La visualización del interior de las células en resoluciones que antes eran imposibles proporciona una visión vívida de cómo funcionan.

Oct 08, 2023

Profesor de Biología Computacional y de Sistemas, Vicerrector Senior Asociado de Estrategia y Planificación Científicas, Universidad de Pittsburgh

Jeremy Berg no trabaja, consulta, posee acciones ni recibe financiamiento de ninguna empresa u organización que se beneficiaría de este artículo, y no ha revelado afiliaciones relevantes más allá de su cargo académico.

La Universidad de Pittsburgh proporciona financiación como miembro de The Conversation US.

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Toda la vida está formada por células varias magnitudes más pequeñas que un grano de sal. Sus estructuras aparentemente simples enmascaran la intrincada y compleja actividad molecular que les permite llevar a cabo las funciones que sustentan la vida. Los investigadores están empezando a poder visualizar esta actividad a un nivel de detalle que no habían podido antes.

Las estructuras biológicas se pueden visualizar comenzando en el nivel de todo el organismo y trabajando hacia abajo, o comenzando en el nivel de átomos individuales y trabajando hacia arriba. Sin embargo, ha habido una brecha de resolución entre las estructuras más pequeñas de una célula, como el citoesqueleto que sostiene la forma de la célula, y sus estructuras más grandes, como los ribosomas que producen proteínas en las células.

Por analogía con Google Maps, aunque los científicos pudieron ver ciudades enteras y casas individuales, no tenían las herramientas para ver cómo las casas se unían para formar vecindarios. Ver estos detalles a nivel de vecindario es esencial para poder comprender cómo los componentes individuales funcionan juntos en el entorno de una celda.

Las nuevas herramientas están cerrando constantemente esta brecha. Y el desarrollo continuo de una técnica en particular, la tomografía crioelectrónica o crio-ET, tiene el potencial de profundizar en cómo los investigadores estudian y comprenden cómo funcionan las células en la salud y la enfermedad.

Como ex editor en jefe de la revista Science y como investigador que ha estudiado estructuras de proteínas grandes difíciles de visualizar durante décadas, he sido testigo de un progreso asombroso en el desarrollo de herramientas que pueden determinar estructuras biológicas en detalle. Así como se vuelve más fácil entender cómo funcionan los sistemas complicados cuando se sabe cómo se ven, entender cómo las estructuras biológicas encajan entre sí en una célula es clave para comprender cómo funcionan los organismos.

En el siglo XVII, la microscopía óptica reveló por primera vez la existencia de células. En el siglo XX, la microscopía electrónica ofreció aún más detalles, revelando las estructuras elaboradas dentro de las células, incluidos los orgánulos como el retículo endoplásmico, una red compleja de membranas que desempeñan un papel clave en la síntesis y el transporte de proteínas.

Desde la década de 1940 hasta la de 1960, los bioquímicos trabajaron para separar las células en sus componentes moleculares y aprender a determinar las estructuras 3D de las proteínas y otras macromoléculas con una resolución atómica o cercana. Esto se hizo primero usando cristalografía de rayos X para visualizar la estructura de la mioglobina, una proteína que suministra oxígeno a los músculos.

Durante la última década, las técnicas basadas en la resonancia magnética nuclear, que produce imágenes basadas en cómo interactúan los átomos en un campo magnético, y la microscopía crioelectrónica han aumentado rápidamente el número y la complejidad de las estructuras que los científicos pueden visualizar.

La microscopía crioelectrónica, o crio-EM, utiliza una cámara para detectar cómo se desvía un haz de electrones cuando los electrones pasan a través de una muestra para visualizar estructuras a nivel molecular. Las muestras se congelan rápidamente para protegerlas del daño por radiación. Los modelos detallados de la estructura de interés se crean tomando múltiples imágenes de moléculas individuales y promediando en una estructura 3D.

Cryo-ET comparte componentes similares con cryo-EM pero utiliza métodos diferentes. Debido a que la mayoría de las células son demasiado gruesas para obtener imágenes claras, primero se adelgaza una región de interés en una célula mediante el uso de un haz de iones. Luego, la muestra se inclina para tomar varias imágenes en diferentes ángulos, de forma análoga a una tomografía computarizada de una parte del cuerpo, aunque en este caso se inclina el sistema de imágenes en sí, en lugar del paciente. Luego, una computadora combina estas imágenes para producir una imagen 3D de una parte de la célula.

La resolución de esta imagen es lo suficientemente alta como para que los investigadores, o los programas informáticos, puedan identificar los componentes individuales de las diferentes estructuras de una célula. Los investigadores han utilizado este enfoque, por ejemplo, para mostrar cómo las proteínas se mueven y se degradan dentro de una célula de alga.

Muchos de los pasos que los investigadores alguna vez tuvieron que hacer manualmente para determinar las estructuras de las células se están automatizando, lo que permite a los científicos identificar nuevas estructuras a velocidades mucho más altas. Por ejemplo, la combinación de crio-EM con programas de inteligencia artificial como AlphaFold puede facilitar la interpretación de imágenes al predecir estructuras de proteínas que aún no se han caracterizado.

A medida que mejoren los métodos de obtención de imágenes y los flujos de trabajo, los investigadores podrán abordar algunas cuestiones clave de la biología celular con diferentes estrategias.

El primer paso es decidir qué células y qué regiones dentro de esas células estudiar. Otra técnica de visualización llamada microscopía de luz y electrónica correlacionada, o CLEM, utiliza etiquetas fluorescentes para ayudar a localizar regiones donde se están produciendo procesos interesantes en las células vivas.

La comparación de la diferencia genética entre las células puede proporcionar información adicional. Los científicos pueden observar células que no pueden realizar funciones particulares y ver cómo esto se refleja en su estructura. Este enfoque también puede ayudar a los investigadores a estudiar cómo las células interactúan entre sí.

Es probable que Cryo-ET siga siendo una herramienta especializada durante algún tiempo. Pero nuevos desarrollos tecnológicos y una mayor accesibilidad permitirán a la comunidad científica examinar el vínculo entre la estructura y la función celular en niveles de detalle previamente inaccesibles. Anticipo ver nuevas teorías sobre cómo entendemos las células, pasando de bolsas desorganizadas de moléculas a sistemas intrincadamente organizados y dinámicos.