MADRID 30 Nov. (EUROPA PRESS) -
Un nuevo método permite a los científicos etiquetar y obtener imágenes de muchas moléculas diferentes a la vez dentro de una célula viva. La técnica, desarrollada en por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, se basa en "fluoróforos conmutables", proteínas fluorescentes que se encienden y apagan a un ritmo específico, según publican en la revista 'Cell'.
Las células vivas son bombardeadas con muchos tipos de señales moleculares entrantes que influyen en su comportamiento. Ser capaces de medir esas señales y la forma en que las células responden a ellas a través de redes de señalización molecular descendentes podría ayudar a los científicos a aprender mucho más sobre el funcionamiento de las células, incluido lo que ocurre cuando envejecen o enferman.
En la actualidad, este tipo de estudio exhaustivo no es posible porque las técnicas actuales para obtener imágenes de las células se limitan a un puñado de tipos de moléculas diferentes dentro de una célula a la vez. Sin embargo, los investigadores del MIT han desarrollado un método alternativo que permite observar hasta siete moléculas distintas a la vez, y potencialmente incluso más.
"Hay muchos ejemplos en biología en los que un suceso desencadena una larga cascada de acontecimientos que, a su vez, provocan una función celular específica --explica Edward Boyden, catedrático de Neurotecnología--. ¿Cómo ocurre eso? Podría decirse que es uno de los problemas fundamentales de la biología, y por eso nos preguntamos: ¿se puede simplemente observar cómo ocurre?".
El nuevo método utiliza moléculas fluorescentes verdes o rojas que se encienden y apagan a diferentes velocidades. Tomando imágenes de una célula a lo largo de varios segundos, minutos u horas, y extrayendo después cada una de las señales fluorescentes mediante un algoritmo computacional, puede seguirse la cantidad de cada proteína diana a medida que cambia con el tiempo.
Etiquetar moléculas del interior de las células con proteínas fluorescentes ha permitido a los investigadores aprender mucho sobre las funciones de muchas moléculas celulares. Este tipo de estudio se realiza a menudo con la proteína verde fluorescente (GFP), que se utilizó por primera vez para la obtención de imágenes en la década de 1990. Desde entonces, se han desarrollado varias proteínas fluorescentes que brillan en otros colores para uso experimental.
Sin embargo, un microscopio de luz típico sólo puede distinguir dos o tres de estos colores, lo que permite a los investigadores vislumbrar apenas la actividad general que se desarrolla en el interior de una célula.
Si pudieran rastrear un mayor número de moléculas marcadas, los investigadores podrían medir la respuesta de una célula cerebral a distintos neurotransmisores durante el aprendizaje, por ejemplo, o investigar las señales que impulsan a una célula cancerosa a hacer metástasis.
"Lo ideal sería poder observar las señales de una célula mientras fluctúan en tiempo real y entender cómo se relacionan entre sí. Eso te diría cómo computa la célula --afirma Boyden--. El problema es que no se pueden observar muchas cosas al mismo tiempo".
En 2020, el laboratorio de Boyden desarrolló una forma de obtener imágenes simultáneas de hasta cinco moléculas diferentes dentro de una célula, dirigiendo reporteros luminosos a lugares distintos dentro de la célula. Este método, conocido como "multiplexación espacial", permite a los investigadores distinguir las señales de distintas moléculas aunque todas presenten el mismo color de fluorescencia.
En el nuevo estudio, los investigadores adoptaron un enfoque diferente: En lugar de distinguir las señales en función de su ubicación física, crearon señales fluorescentes que varían con el tiempo. La técnica se basa en "fluoróforos conmutables", proteínas fluorescentes que se encienden y apagan a un ritmo específico.
Para este estudio, Boyden y los miembros de su grupo identificaron cuatro fluoróforos verdes conmutables y diseñaron dos más, todos los cuales se encienden y apagan a ritmos diferentes. También identificaron dos proteínas fluorescentes rojas que se activan a ritmos diferentes y diseñaron un fluoróforo rojo adicional.
Cada uno de estos fluoróforos conmutables puede utilizarse para etiquetar un tipo diferente de molécula dentro de una célula viva, como una enzima, una proteína de señalización o una parte del citoesqueleto celular.
Tras obtener imágenes de la célula durante varios minutos, horas o incluso días, los investigadores utilizan un algoritmo computacional para captar la señal específica de cada fluoróforo, de forma análoga a como el oído humano puede captar distintas frecuencias de sonido.
"En una orquesta sinfónica hay instrumentos agudos, como la flauta, e instrumentos graves, como la tuba. Y en medio hay instrumentos como la trompeta. Todos tienen sonidos distintos, y nuestro oído los clasifica", ejemplifica Boyden.
La técnica matemática que utilizaron los investigadores para analizar las señales de los fluoróforos se conoce como desmezcla lineal. Este método permite extraer diferentes señales de fluoróforos, de forma similar a como el oído humano utiliza un modelo matemático conocido como transformada de Fourier para extraer diferentes tonos de una pieza musical.
Una vez completado este análisis, los investigadores pueden ver cuándo y dónde se encontró cada una de las moléculas marcadas con fluorescencia en la célula durante todo el periodo de obtención de imágenes. La obtención de imágenes puede realizarse con un simple microscopio óptico, sin necesidad de equipos especializados.
En este estudio, los investigadores demostraron su método marcando seis moléculas diferentes implicadas en el ciclo de división celular en células de mamífero. Esto les permitió identificar patrones en la forma en que los niveles de unas enzimas denominadas quinasas dependientes de ciclinas cambian a medida que una célula avanza en el ciclo celular.
También demostraron que podían etiquetar otros tipos de quinasas, que intervienen en casi todos los aspectos de la señalización celular, así como estructuras celulares y orgánulos como el citoesqueleto y las mitocondrias. Además de sus experimentos con células de mamífero cultivadas en una placa de laboratorio, los investigadores demostraron que esta técnica podía funcionar en el cerebro de larvas de pez cebra.
Según los investigadores, este método podría ser útil para observar cómo responden las células a cualquier tipo de estímulo, como nutrientes, factores del sistema inmunitario, hormonas o neurotransmisores.
También podría utilizarse para estudiar cómo responden las células a cambios en la expresión de los genes o a mutaciones genéticas. Todos estos factores desempeñan papeles importantes en fenómenos biológicos como el crecimiento, el envejecimiento, el cáncer, la neurodegeneración y la formación de la memoria.
"Se podría considerar que todos estos fenómenos representan una clase general de problema biológico, en el que algún acontecimiento a corto plazo -como ingerir un nutriente, aprender algo o contraer una infección- genera un cambio a largo plazo", concluye Boyden.
