Microscopía de grasas: obtención de imágenes de lípidos en células
"Sabíamos que estábamos ante algo grande"
Las moléculas lipídicas, o grasas, son cruciales para todas las formas de vida. Las células necesitan lípidos para construir membranas, separar y organizar reacciones bioquímicas, almacenar energía y transmitir información. Cada célula puede crear miles de lípidos diferentes, y cuando están desequilibrados pueden surgir enfermedades metabólicas y neurodegenerativas. Aún no se comprende bien cómo las células reparten los distintos tipos de lípidos entre los orgánulos celulares para mantener la composición de cada membrana. Una de las principales razones es que los lípidos son difíciles de estudiar, ya que hasta ahora se carecía de técnicas de microscopía que permitieran rastrear con precisión su ubicación en el interior de las células.
En una larga colaboración, André Nadler, biólogo químico del Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética (MPI-CBG) de Dresde (Alemania), se asoció con Alf Honigmann, especialista en bioimagen del Centro de Biotecnología (BIOTEC) de la Universidad Tecnológica TUD de Dresde, para desarrollar un método que permite visualizar los lípidos en las células mediante microscopía de fluorescencia estándar. Tras el éxito de la primera prueba de concepto, el dúo incorporó al experto en espectrometría de masas Andrej Shevchenko (MPI-CBG), a Björn Drobot, del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), y al grupo de Martin Hof, del Instituto de Química Física J. Heyrovsky de Praga, para estudiar cómo se transportan los lípidos entre los orgánulos celulares.
Lípidos artificiales bajo el sol
"Empezamos nuestro proyecto sintetizando un conjunto de lípidos mínimamente modificados que representan los principales lípidos presentes en las membranas de los orgánulos. Estos lípidos modificados son esencialmente iguales a sus homólogos nativos, con sólo unos pocos átomos diferentes que nos permitieron rastrearlos al microscopio", explica Kristin Böhlig, estudiante de doctorado del grupo de Nadler y química encargada de crear los lípidos modificados.
Los lípidos modificados imitan a los lípidos naturales y son "bifuncionales", lo que significa que pueden ser activados por la luz ultravioleta, haciendo que el lípido se una o se entrecruce con proteínas cercanas. Los lípidos modificados se cargaron en la membrana de células vivas y, con el tiempo, se transportaron a las membranas de orgánulos. Los investigadores trabajaron con células humanas en cultivo celular, como células óseas o intestinales, ya que son ideales para la obtención de imágenes.
"Tras el tratamiento con luz UV, pudimos monitorizar los lípidos con microscopía de fluorescencia y captar su localización a lo largo del tiempo. Así obtuvimos una imagen completa del intercambio de lípidos entre la membrana celular y las membranas de los orgánulos", concluye Kristin.
Para comprender los datos de microscopía, el equipo necesitó una línea de análisis de imágenes personalizada. "Para responder a nuestras necesidades específicas, desarrollé una línea de análisis de imágenes con segmentación automática asistida por inteligencia artificial para cuantificar el flujo de lípidos a través del sistema de orgánulos celulares", explica Juan Iglesias-Artola, que realizó el análisis de imágenes.
Transporte rápido de lípidos por proteínas
Combinando el análisis de imágenes con la modelización matemática, realizada por Björn Drobot en el HZDR, el equipo de investigación descubrió que entre el 85% y el 95% del transporte de lípidos entre las membranas de los orgánulos celulares está organizado por proteínas portadoras que mueven los lípidos, en lugar de por vesículas. Este transporte no vesicular es mucho más específico en lo que respecta a las especies lipídicas individuales y su clasificación en los distintos orgánulos de la célula. Los investigadores también descubrieron que el transporte de lípidos por proteínas es diez veces más rápido que por vesículas. Estos resultados implican que la composición lipídica de las membranas de los orgánulos se mantiene principalmente mediante un transporte rápido de lípidos, no vesicular y específico para cada especie.
En un conjunto de experimentos paralelos, el grupo de Andrej Shevchenko en el MPI-CBG utilizó espectrometría de masas de ultra alta resolución para ver cómo los diferentes lípidos cambian su estructura durante el transporte desde la membrana celular a la membrana del orgánulo.
Un impulso para los lípidos en biología celular y enfermedades
Este nuevo método proporciona por primera vez un mapa cuantitativo de cómo los lípidos se desplazan por la célula hasta los distintos orgánulos. Los resultados sugieren que el transporte no vesicular de lípidos desempeña un papel clave en el mantenimiento de la composición de la membrana de cada orgánulo.
Alf Honigmann, jefe del grupo de investigación del BIOTEC, afirma: "Nuestra técnica de obtención de imágenes de lípidos permite el análisis mecanístico del transporte y la función de los lípidos directamente en las células, lo que hasta ahora era imposible. Creemos que nuestro trabajo abre la puerta a una nueva era de estudio del papel de los lípidos dentro de la célula".
La obtención de imágenes de los lípidos permitirá nuevos descubrimientos y ayudará a desvelar los mecanismos subyacentes en las enfermedades causadas por desequilibrios lipídicos. La nueva técnica podría ayudar a desarrollar nuevas dianas farmacológicas y enfoques terapéuticos para las enfermedades asociadas a los lípidos, como la enfermedad del hígado graso no alcohólico.
"Sabíamos que estábamos ante algo grande".
André Nadler, jefe del grupo de investigación en MPI-CBG, echa la vista atrás al inicio del estudio. "La obtención de imágenes de lípidos en células siempre ha sido uno de los aspectos más desafiantes de la microscopía. Nuestro proyecto no era diferente. Alf Honigmann y yo empezamos a hablar de resolver el problema de la imagen de lípidos en cuanto nos contrataron sucesivamente en MPI-CBG en 2014/15 y rápidamente decidimos ir a por ello. Aun así, nos llevó casi cinco años desde el inicio del proyecto hasta el momento en otoño de 2019 en que los dos produjimos finalmente una muestra con una hermosa tinción de la membrana plasmática. Fue entonces cuando supimos que estábamos ante algo grande". Como recompensa, ciertos acontecimientos mundiales bien conocidos nos obligaron a cerrar nuestros laboratorios unos meses más tarde. Al final, el retraso fue para mejor. Antes de la revolución en el uso de la inteligencia artificial en la segmentación de imágenes, no habríamos podido cuantificar adecuadamente los datos de las imágenes, por lo que nuestras conclusiones habrían sido mucho más limitadas."
Los investigadores aún tienen que determinar qué proteínas de transferencia lipídica impulsan el transporte selectivo de las distintas especies lipídicas. También deben identificar las fuentes de energía que impulsan el transporte de lípidos y asegurarse de que cada orgánulo mantiene su propia composición de membrana.
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Publicación original
Juan M. Iglesias-Artola, Kristin Böhlig, Kai Schuhmann, Katelyn C. Cook, H. Mathilda Lennartz, Milena Schuhmacher, Pavel Barahtjan, Cristina Jiménez López, Radek Šachl, Vannuruswamy Garikapati, Karina Pombo-Garcia, Annett Lohmann, Petra Riegerová, Martin Hof, Björn Drobot, Andrej Shevchenko, Alf Honigmann, André Nadler; "Quantitative imaging of lipid transport in mammalian cells"; Nature, 2025-8-20
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