Imagen de la proteína tubulina utilizando los métodos de microscopía de expansión y superresolución existentes (paneles 1 a 3) y la técnica de microscopía ONE (paneles 4 y 5).Crédito: Ali Shaib et al/bioRxiv(CC-BY-NC-ND 4.0)
Cuando Ali Shaib estaba haciendo su maestría en la Universidad Libanesa de Beirut, pasó varias semanas en una lista de espera y visitó un campus diferente para tomar algunas fotografías en un microscopio costoso, algo que los académicos de los países más ricos daban por sentado.
Ahora Shaib, un experto en nanoescala del Centro Médico Universitario de Göttingen en Alemania, y sus colegas han desarrollado un método para microscopios de luz ordinarios que esperan derribe tales barreras.
Técnica de microscopía revolucionaria ve átomos individuales por primera vez
la técnica1 – que capturó imágenes asombrosas de proteínas individuales y estructuras nunca antes vistas en las células – ofrece un nivel de detalle que eclipsa incluso los microscopios multimillonarios de ‘súper resolución’.
“Debería haber alguna forma de democracia en la microscopía”, dice Silvio Rizzoli, un experto en nanoescala también del Centro Médico Universitario de Göttingen, quien fue pionero en la técnica, denominada microscopía ONE, con Shaib. «Es alta resolución para muchos, no para unos pocos laboratorios ricos».
en la nanoescala
El poder de los microscopios ópticos convencionales está limitado por las leyes de la óptica, lo que significa que los objetos de menos de 200 nanómetros son borrosos. Los investigadores han desarrollado métodos de súper resolución que superan la física que, dice Rizzoli, pueden reducir ese límite a unos 10 nm. El enfoque, que ganó el Premio Nobel de Química en 2014, utiliza trucos ópticos para identificar moléculas fluorescentes unidas a proteínas.
En 2015, los investigadores idearon otra forma de evitar los límites ópticos. Un equipo dirigido por Edward Boyden, neuroingeniero del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge, mostródos esta tela inflada, que usa un compuesto absorbente en los pañales, separa los objetos celulares entre sí. Esta técnica, llamada microscopía de expansión, ha dado lugar a avances en la resolución del microscopio y puede resolver estructuras de hasta unos 20 nm.
La técnica de Shaib y Rizzoli, descrita en un estudio publicado en el servidor de preimpresión bioRxiv el mes pasado: combina ambos enfoques para lograr resoluciones inferiores a 1nm. Esto es lo suficientemente nítido como para revelar la forma de las proteínas individuales, que normalmente se visualizan con mayor detalle utilizando métodos de biología estructural mucho más costosos. como la microscopía crioelectrónica (crio-EM) o la cristalografía de rayos X.
La simplicidad de la microscopía de expansión es parte de su atractivo, dice Boyden, quien estima que más de 1000 laboratorios han adoptado la técnica. Las muestras se tratan con productos químicos que anclan sus proteínas a un polímero que, con la adición de agua, aumenta su tamaño hasta 1.000 veces, separando las moléculas. La microscopía ONE (abreviatura de expansión a nanoescala de un paso) utiliza calor o enzimas para descomponer también las proteínas, de modo que los fragmentos individuales se estiran en diferentes direcciones durante la expansión.
Este microscopio confocal convencional puede lograr resoluciones a nanoescala utilizando la técnica de microscopía ONE.Crédito: Ali Shaib
Los investigadores utilizaron su enfoque para obtener imágenes de una molécula neuronal, GABA.A receptor, que se asemejan a mapas de cristalografía crio-EM y de rayos X de resolución mucho más alta de la proteína. También capturaron los contornos de una proteína voluminosa llamada otoferlina, cuya estructura aún no se ha determinado y que ayuda a transmitir señales de audio en el cerebro. La forma se asemeja a una predicción estructural realizada por la red de aprendizaje profundo AlphaFold.
El método no puede igualar la resolución de crio-EM, que puede revelar detalles de niveles casi atómicos inferiores a 0,2 nm en algunos casos. Pero la crio-EM puede ser complicada y costosa. Por otro lado, la microscopía ONE podría ofrecer una manera rápida y fácil de obtener información estructural de prácticamente cualquier molécula, dice Rizzoli. “Puedes mirar cualquier proteína y obtener una resolución con la que no podrías soñar”.
Mayor accesibilidad
Rizzoli, que es oriundo de Hungría, dice que parte de la motivación para desarrollar la técnica fue ampliar el acceso a la microscopía óptica de vanguardia. El método ONE-microscopy es fácil de aplicar y funciona con microscopios fluorescentes anticuados de la década de 1990.
Salma Tammam, tecnóloga farmacéutica de la Universidad Alemana de El Cairo, planea enviar a un estudiante de doctorado a Göttingen para aprender la técnica este verano. Su laboratorio estudia cómo se mueven las nanopartículas en las células. Les gustaría ver los detalles de las partículas y su carga. Pero al igual que muchos investigadores en países de bajos y medianos ingresos, no tienen acceso a costosos microscopios de súper resolución. “Nos brinda resolución de una manera asequible”, dice ella.
El crio-EM revolucionario se está apoderando de la biología estructural
Extender el alcance de la microscopía de súper resolución también es importante para los científicos de instituciones bien financiadas, dice Noa Lipstein, bióloga de sinapsis del Centro Leibniz de Farmacología Molecular en Berlín. Tiene acceso a una técnica de súper resolución bien establecida llamada microscopía de agotamiento de emisión estimulada. Pero recientemente comenzó un grupo independiente y eligió aplicar UNA microscopía en su investigación sobre los detalles finos de las sinapsis neuronales.
“Me permitió la independencia, porque no tengo que depender de conexiones con peces gordos con maquinaria pesada”, dice Lipstein. “Eso lo puedo hacer en mi propio laboratorio y en mi propio banco”.
Lipstein no ha llevado la técnica al límite, pero ya está vislumbrando una nueva biología. “Es casi seguro que veremos cosas nuevas. Ya los vemos, pero no sabemos qué son”, dice.
