Juego de tronos de… microscopios

La biología estructural, tal como su nombre indica, es la rama de la biología que se dedica a estudiar las estructuras dentro de la célula intentando relacionarlas con la función que tienen. Se entiende fácilmente que se necesite una técnica que nos pueda dar información tridimensional de las células donde juega un papel muy importante la resolución, es decir, la característica más pequeña observable. Y es aquí cuando tenemos varias opciones que pelearán entre sí para hacerse con el Trono de Hierro de la Microscopía.

Por un lado, tenemos a la Casa de la Microscopía Óptica. Entre sus virtudes nos permite observar a las células vivas. Usando marcadores fluorescentes podemos aumentar su resolución hasta 200 nanómetros. Pero… no es suficiente. Aun con estos fluoróforos la mayoría de la célula será invisible para el microscopio.

Aquí hace su aparición la potente Casa de la Microscopía Electrónica con una longitud de onda más corta que nos permite una resolución impresionante, de pocos nanómetros. De hecho, a esta campeona debemos casi todo el conocimiento actual de la organización celular. Pero… no es perfecta. Los electrones dispersados tienen muy poca penetración en la materia blanda, así que es necesario cortar la célula en finas secciones para poder observarla. Eso sí, si algo interesante pasaba justo en el lugar del corte…, nos lo hemos perdido por mucha resolución que tengan estas técnicas.

Una técnica intermedia que viene a llenar el vacío entre la microscopía óptica y la electrónica, es la Casa de la Criotomografía de Rayos X. La ventaja de los rayos X sobre otras partículas cargadas (como los electrones) es su mayor penetración: nos permiten observar la célula entera sin necesidad de cortarla ni teñirla, con una resolución intermedia entre la microscopía óptica y la microscopía electrónica.

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Entonces, ¿quién se quedaría en el Trono de Hierro? Pues, si es posible, una alianza de las tres, porque son técnicas más complementarias que excluyentes.

Hoy quería que nos fijáramos especialmente en la última y la más novedosa de las tres. Tanto que solo hay cuatro lugares en el mundo donde se lleva a cabo: San Francisco, Berlín, Inglaterra y en el sincrotrón ALBA de Barcelona.

Esta microscopía usa rayos X blandos (de baja energía) en lo que se llama la ventana del agua: en los límites de absorción del carbono y el oxígeno. De manera que el oxígeno (el agua) resulta casi transparente mientras que el carbono (las estructuras celulares) se aprecian con contraste. Para evitar el daño por radiación la muestra ha de estar vitrificada (tal como explicábamos aquí para el caso de los liposomas). Así, la criotomografía de rayos X es actualmente la única técnica de imagen que permite elaborar mapas 3D de células vitrificadas con una resolución nanométrica y evitando el tratamiento químico y los cortes de sección necesarios en la microscopía electrónica.

Veamos su aplicación con un ejemplo chulísimo, o al menos a mí me lo parece. Pero antes toca dar un repasillo a la célula o al menos a un par de orgánulos en su interior que son importantes para que nos entendamos. En primer lugar, hablemos del retículo endoplasmático que es un órgano vesicular con cisternas, tubos aplanados y sáculos conectados entre sí, con funciones como sintetizar o modificar proteínas. En segundo lugar, hablemos de las mitocondrias, encargadas de conseguir energía y que están formadas por una doble membrana. La membrana interior se pliega en lo que se llama crestas mitocondriales.

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En un estudio por criotomografía de rayos X se estudiaron células humanas infectadas con una variante del virus de la hepatitis C. Se sabe que este virus altera tanto el retículo endoplasmático como las mitocondrias. Pues bien, la diferencia más llamativa entre las células control (no infectadas con hepatitis) y las muestras (infectadas con hepatitis) es la presencia de una red membranosa que probablemente sean los restos del retículo endoplasmático, deformado por la acumulación de proteínas víricas. Además, se observan mitocondrias con morfologías aberrantes, es decir, con condensación de la matriz (se ve una mayor absorción) y con alteraciones en el diámetro y número de crestas mitocondriales. Según los tiempos de infección con el virus la alteración gradual en la estructura de las mitocondrias lleva a que estas desaparezcan en esa red membranosa que es ahora el retículo endoplasmático.

Arriba se observa una célula sana con un retículo endoplasmático y una mitocondria normales. En medio y abajo se pueden ver los efectos del virus sobre estos orgánulos
Arriba se observa una célula sana con un retículo endoplasmático y una mitocondria normales. En medio y abajo se pueden ver los efectos del virus sobre estos orgánulos

Por primera vez y gracias a la criotomografía de rayos X se pudo observar la coincidencia en el espacio celular de la red membranosa y las mitocondrias anormales. Además, se estudiaron células con tratamientos antivirales de los que se usan para la hepatitis C en humanos. Y, efectivamente, era posible ver una regresión de las condiciones patológicas del retículo endoplasmático y las mitocondrias, de manera que en ciertos tratamientos (combinación de dos antivirales) no había diferencias entre las células control y las células infectadas y tratadas con antivirales.

Y para que veáis que no exagero en la pasada de imágenes os animo a ir a la Supporting information del artículo en cuestión y descargaros los vídeos para disfrutarlos. Y entonces, espero que estéis conmigo en que le cedamos, al menos una temporadita, el Trono de Hierro a la Criotomografía de Rayos X 😉

Referencias

Pérez-Berná et al., Structural Changes In Cells Imaged by Soft X-Ray Cryo-Tomography During Hepatitis C Virus Infection, ACS Nano 2016, 10, 6597-661

Sorrentino et al., MISTRAL: a transmission soft X-ray microscopy beamline for cryo nano-tomography of biological samples and magnetic domains imaging, J. Synchrotron Rad. (2015). 22, 1112-1117


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