La microscopía inteligente ayuda a esclarecer la organización celular
Las células eucariotas albergan en su interior orgánulos(se abrirá en una nueva ventana), estructuras especializadas en funciones específicas como producir energía (mitocondrias) o almacenar el material genético (núcleo). Las células están tan densamente pobladas que las moléculas en su interior, como proteínas y ácidos nucleicos, se chocan entre sí con frecuencia. Este hecho fue la inspiración para poner en marcha el proyecto Piko, financiado por el Consejo Europeo de Investigación(se abrirá en una nueva ventana). Suliana Manley(se abrirá en una nueva ventana), coordinadora del proyecto, explica: «Queríamos entender cómo la aglomeración macromolecular podría afectar a los procesos dinámicos, de manera similar a cómo el exceso de tráfico provoca atascos y ralentiza todo». El proyecto Piko se centró en las similitudes entre mitocondrias y bacterias: las mitocondrias evolucionaron a partir de bacterias y ambas contienen su propio ADN. El equipo investigó cómo la aglomeración macromolecular influye en la organización del ADN durante su replicación (copia) y segregación (separación) en bacterias y mitocondrias. «Aunque las bacterias son más sencillas que las células humanas, sobreviven mejor a condiciones adversas, generalmente adoptando un estado de quiescencia para resistir períodos de escasez», comenta Manley. «El comportamiento complejo del citoplasma bacteriano es crucial para su supervivencia, pero se sabe muy poco sobre cómo influye en procesos como la organización del ADN».
La microscopía inteligente permite hacer descubrimientos biológicos de forma menos agresiva
El equipo de proyecto tuvo que hacer frente a varias dificultades para visualizar y dilucidar la organización y la dinámica interna de bacterias y mitocondrias en las células vivas. En primer lugar, los procesos implican un número reducido de moléculas, lo que dificulta la detección de sus señales características. En segundo lugar, los procesos son transitorios, es decir, tienen lugar durante un breve período del ciclo celular. Y, por último, las estructuras de interés suelen ser demasiado pequeñas para visualizarlas con la microscopía óptica convencional. «Las células y las mitocondrias son sensibles a la luz, y además necesitábamos evitar alterar su funcionamiento mientras las observábamos», añade Manley. Para ello, en el proyecto se adaptaron diferentes técnicas de microscopía que requieren menos luz, avanzando en tres ámbitos: microscopía inteligente, fotometría de masas con superresolución y cartografía multiparamétrica de objetos mediante nanoscopía óptica. Mientras que las dos últimas tecnologías están aún en fase de prueba de concepto, el equipo de Piko logró avances notables en la microscopía inteligente, un método menos agresivo para hacer descubrimientos biológicos. El equipo también entrenó una red neuronal para reconocer determinadas formas mitocondriales que activaban el microscopio. «Supervisamos la dinámica celular usando una luz blanca suave, activando la fluorescencia solo cuando la red neuronal detecta una constricción mitocondrial. O bien empleamos microscopía de superresolución de luz intensa para observar la actividad durante intervalos de tiempo largos, capturando imágenes de corta duración cuando comienza la constricción», puntualiza Manley. Las simulaciones permitieron identificar patrones al comparar la organización del citoplasma bacteriano o la matriz mitocondrial con modelos aleatorios. En las bacterias se descubrió que la organización del ADN afecta a la dinámica del replisoma(se abrirá en una nueva ventana): el conjunto de proteínas responsable de la replicación del ADN. En las mitocondrias se identificaron patrones geométricos y moleculares en la división que determinan destinos distintos para los orgánulos. Por ejemplo, una división en el centro favorece la proliferación, mientras que una división en el extremo conduce a la degradación. El equipo descubrió también que las mitocondrias organizan su ADN transformando su forma habitual, tubular, en una especie de collar de perlas.
Beneficios más amplios para la investigación médica
Dado que los investigadores recurren cada vez más a la microscopía inteligente en distintos ámbitos, como el estudio de infecciones, los logros del equipo de Piko podrían marcar un antes y un después. Y dado que las mitocondrias desempeñan muchas funciones importantes tanto en la salud como en enfermedad, los investigadores ya están utilizando los hallazgos del proyecto para obtener un mejor conocimiento de diferentes afecciones como, por ejemplo, los trastornos neurodegenerativos y el cáncer. Mientras tanto: «Aún no sabemos cómo se originan algunos de los patrones que observamos ni cómo interactúan entre sí, y me encantaría poder esclarecer estos misterios», concluye Manley. «También queremos comprender mejor cómo se coordinan las mitocondrias con otros orgánulos, o entre ellas mismas, dentro de la célula para determinar qué funciones desempeñar y en qué momento».
