Películas en movimiento de células vivas
Equipo de investigación mejora la microscopía de superresolución
Para observar las células en el trabajo, los investigadores tienen que pasar por alto una ley física. Una de las técnicas más rápidas para superar el límite de resolución de la microscopía óptica clásica es la microscopía de iluminación estructurada de alta resolución. Hace visibles detalles de unos cien nanómetros de tamaño. Sin embargo, la traducción de los datos a imágenes ha tomado mucho tiempo hasta ahora. Un equipo de investigación de la Universidad de Bielefeld, el Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica y la Universidad Friedrich Schiller de Jena ha desarrollado una técnica para observar procesos en la célula.
Imágenes del nuevo microscopio: La pantalla de la computadora y las imágenes del microscopio (derecha) muestran una célula cancerosa ósea con mitocondrias (azul) y retículo endoplásmico (rosa).
Bielefeld University/ W. Hübner
Esta tarjeta gráfica normalmente ayuda a los jugadores de ordenador a tener una gran experiencia de juego. Los investigadores, sin embargo, lo utilizan para observar los componentes celulares más pequeños en acción, en tiempo real y con una frecuencia de imagen muy alta. "Los datos de imagen pueden reconstruirse unas veinte veces más rápido de lo que se necesitaría en un PC", explica Rainer Heintzmann, del Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica (Leibniz IPHT), que en 1998 sentó las bases para el proceso de iluminación estructurada en microscopía de alta resolución. Junto con él, el equipo de investigación de Bielefeld, dirigido por el Prof. Thomas Huser, amplió aún más la tecnología de la microscopía de iluminación estructurada superresuelta (SR-SIM).
En el método microscópico de fluorescencia SR-SIM, los objetos se irradian con luz láser utilizando un patrón especial. Excita moléculas fluorescentes especiales en la muestra para que emitan luz a una longitud de onda diferente. La imagen microscópica muestra esta luz emitida. Primero se graba en varias imágenes individuales y luego se reconstruye como una imagen de alta resolución en un ordenador. "El segundo paso en particular ha llevado mucho tiempo hasta ahora", dice Andreas Markwirth de la Universidad de Bielefeld, el primer autor del estudio. Mediante el uso de métodos de computación paralela en tarjetas gráficas modernas para el nuevo microscopio, su equipo de investigadores ha sido capaz de acelerar significativamente el proceso de reconstrucción de imágenes. Un retraso mínimo de 250 milisegundos es casi imperceptible para el ojo humano. Los datos brutos también se pueden generar más rápidamente con el microscopio recientemente investigado.
Estructuras invisibles para los microscopios convencionales
"Esto hace posible medir muestras rápidamente y adaptar las condiciones de prueba inmediatamente durante un experimento en lugar de evaluarlas después", dice Rainer Heintzmann, describiendo los beneficios prácticos de la nueva tecnología.
Los científicos probaron el método en células biológicas y registraron los movimientos de las mitocondrias, los centros de energía de las células de aproximadamente un micrómetro de tamaño. "Hemos sido capaces de producir unos 60 fotogramas por segundo, una frecuencia de imagen más alta que la de las películas. El tiempo entre la medición y la imagen es inferior a 250 milisegundos, por lo que la tecnología permite grabaciones en tiempo real", dice Andreas Markwirth.
Hasta ahora, las imágenes de superresolución se han combinado a menudo con métodos convencionales: Se utiliza un microscopio rápido convencional para encontrar primero las estructuras. Estas estructuras pueden ser examinadas en detalle usando un microscopio de superresolución. "Sin embargo, algunas estructuras son tan pequeñas que no se pueden encontrar con los microscopios convencionales, por ejemplo, poros especiales en las células hepáticas. Nuestro método es de alta resolución y rápido, lo que permite a los biólogos investigar tales estructuras", dijo Thomas Huser. Otra aplicación del nuevo microscopio es la investigación de partículas virales en su paso por la célula. "Esto nos permite entender exactamente lo que sucede durante los procesos de infección", dijo Huser.
Los microscopios de superresolución sólo están disponibles desde hace unos 20 años. Ernst Abbe descubrió en 1873 que la resolución de un sistema óptico para la luz visible está limitada a unos 250 nanómetros. En los últimos años, sin embargo, se han desarrollado varios métodos ópticos con el fin de caer por debajo del límite de resolución de Abbe. Los americanos William E. Moerner y Eric Betzig, así como el alemán Stefan Hell, recibieron el Premio Nobel de Química en 2014 por desarrollar una superresolución en el rango de 20 a 30 nanómetros.
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