Microscopía ONE: de la molécula a la estructura 3D con microscopía convencional
El método, sencillo y rentable, se ha desarrollado utilizando unos cuantos trucos sencillos pero eficaces
Investigadores del Centro Médico Universitario de Gotinga (UMG) han desarrollado un nuevo método que permite por primera vez obtener imágenes de la forma tridimensional de las proteínas con un microscopio convencional. Combinada con inteligencia artificial, la microscopía One-step Nanoscale Expansion (ONE) permite detectar cambios estructurales en proteínas dañadas o tóxicas en muestras humanas. Enfermedades como el Parkinson, que se basan en el mal plegamiento de las proteínas, podrían así detectarse y tratarse en una fase temprana. La microscopía ONE fue nombrada una de las "siete tecnologías a seguir en 2024" por la revista Nature y se publicó recientemente en la revista Nature Biotechnology.
Los inventores (de izquierda a derecha), el jefe de grupo Dr. Ali H. Shaib y el profesor Dr. Silvio O. Rizzoli, director del Departamento de Neurofisiología y Fisiología Sensorial del Centro Médico Universitario de Gotinga (UMG).
A. Shaib
La imagen por fluorescencia es una de las herramientas más versátiles y utilizadas en biología para observar procesos biológicos en células vivas. A pesar de los avances tecnológicos y las mejoras en la resolución, la visualización de moléculas individuales y la organización de complejos moleculares mediante microscopía de fluorescencia sigue siendo un reto. Hasta ahora, esto sólo era posible mediante costosos métodos de biología estructural como la microscopía electrónica (ME) y, en particular, la crio-EM, en la que las muestras se visualizan con un haz de electrones muy potente a una temperatura extremadamente baja.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Dr. Silvio O. Rizzoli, director del Departamento de Neurofisiología y Fisiología Sensorial del Centro Médico Universitario de Gotinga (UMG), portavoz del Centro de Imágenes Bioestructurales de la Neurodegeneración (BIN) y miembro del Clúster de Excelencia "Bioimagen multiescala: de las máquinas moleculares a las redes de células excitables" (MBExC), y el Dr. Ali Shaib, jefe de grupo en el Centro Médico Universitario de Gotinga (UMG). Ali Shaib, jefe de grupo del Departamento de Neurofisiología y Fisiología Sensorial de la UMG, han desarrollado un método que utiliza unos pocos trucos sencillos pero eficaces para visualizar moléculas individuales en detalle mediante microscopía óptica convencional. En lugar de utilizar costosos microscopios de alta resolución para mejorar la resolución, desarrollaron la microscopía de expansión a nanoescala en un solo paso (ONE). En este método, se aumenta el volumen de la muestra uniendo las células y sus estructuras a un gel absorbente de agua que penetra en las células. Al absorber agua, el gel aumenta hasta 15 veces su volumen. Esto hace que las moléculas de la muestra se separen uniformemente y también aumenten de tamaño, de modo que se puedan visualizar con un microscopio óptico tras ser marcadas específicamente con moléculas fluorescentes. Combinado con un método basado en inteligencia artificial para evaluar los cambios de fluorescencia, los científicos han conseguido por primera vez hacer lo que antes sólo era posible con criomicroscopía electrónica de alta resolución y tecnología de rayos X: "Ahora podemos reconstruir estructuras proteínicas tridimensionales a partir de imágenes bidimensionales de fluorescencia", afirma el profesor Rizzoli. Esto ofrece una oportunidad sin precedentes para visualizar directamente detalles estructurales finos de proteínas individuales, así como complejos multiproteicos en células o aislados. Los cambios en la estructura espacial de las proteínas también pueden detectarse fácilmente con la microscopía ONE. En colaboración con colegas de Gotinga y Kassel, se han obtenido imágenes de agregados moleculares de proteínas, típicos de la enfermedad de Parkinson, y se han clasificado en muestras de líquido cefalorraquídeo de pacientes. Esto es prometedor para mejorar la detección precoz de la enfermedad de Parkinson, que afecta a millones de personas en todo el mundo.
La microscopía ONE es un método sencillo y rentable que puede llevarse a cabo en cualquier laboratorio con un microscopio convencional y alcanza un nivel de resolución de alrededor de un nanómetro. Esto es unas 100.000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano. Los autores proporcionan el software necesario como paquete gratuito de código abierto. El nuevo método se ha publicado en la revista Nature Biotechnology. Debido a su gran potencial, Nature ha incluido la microscopía ONE en su lista de "siete tecnologías a tener en cuenta en 2024".
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Publicación original
Ali H. Shaib, Abed Alrahman Chouaib, Rajdeep Chowdhury, Jonas Altendorf, Daniel Mihaylov, Chi Zhang, Donatus Krah, Vanessa Imani, Russell K. W. Spencer, Svilen Veselinov Georgiev, Nikolaos Mougios, Mehar Monga, Sofiia Reshetniak, Tiago Mimoso, ... Julia Preobraschenski, Ute Becherer, Tobias Moser, Edward S. Boyden, A. Radu Aricescu, Markus Sauer, Felipe Opazo, Silvio O. Rizzoli; "One-step nanoscale expansion microscopy reveals individual protein shapes"; Nature Biotechnology, 2024-10-9
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