Microscopía de expansión

Nueva técnica para obtener imágenes de muestras biológicas con mayor precisión

Los investigadores creen que esta nueva técnica debería permitirles obtener imágenes de virus e, incluso, biomoléculas individuales.

Imágenes de muestras biológicas (Foto. MIT)
Imágenes de muestras biológicas (Foto. MIT)

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10.07.2021 - 00:10

Usando un microscopio de luz ordinario, los ingenieros del MIT han ideado una técnica para obtener imágenes de muestras biológicas con una precisión en la escala de 10 nanómetros, lo que debería permitirles obtener imágenes de virus y potencialmente incluso biomoléculas individuales, dicen los investigadores.

La nueva técnica se basa en la microscopía de expansión, un enfoque que implica incrustar muestras biológicas en un hidrogel y luego expandirlas antes de obtener imágenes con un microscopio. Para la última versión de la técnica, los investigadores desarrollaron un nuevo tipo de hidrogel que mantiene una configuración más uniforme, lo que permite una mayor precisión en la obtención de imágenes de estructuras diminutas.

Los investigadores desarrollaron un nuevo tipo de hidrogel que permite una mayor precisión en la obtención de imágenes de estructuras diminutas

Este grado de precisión podría abrir la puerta al estudio de las interacciones moleculares básicas que hacen posible la vida, dice Edward Boyden, profesor de Neurotecnología Y. Eva Tan, profesor de ingeniería biológica y ciencias cognitivas y cerebrales en el MIT, y miembro del MIT. Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro e Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer.

“Si pudieras ver moléculas individuales e identificar de qué tipo son, con una precisión nanométrica de un solo dígito, entonces podrías ver la estructura de la vida. Y la estructura, como nos ha dicho un siglo de biología moderna, gobierna la función”, dice Boyden, quien es el autor principal del nuevo estudio.

BAJO COSTO, ALTA RESOLUCIÓN

Muchos laboratorios de todo el mundo han comenzado a utilizar la microscopía de expansión desde que el laboratorio de Boyden la introdujo por primera vez en 2015. Con esta técnica, los investigadores agrandan físicamente sus muestras aproximadamente cuatro veces en dimensión lineal antes de obtener imágenes de ellas, lo que les permite generar imágenes de alta resolución sin equipos costosos. El laboratorio de Boyden también ha desarrollado métodos para etiquetar proteínas, ARN y otras moléculas en una muestra para que se puedan obtener imágenes después de la expansión.

“Cientos de grupos están haciendo microscopía de expansión. Es evidente que existe una demanda reprimida de un método de nanoimagen fácil y económico ”, dice Boyden. “Ahora la pregunta es, ¿qué tan buenos podemos conseguir? ¿Podemos llegar a la precisión de una sola molécula? Porque al final, quieres llegar a una resolución que se reduzca a los pilares fundamentales de la vida ".

Otras técnicas, como la microscopía electrónica y las imágenes de superresolución, ofrecen una alta resolución, pero el equipo necesario es caro y no es de fácil acceso. La microscopía de expansión, sin embargo, permite obtener imágenes de alta resolución con un microscopio óptico ordinario.

La microscopía de expansión permite obtener imágenes de alta resolución con un microscopio óptico ordinario

En un artículo de 2017, el laboratorio de Boyden demostró una resolución de alrededor de 20 nanómetros, utilizando un proceso en el que las muestras se expandieron dos veces antes de la obtención de imágenes. Este enfoque, así como las versiones anteriores de microscopía de expansión, se basa en un polímero absorbente hecho de poliacrilato de sodio, ensamblado mediante un método llamado síntesis de radicales libres. Estos geles se hinchan cuando se exponen al agua; sin embargo, una limitación de estos geles es que no son completamente uniformes en estructura o densidad. Esta irregularidad conduce a pequeñas distorsiones en la forma de la muestra cuando se expande, lo que limita la precisión que se puede lograr.

Para superar esto, los investigadores desarrollaron un nuevo gel llamado tetra-gel, que forma una estructura más predecible. Al combinar moléculas tetraédricas de PEG con poliacrilatos de sodio tetraédricos, los investigadores pudieron crear una estructura enrejada que es mucho más uniforme que los hidrogeles de poliacrilato de sodio sintetizados por radicales libres que usaban anteriormente.

Los investigadores demostraron la precisión de este enfoque usándolo para expandir partículas del virus del herpes simple tipo 1 (HSV-1), que tienen una forma esférica distintiva. Después de expandir las partículas del virus, los investigadores compararon las formas con las formas obtenidas por microscopía electrónica y encontraron que la distorsión era menor que la observada con versiones anteriores de microscopía de expansión, lo que les permitió alcanzar una precisión de aproximadamente 10 nanómetros.

“Podemos observar cómo cambian las disposiciones de estas proteínas a medida que se expanden y evaluar qué tan cerca están de la forma esférica. Así es como lo validamos y determinamos cuán fielmente podemos preservar la nanoestructura de las formas y las disposiciones espaciales relativas de estas moléculas ”, dice Ruixuan Gao.

MOLÉCULAS INDIVIDUALES

Los investigadores también utilizaron su nuevo hidrogel para expandir células, incluidas células renales humanas y células cerebrales de ratón. Ahora están trabajando en formas de mejorar la precisión hasta el punto en que puedan obtener imágenes de moléculas individuales dentro de dichas células. Una limitación de este grado de precisión es el tamaño de los anticuerpos utilizados para marcar moléculas en la célula, que tienen una longitud de entre 10 y 20 nanómetros. Para obtener imágenes de moléculas individuales, los investigadores probablemente necesitarían crear etiquetas más pequeñas o agregar las etiquetas después de que se completara la expansión.

Los científicos podrían vislumbrar cómo las diferentes moléculas interactúan entre sí dando luz sobre las vías de señalización celular

También están explorando si otros tipos de polímeros, o versiones modificadas del polímero tetra-gel, podrían ayudarlos a lograr una mayor precisión.

Si pueden lograr precisión hasta en moléculas individuales, se podrían explorar muchas fronteras nuevas, dice Boyden. Por ejemplo, los científicos podrían vislumbrar cómo las diferentes moléculas interactúan entre sí, lo que podría arrojar luz sobre las vías de señalización celular, la activación de la respuesta inmune, la comunicación sináptica, las interacciones fármaco-objetivo y muchos otros fenómenos biológicos.

“Nos encantaría observar regiones de una célula, como la sinapsis entre dos neuronas, u otras moléculas involucradas en la señalización célula-célula, y descubrir cómo se comunican todas las partes entre sí”, dice. "¿Cómo trabajan juntos y cómo se equivocan en las enfermedades?"

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