Una nueva técnica amplía los tejidos para poder ver cientos de biomoléculas en el interior de las células
Para los biólogos, ver es creer. Pero a veces a los biólogos les cuesta ver.
Mapa TEMI de la distribución de lípidos en las capas del cerebelo. Esta imagen muestra especies lipídicas específicamente enriquecidas en tres capas distintivas del cerebelo: capa molecular, capa de sustancia blanca y capa de células granulares.
Zhang and Ding et al.
Un reto especialmente complicado es ver simultáneamente todas las moléculas de una muestra de tejido intacto, hasta el nivel de una sola célula. Detectar la ubicación de cientos o miles de biomoléculas -desde lípidos hasta metabolitos y proteínas- en su entorno nativo permite a los investigadores comprender mejor sus funciones e interacciones. Por desgracia, los científicos no disponen de grandes herramientas para llevar a cabo esta tarea.
Los métodos de obtención de imágenes, incluidos la mayoría de los tipos de microscopía, ofrecen una visión de las moléculas en el interior de las células. Pero sólo pueden rastrear un puñado selecto de moléculas a la vez y no pueden detectar todos los tipos de biomoléculas, incluidos algunos lípidos. Otros métodos, como la espectrometría de masas convencional, pueden detectar cientos de moléculas, pero no funcionan con muestras intactas, por lo que los investigadores no pueden ver cómo están orientadas las biomoléculas.
Una técnica prometedora, la espectrometría de masas por imagen, supera algunos de estos problemas. Permite ver cientos de moléculas a la vez en tejidos intactos. Sin embargo, no tiene la resolución suficiente para permitir la detección a nivel unicelular.
Este fue el problema al que se enfrentó Meng Wang, jefa del grupo Janelia. Wang y su equipo estudian los mecanismos fundamentales del envejecimiento y la longevidad, y querían detectar muchas biomoléculas diferentes en tejidos intactos para comprender cómo cambian los componentes a medida que envejecen los tejidos.
"Saber en cada lugar concreto qué moléculas hay y qué hay en las células vecinas es muy importante para cualquier tipo de cuestión biológica", afirma Wang.
Por suerte, el laboratorio de Wang está al final del pasillo del científico principal de Janelia, Paul Tillberg. Tillberg coinventó una técnica llamada microscopía de expansión cuando era estudiante de posgrado en el MIT. El método utiliza un material de hidrogel hinchable para expandir las muestras uniformemente en todas direcciones hasta un punto en el que pueden detectarse detalles finos, como la estructura suborgánica, con un microscopio convencional.
El proceso de expansión, que ya tiene una década, se está aplicando a otros métodos ajenos a la microscopía tradicional. Wang, Tillberg y sus colaboradores de Janelia y la Universidad de Wisconsin-Madison querían ver si podían utilizar la expansión para superar el problema de resolución espacial de las imágenes de espectrometría de masas.
El resultado es un nuevo método que expande las muestras de tejido gradualmente sin tener que degradarlas a nivel molecular, como ocurre en el proceso de expansión original. Al expandir las muestras intactas en todas direcciones, los investigadores pueden utilizar la espectrometría de masas para detectar simultáneamente cientos de moléculas a nivel unicelular en sus ubicaciones originales.
"Esto permite echar un vistazo sin objetivos en el espacio molecular, y estamos intentando acercarlo a lo que puede hacer la microscopía en términos de resolución espacial", afirma Tillberg.
El equipo utilizó la nueva técnica para delinear los patrones espaciales específicos de pequeñas moléculas en distintas capas del cerebelo. Descubrieron que estas moléculas -incluidos lípidos, péptidos, proteínas, metabolitos y glicanos- no están distribuidas uniformemente, como se pensaba. Además, descubrieron que cada capa específica del cerebelo tiene su propia firma de lípidos, metabolitos y proteínas.
El equipo también pudo detectar biomoléculas en riñones, páncreas y tejidos tumorales, lo que demuestra que el método puede adaptarse a muchos tipos de tejidos diferentes. En los tejidos tumorales, pudieron visualizar grandes variaciones en las biomoléculas, lo que podría ser útil para comprender los mecanismos moleculares de los tumores y ayudar potencialmente al desarrollo de fármacos.
"Cuando se pueden ver estas biomoléculas, se puede empezar a entender por qué tienen esos patrones y cómo se relacionan con su función", explica Wang. Cree que la nueva tecnología permitirá a los investigadores seguir estos patrones durante el desarrollo, el envejecimiento y la enfermedad para entender cómo contribuyen las distintas moléculas a estos procesos.
Dado que el nuevo método no requiere añadir hardware a un sistema de imágenes de espectrometría de masas ya existente y que la técnica de expansión es relativamente fácil de aprender, el equipo espera que sea utilizado por muchos laboratorios de todo el mundo. También esperan que la nueva técnica convierta la obtención de imágenes por espectrometría de masas en una herramienta más útil para los biólogos y han presentado una descripción detallada del nuevo método y una hoja de ruta para adaptarlo a otros tipos de tejidos.
"Queríamos desarrollar algo que no requiriera instrumentos o procedimientos especializados, sino que pudiera adoptarse ampliamente", afirma Wang.
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