cromatina, el grupo de ADN, ARN y macromoléculas de proteínas agrupadas dentro de nuestro genoma, el movimiento es una parte integral de su papel activo como regulador de cómo se expresan nuestros genes oreprimido.
"Comprender el movimiento macromolecular es crítico, pero los científicos saben muy poco al respecto", dijo Vadim Backman, profesor de Ingeniería Biomédica Walter Dill Scott en la Universidad Northwestern. "Parte de la razón es porque carecemos de técnicas instrumentales para observar esos procesos".
Ahora, un equipo de investigación en la Escuela de Ingeniería McCormick dirigido por Backman ha desarrollado una nueva técnica óptica para estudiar el movimiento de las células sin usar etiquetas o colorantes para rastrearlas. El método innovador también ha revelado un fenómeno no descubierto que puede jugar un papelpapel en las primeras etapas de la muerte celular.
Las ideas del equipo se publicaron el 10 de abril en la revista Comunicaciones de la naturaleza . El artículo se titula "Las imágenes multimodales basadas en interferencias de la estructura a nanoescala y el movimiento macromolecular descubren el paroxismo celular inducido por los rayos UV".
Si bien los científicos actualmente pueden rastrear el movimiento de las células usando colorantes o etiquetas moleculares, la práctica tiene limitaciones. Los colorantes son tóxicos y alteran el comportamiento de las células antes de, eventualmente, matarlas. Las etiquetas se adhieren a las células, pueden ser tóxicas o resultaren foto-blanqueo, y puede alertar el movimiento de las mismas moléculas que etiquetan.
La nueva técnica, llamada dual-PWS, no tiene etiquetas y puede generar imágenes y medir el movimiento macromolecular sin usar tintes. Partiendo de una técnica de imagen cuantitativa previamente creada por Backman llamada Espectroscopia de onda parcial PWS, la plataforma utiliza la interferenciay los cambios en el patrón de la luz dispersada hacia atrás para controlar tanto la estructura macromolecular de las células junto con su movimiento dinámico.
"Los procesos críticos como la transcripción de un gen o la reparación de proteínas dañadas requieren el movimiento de muchas moléculas simultáneamente dentro de un entorno complejo y altamente empaquetado", dijo Scott Gladstein, estudiante de doctorado en el laboratorio de Backman y primer autor del estudio ".Como una plataforma de imágenes con la capacidad de medir tanto la estructura intracelular como la dinámica macromolecular en células vivas con una sensibilidad a estructuras tan pequeñas como 20 nm con resolución temporal de milisegundos, el PWS dual es especialmente adecuado para permitirnos estudiar estos procesos ".
Los investigadores aplicaron PWS dual al estudiar los cambios estructurales y dinámicos a nanoescala de la cromatina en células eucariotas in vitro. Utilizando la luz ultravioleta para inducir la muerte celular, el equipo midió cómo se modificó el movimiento de la cromatina de las células.
"Tiene sentido que a medida que las células están a punto de morir, su dinámica disminuya", dijo Backman. "El movimiento facilitador que existe en las células vivas para ayudar a expresar genes y cambiar su expresión en respuesta a estímulos desaparece. Esperábamos eso".
Lo que los investigadores no esperaban era presenciar un fenómeno biológico por primera vez. Una célula alcanza un "punto de no retorno" durante la descomposición, donde incluso si se detiene la fuente del daño celular, la célula no podríapara repararse a sí mismo a un estado funcional, dijo Backman. Usando PWS dual, los investigadores observaron que justo antes de este punto de inflexión, los genomas de las células estallan con un movimiento rápido e instantáneo, con diferentes partes de la célula moviéndose aparentemente al azar.
"Cada célula que probamos que estaba destinada a morir experimentó esta sacudida paroxística. Ninguno de ellos pudo regresar a un estado viable después de que tuvo lugar", dijo Backman, quien dirige el nuevo Centro de Genómica e Ingeniería Física de Northwestern.
El equipo no tiene claro por qué o cómo ocurre el fenómeno, llamado paroxismo celular. Backman originalmente se preguntó si el movimiento podría deberse a que los iones ingresan a la célula, pero ese proceso habría tomado demasiado tiempo. Los movimientos descoordinados de las estructuras celularesocurrió durante milisegundos.
"Simplemente no hay nada en la biología que se mueva tan rápido", dijo Backman. Agregó que los miembros de su laboratorio estaban tan sorprendidos por los resultados, bromearon que el fenómeno podría explicarse como "Midichlorianos" saliendo de la célula, una referencia ala encarnación química de "la Fuerza" en las películas de Star Wars.
Mientras que los paroxismos celulares siguen siendo un misterio por ahora, Backman cree que los hallazgos del equipo resaltan la importancia de estudiar el comportamiento macromolecular de las células vivas. Mientras más información puedan obtener los investigadores sobre la cromatina, más probabilidades tendrán algún día de regular la expresión génica, lo que podría cambiar la forma en que las personas son tratadas por enfermedades como el cáncer y el Alzheimer.
"Cada proceso biológico que puedas imaginar implica algún tipo de reordenamiento macromolecular", dijo Backman. "A medida que ampliamos nuestra investigación, no puedo evitar preguntarme: '¿Qué encontraremos a continuación?'"
Guillermo Ameer de Northwestern Engineering, Daniel Williams Hale, Profesor de Ingeniería Biomédica, e Igal Szleifer, Christina Enroth-Cugell, Profesor de Ingeniería Biomédica, también contribuyeron a la investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Alex Gerage. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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