La luz láser azul giratoria revela una dinámica inimaginable en las células vivas
Mediante un novedoso microscopio de escaneo láser, los científicos observan los procesos de las células que cambian en milisegundos
Cuando las ciudades se transforman en un colorido mundo de luces al caer la oscuridad, a menudo sólo es posible estimar sus contornos, que según la perspectiva pueden llamar la atención sobre detalles clave o triviales. En la microscopía de fluorescencia, las células biológicas se marcan con tintes fluorescentes y se excitan para que se iluminen en zonas específicas mediante interruptores ópticos, como una ciudad de noche. Sin embargo, esta luz suele ser demasiado tenue para los objetos pequeños y rápidos, o incluso se apaga al cabo de un rato. Esto se conoce como "blanqueo por fluorescencia". Ahora, un nuevo enfoque desarrollado por el Prof. Dr. Alexander Rohrbach y su equipo del Laboratorio de Bio y Nanofotónica de la Universidad de Friburgo ha encontrado una forma de hacer que los objetos más pequeños sean claramente visibles sin fluorescencia. De este modo, las estructuras celulares o las partículas del tamaño de un virus pueden observarse entre 100 y 1.000 veces más, entre 10 y 100 veces más rápido y con una resolución casi doble que con la microscopía de fluorescencia. Mientras que la microscopía de fluorescencia registra lo que podría llamarse "imágenes nocturnas" de las estructuras, la microscopía ROCS toma "imágenes diurnas": elementos opuestos que pueden complementarse excelentemente. Rohrbach y sus colegas describen varias aplicaciones de esta tecnología en el último número de Nature Communications.
Los rayos láser azules giran alrededor del objeto 100 veces por segundo (esquema de la izquierda). Las ondas de luz dispersadas en las estructuras celulares (célula) generan así 100 imágenes superresueltas por segundo. En una rotación de 10 ms (0-360°), las ondas de luz continuamente deformadas producen la imagen nítida de una célula puramente a partir de la luz láser dispersada, como se muestra en la foto de abajo.
AG Rohrbach
El láser azul dirigido ilumina el objeto en ángulo oblicuo
La tecnología que emplean se conoce como "dispersión coherente giratoria" (ROCS) y utiliza un rayo láser azul que gira rápidamente. "Aprovechamos varios fenómenos físicos que nos resultan familiares en la vida cotidiana", explica Rohrbach. "En primer lugar, los objetos pequeños, como las moléculas, los virus o las estructuras celulares, son los que más dispersan -o distribuyen- la luz azul, conocida por las moléculas del aire en la atmósfera y que percibimos como cielo azul". Los objetos pequeños dispersan y dirigen a la cámara aproximadamente diez veces más partículas de luz azul que de luz roja y, por tanto, transmiten información valiosa.
En segundo lugar, ROCS dirige un láser azul en un ángulo muy oblicuo sobre los objetos biológicos, ya que esto aumenta notablemente el contraste y la resolución. Esto ya nos resulta familiar: si se sostiene una copa de vino en ángulo con respecto a la luz, es mucho más fácil detectar la suciedad o las huellas dactilares. En tercer lugar, los científicos iluminan el objeto sucesivamente desde cada dirección con el rayo láser oblicuo, porque la iluminación desde una sola dirección produciría muchos artefactos.
100 imágenes por segundo de células vivas
El físico de Friburgo y los ingenieros del Departamento de Ingeniería de Microsistemas (IMTEK) hacen girar el rayo láser oblicuo cien veces por segundo alrededor del objeto y producen así 100 imágenes por segundo. "Así que en diez minutos ya tenemos 60.000 imágenes de células vivas, que resultan ser mucho más dinámicas de lo que se pensaba", dice Rohrbach. Sin embargo, los análisis dinámicos de este tipo exigen una enorme potencia de cálculo para procesar sólo un minuto de material visual. Por ello, primero hubo que desarrollar una serie de algoritmos informáticos y procesos analíticos para poder interpretar adecuadamente los datos.
Junto con su colega, el Dr. Felix Jünger, y en colaboración con varios grupos de investigación de Friburgo, Rohrbach pudo demostrar la capacidad del microscopio utilizando varios sistemas celulares: "Nuestro objetivo principal no era generar imágenes bonitas o películas de la inesperada alta dinámica de las células: queríamos obtener nuevos conocimientos biológicos". Por ejemplo, la tecnología ROCS les permitió observar cómo los mastocitos abren pequeños poros en apenas unos milisegundos cuando son estimulados, para expulsar gránulos esféricos a una fuerza y velocidad inexplicablemente altas. Los gránulos contienen el transmisor histamina, que posteriormente puede provocar reacciones alérgicas.
Observación del comportamiento de unión de las partículas del tamaño de un virus
En otra serie de experimentos, los investigadores pudieron observar cómo diminutas partículas del tamaño de un virus bailan a una velocidad increíble alrededor de la superficie rugosa de las células carroñeras, tardando varios intentos en encontrar un punto de unión en la célula. Estas observaciones sirvieron como pruebas previas para los estudios que se están realizando actualmente sobre el comportamiento de unión de los coronavirus.
Además, la tecnología ROCS se ha utilizado en el marco del grupo de investigación en colaboración CRC 1425 sobre la formación de cicatrices en las lesiones cardíacas. Los fibroblastos, es decir, las células del tejido cicatricial, forman tubos de 100 nanómetros de grosor, los llamados nanotubos, que son 1.000 veces más finos que un cabello. Gracias a esta nueva tecnología, Jünger y Rohrbach pudieron descubrir que estos tubos vibran térmicamente en una escala de milisegundos, pero este movimiento disminuye con el tiempo. Según los análisis matemáticos de la actividad, esto indica una rigidez mecánica de los nanotubos.
En otros experimentos, los científicos pudieron finalmente observar a lo largo de muchos miles de imágenes cómo los filopodios -los "dedos" de las células carroñeras- buscan presas en su entorno mediante un complejo movimiento de vacilación y cómo los filopodios pueden alterar su citoesqueleto a velocidades hasta ahora desconocidas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Jünger, F., Ruh, D., Strobel, D., Michiels, R., Huber, D., Brandel, A., Madl, J., Gavrilov, A., Mihlan, M., Daller, C. C., Rog-Zielinska, E.A., Römer, W., Lämmermann, T.,Rohrbach, A. (2022): 100 Hz ROCS microscopy correlated with fluorescence reveals cellular dynamics on different spatiotemporal scales. In: Nature Communications 13(1): 1758.
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