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Observando células de mamíferos con rayos X suaves ultrarrápidos

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Las células se colocaron en medio de cultivo dentro de un soporte sellado al vacío. A la izquierda hay imágenes capturadas con un solo disparo de aproximadamente 30 femtosegundos, y a la derecha, la misma celda capturada poco después mediante una combinación de 15 disparos para un total de 250 milisegundos. La segunda imagen muestra las regiones más oscuras y ricas en carbono con menos ruido, pero los investigadores señalan que está más borrosa, probablemente debido al movimiento celular. Crédito: Óptica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.515726

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Las células se colocaron en medio de cultivo dentro de un soporte sellado al vacío. A la izquierda hay imágenes capturadas con un solo disparo que dura aproximadamente 30 femtosegundos, y a la derecha, la misma celda capturada poco después mediante una combinación de 15 disparos que abarcan un total de 250 milisegundos. La segunda imagen muestra las regiones más oscuras y ricas en carbono con menos ruido, pero los investigadores señalan que está más borrosa, probablemente debido al movimiento celular. Crédito: Óptica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.515726

Los investigadores han desarrollado una nueva técnica para visualizar células vivas de mamíferos. El equipo utilizó un potente láser, llamado láser de electrones libres de rayos X suaves, para emitir pulsos de iluminación ultrarrápidos a una velocidad de femtosegundos, o cuatrillones de segundo.

Con esto, pudieron capturar por primera vez imágenes de estructuras basadas en carbono en células vivas, antes de que la suave radiación de rayos X las dañara. Se crearon espejos Wolter refinados, un tipo de espejo ultrapreciso, para permitir que el microscopio capture imágenes con alta resolución espacial y un amplio campo de visión.

En el futuro, el equipo espera utilizar este microscopio para comprender mejor la naturaleza dinámica de la biología celular. El estudio es Publicado en el diario Óptica.

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Existe una diferencia entre los rayos X blandos y los rayos X duros. Es probable que encuentre rayos X potentes si ha pasado por el control de seguridad del aeropuerto o se ha roto una extremidad. Los rayos X blandos suelen estar restringidos a la investigación, desde el estudio de la biología y la química hasta los minerales y los meteoritos. Los rayos X blandos son capaces de proporcionar información química sobre muestras e imágenes detalladas a nivel subcelular, pero su uso ha sido limitado debido al equipo muy especializado que requieren y, en biología, al daño que causan a las células vivas.

Sin embargo, un equipo de investigadores ha construido un nuevo microscopio de rayos X blandos a través del cual ha sido posible visualizar por primera vez células vivas de mamíferos. Pudieron tomar imágenes de estructuras de carbono dentro de las células, que no se habían visto antes con otros instrumentos. El carbono es uno de los elementos principales de la vida y proporciona una nueva ventana a una parte vital de nosotros mismos.

El microscopio tiene dos componentes principales: un láser de electrones suave y libre de rayos X; y espejos Wolter de alta precisión, un tipo de espejo muy utilizado en telescopios de rayos X para observar el espacio. Los espejos se fabricaron utilizando tecnología creada por el autor principal Satoru Egawa, profesor asistente en el Centro de Investigación de Ciencia y Tecnología Avanzada de la Universidad de Tokio.

En este esquema, el condensador y el objetivo (que aquí parecen dos conos) son espejos Wolter. La luz reflejada por el segundo espejo Wolter forma la imagen de sombra de la celda, mientras que la apertura ayuda a proporcionar una imagen más nítida. Crédito: Óptica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.515726

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En este esquema, el condensador y el objetivo (que aquí parecen dos conos) son espejos Wolter. La luz reflejada por el segundo espejo Wolter forma la imagen de sombra de la celda, mientras que la apertura ayuda a proporcionar una imagen más nítida. Crédito: Óptica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.515726

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«Un suave láser de rayos X de electrones libres proporcionaba una iluminación pulsada a una velocidad de decenas de femtosegundos (un femtosegundo equivale a una millonésima de milmillonésima de segundo). La célula viva ha sido alterada por el daño de la radiación», explicó Egawa.

«Utilizamos espejos Wolter para iluminación e imágenes. Estos espejos proporcionan un amplio campo de visión, pueden resistir la irradiación de potentes láseres y no presentan distorsión del color, lo que los hace ideales para observar muestras en múltiples longitudes de onda».

Aunque anteriormente se habían utilizado láseres suaves de rayos X de electrones libres para estudiar virus y bacterias más pequeños, las células de mamíferos eran demasiado grandes para estudiarlas de esta manera. Sin embargo, al utilizar espejos Wolter, el equipo pudo obtener un campo de visión más amplio y utilizar un soporte de muestra más grueso capaz de contener células más grandes.

Las imágenes resultantes mostraron detalles sobre el contenido de carbono en las células que no se habían visto con otros métodos, como la microscopía electrónica y la microscopía de fluorescencia.

“Nos sorprendió encontrar una vía de carbono entre el nucléolo (una estructura del núcleo celular, implicada en la función y supervivencia celular) y la membrana nuclear (que rodea el núcleo), que no se había observado con microscopios de luz visible, – dijo Egawa.

Se encuentran disponibles láseres de electrones libres de rayos X más suaves y brillantes, lo que permitiría obtener imágenes aún más nítidas con menos «ruido» granulado. Al agregar láseres más brillantes y espejos Wolter más precisos, el equipo espera mejorar el microscopio para que pueda observar más sustancias bioquímicas. Esto también podría ayudar a aclarar algunas de las reacciones e interacciones vitales que ocurren en las células vivas.

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Mas informaciones:
Satoru Egawa et al, Observación de células vivas de mamíferos con iluminación de pulso único de femtosegundo generada por un láser suave de rayos X de electrones libres, Óptica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.515726

Información del diario:
Óptica


Prudencia Febo

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