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Con un diminuto lente esférico de vidrio colocado entre dos placas de latón, el microscopista holandés del siglo XVII Antonie van Leeuwenhoek fue el primero en describir glóbulos rojos y espermatozoides en tejidos humanos, y en observar “animálculos” —bacterias y protistas— en el agua de un lago.
Microscopios ópticos cada vez más potentes le siguieron, y revelaron orgánulos celulares como el núcleo y las mitocondrias. Pero en 1873 los científicos se percataron de que había un límite en el nivel de detalle. Cuando la luz pasa a través de un lente, se difunde por difracción. Por tanto, no se pueden distinguir dos objetos si están separados por menos de 250 nanómetros (250 milmillonésimas de metro). Esto impedía ver el funcionamiento interno de las estructuras celulares.
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La microscopía electrónica, que utiliza haces de electrones en lugar de luz, ofrece mayor resolución. Sin embargo, las imágenes en blanco y negro resultantes dificultan la distinción entre proteínas, y el método solo funciona en células muertas.
Ahora, ingenieros ópticos y físicos han desarrollado trucos para superar el límite de difracción de los microscopios ópticos. Esto abre un nuevo mundo de detalles. Estas técnicas de microscopía óptica de “superresolución” distinguen objetos de hasta 100 nanómetros y, en ocasiones, de menos de 10 nanómetros.
Los científicos adhieren diminutas etiquetas de colores fluorescentes a proteínas individuales o fragmentos de ADN, a menudo en células vivas, para observarlas en acción. Esto llena lagunas de conocimiento clave sobre cómo funcionan las células y qué falla en enfermedades neurológicas, cáncer o infecciones virales.
“Realmente podemos ver una nueva biología”, expone Lothar Schermelleh, biólogo celular molecular que dirige un centro de imagen en la Universidad de Oxford, en el Reino Unido.
Superando el límite de la difracción
La microscopía de superresolución usa diversas técnicas para detectar detalles que quedan ocultos por el límite de difracción, explica Schermelleh.
La microscopía de localización de moléculas individuales aprovecha que los puntos de una imagen son más fáciles de localizar con precisión cuando aparecen aislados en lugar de agrupados. Los científicos etiquetan las moléculas de interés con marcadores fluorescentes diseñados para emitir luz espontáneamente. Conforme las sondas se encienden y apagan, modelos computacionales estiman exactamente dónde está cada molécula y reconstruyen una imagen de alta resolución.
Otra técnica, el agotamiento por emisión estimulada, escanea las muestras con láseres rodeados por un segundo anillo de láseres que anulan la luz fluorescente alrededor del área de interés, agudizando la resolución del microscopio.
Un tercer método, la microscopía de iluminación estructurada, ilumina las muestras con un patrón de rayas de luz. Estas rayas interfieren con la luz que emana de la muestra de manera que los científicos pueden inferir detalles adicionales.
“La microscopía de superresolución se utiliza como herramienta para el descubrimiento biológico. No solo para crear imágenes bonitas”, dice Schermelleh.
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Estas técnicas ya han revelado nuevas estructuras celulares. Se descubrió que las neuronas tienen un tipo único de andamio, llamado esqueleto periódico asociado a la membrana (MPS, por sus siglas en inglés) que proporciona rigidez y forma y ayuda a regular las señales que pasan de una neurona a otra y a mantener la función general de las células.
“El MPS interviene en casi todas las funciones neuronales”, asegura el neurobiólogo de la Universidad de Columbia Victor Macarrón-Palacios, quien dio a conocer junto con sus colegas que una proteína concreta, la paralemmina-1, es responsable de organizar la intrincada estructura del MPS.
Otras estructuras celulares son más complejas de lo que parecían. Este año, la biofísica Melike Lakadamyali, de la Universidad de Pensilvania y sus colegas descubrieron que orgánulos llamados lisosomas, cuya función es descomponer los desechos de las células, pueden tener diferentes combinaciones de proteínas en su superficie.
Los científicos también estudian cómo interactúan los orgánulos entre sí. La bióloga celular Jennifer Lippincott-Schwartz, del Instituto Médico Howard Hughes en Virginia, analiza las estructuras que utilizan las mitocondrias para acoplarse al retículo endoplásmico, que produce proteínas y suministra calcio y grasas a las mitocondrias.
Estos estudios podrían ayudar a revelar las causas de algunas enfermedades. El año pasado, Lippincott-Schwartz descubrió que las mutaciones en el gen VAPB, que se cree que contribuyen a la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), una enfermedad que destruye los nervios, pueden interferir en la capacidad del retículo endoplásmico para conectarse con las mitocondrias. Esto podría alterar la función de estas centrales energéticas y ayudar a explicar cómo surge la ELA.
“Estamos empezando a comprender qué hacen a nivel celular las mutaciones genéticas que subyacen a algunas enfermedades”.
Mirando dentro del ADN humano
Los científicos también observan el núcleo y estudian su ADN. El ADN humano, si se extrajera de una sola célula y se estirara, mediría casi dos metros. Para caber dentro del núcleo, se envuelve alrededor de proteínas llamadas histonas, creando una cadena conocida como cromatina, que se enrolla y se retuerce aún más para formar nuestros cromosomas.
Los bucles y racimos de cromatina, o dominios, solo pueden estudiarse en detalle con microscopía de superresolución, por ejemplo, marcando segmentos de ADN con sondas fluorescentes, manifiesta Schermelleh. “La escala de tamaño está justo por debajo del límite de difracción, antes no se podía evaluar”.
Las investigaciones de Lakadamyali han revelado que las cadenas de ADN-histonas se organizan en estructuras mucho más variables de lo que los científicos creían, con algunas regiones de ADN más compactas que otras.
Este empaquetamiento determina la accesibilidad de cada región del ADN. Eso es importante porque las células solo usan un subconjunto específico de sus genes. Los que utilizan se quedan en un estado más laxo y accesible; los silenciados se empaquetan de forma compacta.
En 2015, Lakadamyali descubrió que las células madre embrionarias tienen una estructura de cromatina muy laxa en comparación con las células más especializadas, que han silenciado los genes que no necesitan. “Podemos determinar si una célula es una célula madre o una célula diferenciada basándonos en la organización espacial de la cromatina”, afirma Lakadamyali, coautora de una revisión sobre técnicas de superresolución de 2023 publicada en el Annual Review of Biophysics.
Mejorar terapias contra el cáncer
Los científicos también examinan las células afectadas por enfermedades. El biofísico Markus Sauer, de la Universidad de Würzburg, Alemania estudia proteínas de la superficie de las células cancerosas que se utilizan como dianas en terapias para destruir el cáncer. En los cánceres de sangre, por ejemplo, los científicos han modificado genéticamente células inmunitarias para que encuentren y destruyan las células cancerosas con proteínas específicas en la superficie.
Pero las técnicas que se usan habitualmente para analizar las proteínas de las células cancerosas y emparejarlos con terapias eficaces no ofrecen una visión completa, afirma Sauer. Esto quedó demostrado en 2015, cuando los médicos descubrieron que podían tratar con éxito a pacientes con mieloma múltiple, un cáncer de la sangre, con terapias dirigidas a un receptor llamado CD19, a pesar de que el CD19 no se había detectado en las células cancerosas del mieloma múltiple con los métodos habituales.
Sauer y sus colegas descubrieron en 2019 que las proteínas CD19 eran claramente visibles con microscopía de superresolución. Aprendieron que, para realizar su trabajo, las terapias inmunológicas solo necesitan unas 10 proteínas CD19.
Estas técnicas de microscopía pueden utilizarse para adaptar mejor los tratamientos, afirma Sauer. Sus investigaciones han identificado una nueva proteína receptora para las terapias y han ayudado a dilucidar el proceso exacto de destrucción de los tumores, esto podría ayudar a mejorar la eficacia de las inmunoterapias.
Filmar invasiones virales
También se estudian los “trucos” de los virus para infectar las células humanas y replicarse. Comprender esta dinámica podría ayudar a desarrollar medicamentos antivirales aduce el virólogo Christian Sieben, del Centro Helmholtz para la Investigación de Infecciones de Alemania.
Este año Sieben dio a conocer cómo el virus de la gripe A infecta las células humanas. Marcando proteínas virales y humanas, él y sus colegas observaron cómo el virus se adhería primero a proteínas receptoras individuales en la superficie celular. Luego, el virus esperaba hasta que otras proteínas receptoras, que se movían por la membrana celular, se acumularan cerca. Solo cuando el virus se adhería a múltiples receptores podía entrar en la célula.
En 2024, científicos de la Universidad de Stanford examinaron cómo se replica el virus de la covid-19 dentro de las células humanas. Utilizando marcadores fluorescentes para etiquetar el material genético del virus, el biofísico Leonid Andronov y sus colegas descubrieron que el SARS-CoV-2 crea una burbuja con una doble membrana en la que copia su material genético. Esto probablemente evita su destrucción.
Conforme más se utiliza la microscopía de superresolución para iluminar lo que ocurre dentro de las células, ¿cuántos más detalles se verán? Según Lakadamyali, la creación de sondas fluorescentes más pequeñas, que permitan marcar múltiples sitios en una sola proteína, podrían aumentar aún más la resolución.
Quizás algún día los avances en superresolución puedan rivalizar con los de la microscopía electrónica.
Este artículo apareció originalmente en Knowable en español, una publicación sin ánimo de lucro dedicada a poner el conocimiento científico al alcance de todos. Suscríbase al boletín de Knowable en español.
