Diseccionar los ensamblajes de proteínas
Nuevos detalles moleculares de las mitocondrias
La nanoscopia de súper resolución MINFLUX, desarrollada por el premio Nobel Stefan Hell y su equipo, es capaz de discernir moléculas fluorescentes que están sólo a unos pocos nanómetros de distancia. En una aplicación inicial de esta técnica a la biología celular, los investigadores dirigidos por Stefan Hell y Stefan Jakobs han diseccionado ahora ópticamente la distribución de las proteínas individuales en un grupo de proteínas de aproximadamente 20 nanómetros de tamaño dentro de un orgánulo celular en 3D usando múltiples colores. La nanoscopia MINFLUX demuestra ser una herramienta extremadamente poderosa para averiguar si y cómo se agrupan las proteínas dentro de la célula, a la escala de longitud de las propias proteínas.
La nanoscopia 3D multicolor MINFLUX visualiza la distribución celular y la posición relativa de las proteínas que están a sólo unos pocos nanómetros de distancia. La imagen muestra una mitocondria de una célula de la piel humana en la que dos proteínas de la membrana mitocondrial interior están teñidas: Una subunidad del complejo MICOS (Mic60), está coloreada en naranja, una subunidad de la mitocondrial ATP sintasa (ATPB), está coloreada en azul. La barra de escala tiene una longitud de 500 nanómetros.
© Till Stephan & Jasmin Pape / Max Planck Institute for Biophysical Chemistry
Con el concepto MINFLUX, Stefan Hell combinó inteligentemente los puntos fuertes de las dos técnicas de nanoscopia de fluorescencia de más alta resolución disponibles hasta la fecha: PALM/STORM y el método STED que Hell desarrolló y por el que recibió el Premio Nobel de Química en 2014. Introducida en 2016, MINFLUX proporciona de manera única una resolución de hasta sólo unos pocos nanómetros dentro de las células. Además, MINFLUX puede rastrear las moléculas que se mueven en la célula hasta cien veces más rápido que los métodos convencionales de microscopía. Desde el desarrollo del método, su equipo ha optimizado este enfoque para aplicaciones biológicas.
"En los últimos años, mis colegas Klaus Gwosch, Francisco Balzarotti y yo trabajamos duro para hacer visibles las moléculas fluorescentes en las células con la máxima resolución molecular en dos colores y 3D usando MINFLUX. Recientemente tuvimos éxito", dice Jasmin Pape, una investigadora del Departamento de NanoBiofotónica de Stefan Hell. "Dado que los biólogos a menudo analizan muestras complejas, hemos adaptado el método para cumplir con este requisito. Ahora podemos visualizar e incluso examinar cuantitativamente estructuras intrincadas y grupos de proteínas en orgánulos celulares."
Una tecnología clave en la biología celular
MINFLUX ha dominado con éxito la prueba práctica. "Con esta técnica única, hemos logrado una resolución tridimensional de sólo unos pocos nanómetros en las centrales eléctricas de una célula, la mitocondria", informa Jakobs, jefe del grupo de investigación del Instituto Max Planck (MPI) de Química Biofísica y profesor del Departamento de Neurología del Centro Médico Universitario de Göttingen (UMG). "Esta es la mayor resolución de cúmulos de proteínas subcelulares jamás lograda en 3D. Estoy muy contento por la primera aplicación biológica de nuestro método", dice Hell, Director del MPI de Química Biofísica y del MPI de Investigación Médica. "La excelente cooperación en nuestro MPI, que combina perfectamente la biología, la química y la física bajo un mismo techo, ha hecho posible este éxito. Para la biología celular, MINFLUX será una tecnología clave en los próximos años, porque permitirá a los científicos trazar organelos subcelulares y grupos de proteínas a nivel molecular".
La resolución óptica de la nanoscopia MINFLUX es tan buena que los investigadores tienen que estar atentos a cualquier imperfección en la preparación de la muestra y el etiquetado. "De hecho, la preparación de la muestra y el etiquetado se han convertido en el factor limitante, ya no es la resolución óptica del microscopio", explica Till Stephan, investigador del grupo de Jakobs. "Los requisitos decisivos para una imagen de alta calidad son la retención de la estructura en la muestra y la distancia entre los marcadores fluorescentes y las proteínas de interés".
Nuevos detalles moleculares de las mitocondrias
Jakobs y sus colaboradores han estado investigando la estructura y función de las mitocondrias durante muchos años. Las centrales eléctricas moleculares suministran la energía necesaria para mantener en marcha el metabolismo de las células de nuestro cuerpo. Como resultado, tienen una estructura excepcional que comprende una membrana externa lisa y una membrana interna doblada en forma de dedos. La maquinaria proteínica de estas crestas en forma de dedo suministra al cuerpo humano unos 75 kilogramos de la molécula de almacenamiento de energía llamada ATP cada día. En las uniones de las cristas, los lugares donde las cristas se encuentran con la membrana límite interior, una importante máquina molecular llamada MICOS está trabajando. MICOS consiste en varias proteínas que trabajan juntas para doblar la membrana interna de la mitocondria en forma.
Aprovechando el nanoscopio MINFLUX, Jakobs y su equipo han resuelto detalles sorprendentes sobre las uniones de crista. "Nuestros resultados sugieren que las proteínas MICOS están distribuidas muy heterogéneamente alrededor de las uniones de crista", afirma el biólogo. Su grupo pretende construir sobre este impresionante trabajo, utilizando MINFLUX para investigar cómo se controla la interacción de las proteínas clave MICOS. Dado que muchas enfermedades del sistema nervioso y del sistema muscular están asociadas con una arquitectura mitocondrial defectuosa, los futuros descubrimientos podrían contribuir a una mejor comprensión de cómo se desarrollan tales condiciones.
El nanoscopio comercial MINFLUX
En el futuro, Jakobs y su equipo comenzarán a utilizar un nuevo nanoscopio comercial MINFLUX: uno de los cuatro únicos instrumentos en todo el mundo, que se instalará en Göttingen dentro del próximo mes. La Fundación Alemana de Investigación (DFG) financiará el proyecto dirigido por Jakobs con 2,3 millones de euros. El nuevo nanoscopio de alto rendimiento formará parte del equipamiento del laboratorio de biólogos de la UMG, y los compañeros de investigación del Campus de Göttingen también podrán utilizarlo. "El espectro de aplicaciones que utiliza el MINFLUX abarca desde la química biomolecular hasta la cardiología, la audiología y la neurología, y reforzará aún más a Göttingen como un refugio para la investigación biomédica interdisciplinaria", subraya Jakobs.
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.
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