Una luz en el tejido oscuro

Proteínas conmutables para la obtención de imágenes biomédicas

09.12.2021 - Alemania

La imagen biomédica es la ventana a través de la cual podemos mirar dentro de los organismos. Nos permite ver las células, su comportamiento y localización que de otro modo quedarían ocultas. El seguimiento de muy pocas células a lo largo del tiempo sin dañarlas es un reto clave en la investigación sanitaria. Para ello, los investigadores del Helmholtz de Múnich diseñan herramientas naturales: proteínas conmutables. Andre C. Stiel habla de su potencial para la obtención de imágenes biomédicas, de su último estudio y de los retos del futuro.

¿Cómo ayudan las proteínas a la obtención de imágenes biomédicas?

Andre: Las proteínas son moléculas formadas por aminoácidos. En nuestro cuerpo y en todas las formas de vida, las proteínas tienen muchas funciones; por ejemplo, son la maquinaria que permite a las células generar energía o recibir información. En el ámbito de la imagen, podemos utilizar las proteínas que generan señales, por ejemplo la luz, para observar lo que ocurre dentro de un organismo vivo. Las proteínas tienen la ventaja de que están codificadas genéticamente, pueden convertirse en un componente de la célula o del organismo, a diferencia, por ejemplo, de un colorante que hay que añadir desde el exterior. En el campo de la imagen podemos utilizar esto para algo que llamamos etiquetado. Las etiquetas abren interesantes posibilidades para seguir a las células en diferentes estados durante un largo periodo de tiempo y sin tener que interferir o dañar el tejido vivo. Esto nos permite, por ejemplo, estudiar una enfermedad o un tratamiento de forma relativamente natural y, por tanto, comprender mejor las enfermedades.

¿Cuál es el secreto de las proteínas conmutables que usted diseña?

André: Las proteínas conmutables pueden cambiar su estado, en nuestro caso la señal que leemos, al ser iluminadas con diferentes colores de luz. El mecanismo molecular actúa como un pequeño interruptor que cambia el estado de la proteína de encendido a apagado y con ello la señal que genera. En la naturaleza, esas proteínas suelen ser las responsables de las respuestas dependientes de la luz, por ejemplo, de la orientación de las plantas hacia la luz.

Usted utiliza proteínas conmutables en un método llamado imagen optoacústica, ¿en qué consiste?

Andre: Las imágenes optoacústicas -en las que Vasilis Ntziachristos, en el Helmholtz de Múnich, realiza una investigación puntera a nivel mundial- son un método de obtención de imágenes que se basa en la lectura de la señal de ultrasonidos generada por la luz. Las imágenes optoacústicas tienen ya la capacidad de ofrecer una combinación de mayor profundidad de penetración, mayor resolución y mayores campos de visión que otras tecnologías de imagen. Sin embargo, para muchas cuestiones de investigación, la optoacústica necesita herramientas como reporteros y sensores codificados genéticamente. Las proteínas de etiqueta fotoconmutables pueden ayudar en este sentido. En nuestra investigación, la señal fotoconmutable nos permite visualizar pequeños números de células sobre un fuerte fondo de otras señales haciendo que la etiqueta parpadee. Puede imaginarlo como un faro en una noche oscura de tormenta en el mar. La capacidad de visualizar pocas células en un organismo vivo es importante porque muchos fenómenos biológicos, especialmente en el sistema inmunitario, dependen de un pequeño número de células. Nuestro objetivo es que algún día podamos rastrear células individuales etiquetadas en un organismo vivo y visualizar su función, para mejorar nuestros conocimientos, por ejemplo, sobre el sistema inmunitario o sobre el desarrollo de tumores.

¿Cuál es su próximo reto?

André: Hemos hablado de la visualización de las células. Sin embargo, las propias células albergan componentes de la vida aún más pequeños: pequeñas moléculas e iones. A menudo, estas moléculas cumplen fines muy específicos, como la comunicación, o sirven como fuentes de nutrientes o bloques de construcción para otros componentes celulares, por lo que deben estar estrechamente reguladas para que la célula funcione correctamente. Comprender esta regulación es esencial para entender la vida y las enfermedades. Para visualizar pequeñas moléculas o iones, no utilizamos etiquetas sino sensores. Los sensores pueden considerarse como etiquetas que sólo son visibles si la molécula de interés está presente, lo que nos permite visualizar las moléculas dentro de una célula. En nuestro último estudio, aplicamos nuestro concepto de fotoconmutación a los sensores. Demostramos que los sensores de fotoconmutación funcionan tanto para la optoacústica como para la superresolución. De hecho, la aplicación de las proteínas conmutables no se limita a la optoacústica, sino que también son herramientas importantes en la microscopía de fluorescencia de superresolución. Hemos desarrollado un concepto y un primer prototipo, con potencial para una mayor optimización. Junto con Dierk Niessing, del Helmholtz de Múnich, aprendimos los detalles del mecanismo molecular y, junto con un grupo del KTH de Suecia (Ilaria Testa), realizamos las primeras imágenes de superresolución utilizando este concepto. Con el tiempo, los sensores nos permitirán visualizar también distribuciones de moléculas pequeñas o iones con una resolución nanométrica. En el caso de la optoacústica, nuestro objetivo es utilizarlos para seguir pequeñas moléculas en un animal vivo entero: ese es el reto para los próximos cinco años.

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