
(Izquierda) La cámara ultrarrápida reveló moléculas en la membrana celular (representadas por varios budas) que parecían bailar dentro de espacios delimitados por filamentos de actina (representados por los mandalas) y ocasionalmente saltando los límites. (Derecha) El emparejamiento de la cámara ultrarrápida con SFMI permite la creación de imágenes similares al puntillismo 60 veces más rápido que los métodos anteriores. Crédito: Mindy Takamiya/Universidad de Kyoto iCeMS
Investigadores de la Universidad de Kyoto, la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) y Photron Limited en Japón han desarrollado la cámara más rápida del mundo capaz de detectar la fluorescencia de moléculas individuales. Describen la tecnología y ejemplos de su poder en dos artículos publicados en el mismo número de la Revista de Biología Celular.
«Nuestro trabajo con esta cámara ayudará a los científicos a comprender cómo se propaga el cáncer y ayudará a desarrollar nuevos medicamentos para tratar el cáncer», dice el experto en bioimagen Takahiro Fujiwara, quien dirigió la investigación en el Instituto de Ciencias Integradas de Materiales Celulares (iCeMS).
Las imágenes de moléculas fluorescentes únicas (SFMI, por sus siglas en inglés) utilizan una molécula fluorescente como una etiqueta indicadora que puede unirse a moléculas de interés en una célula y revelar dónde están y cómo se mueven y se unen entre sí. La cámara ultrarrápida del equipo permite la resolución más alta en el tiempo jamás lograda por SFMI. Puede detectar movimientos de una sola molécula que son 1000 veces más rápidos que la velocidad de cuadro de video normal.
Específicamente, puede detectar una molécula con una etiqueta fluorescente adjunta cada 33 microsegundos con una precisión de 34 nanómetros en la posición, o cada 100 microsegundos con una precisión de 20 nanómetros.
«Ahora podemos observar cómo las moléculas individuales bailan dentro de las células vivas, como si estuviéramos viendo una actuación de ballet en un teatro», dice Fujiwara. Él enfatiza que las técnicas anteriores de SFMI eran como ver el ballet una vez cada 30 segundos, por lo que la audiencia tenía que adivinar la historia a partir de observaciones tan escasas. Era extremadamente difícil y las conjeturas a menudo eran totalmente erróneas.
Además, la cámara ultrarrápida que desarrolló el equipo mejoró enormemente la resolución temporal de un método anterior de resolución súper espacial, que fue reconocido con el premio Nobel de Química en 2014. En este método anterior, las posiciones de las moléculas individuales se registran como pequeños puntos de aproximadamente 20 nm, formando imágenes como las pinturas de puntillismo de los nuevos impresionistas, encabezados por Georges Seurat.
Sin embargo, el problema del puntillismo bajo el microscopio ha sido que la formación de la imagen es extremadamente lenta y, a menudo, lleva más de 10 minutos obtener una sola imagen, por lo que las muestras tenían que ser células muertas fijadas químicamente. Con la cámara ultrarrápida desarrollada, la imagen se puede formar en 10 segundos, unas 60 veces más rápido, lo que permite observar células vivas.
El equipo demostró además el poder de su cámara al examinar la localización y el movimiento de una proteína receptora involucrada en los cánceres y una estructura celular llamada adhesión focal. La adhesión focal es un complejo de moléculas de proteína que conecta haces de proteínas estructurales dentro de las células con el material fuera de las células llamado matriz extracelular. Puede desempeñar un papel importante en las interacciones mecánicas celulares con su entorno, lo que permite que las células cancerosas se muevan y metastaticen.
«En una investigación, descubrimos que un receptor promotor del cáncer que se une a moléculas de señalización está confinado dentro de un compartimento celular específico durante más tiempo cuando se activa. En otra, revelamos estructuras ultrafinas y movimientos moleculares dentro de la adhesión focal que están involucrados. en las actividades de las células cancerosas», dice Akihiro Kusumi, el autor correspondiente, profesor en OIST y profesor emérito de la Universidad de Kyoto. Los resultados permitieron al equipo proponer un modelo refinado de actividad y estructura de adhesión focal.
Muchos equipos de investigación en todo el mundo están interesados en desarrollar fármacos que puedan interferir con el papel de las adherencias focales en el cáncer. La cámara ultrarrápida desarrollada por el equipo en colaboración con el Sr. Takeuchi de Photron Limited, un fabricante de cámaras en Japón, ayudará en estos esfuerzos al revelar una comprensión más profunda de cómo estas estructuras se mueven e interactúan con otras estructuras dentro y fuera de las células.
Más información:
Takahiro Fujiwara et al, Imágenes ultrarrápidas de una sola molécula revelan nanoarquitectura de adhesión focal y dinámica molecular, Revista de Biología Celular (2023). DOI: 10.1083/jcb.202110162
Takahiro Fujiwara et al, Desarrollo de imágenes de moléculas fluorescentes individuales basadas en cámaras ultrarrápidas para biología celular, Revista de Biología Celular (2023). DOI: 10.1083/jcb.202110160
Proporcionado por la Universidad de Kyoto
Citación: Iluminando el ballet molecular en células vivas usando una cámara ultrarrápida (6 de junio de 2023) recuperado el 6 de junio de 2023 de https://phys.org/news/2023-06-illuminating-molecular-ballet-cells-ultrafast.html
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