La observación de lo minúsculo

En mi entrada de la semana pasada mostraba unos vídeos de microscopía óptica realizados con C. elegans, un gusano milimétrico, con el fin de estudiar alteraciones en su comportamiento inducidas por cambios genéticos que se asocian con el autismo en humanos.

En esta entrada me gustaría mostrar un vídeo a modo de ejemplo realmente espectacular de cómo los avances en microscopía están impulsando el conocimiento de los fenómenos biológicos que ocurren a escala aún más pequeña. Me refiero a la escala celular y a los procesos celulares y moleculares que regulan enfermedades tan relevantes para nuestra sociedad como el cáncer.

Pero antes de maravillarnos con esas imágenes, me gustaría invitaros a hacer un paseo muy resumido por la historia del microscopio, una herramienta indispensable en cualquier laboratorio de biología celular y que ha hecho posible la observación del mundo invisible al ojo humano.

Las células fueron observadas por primera vez en 1665 por el científico inglés Robert Hooke con un microscopio que él mismo diseñó que tenía una capacidad de 30 aumentos. Pudo visualizar las células sin vida de una lámina de corcho. La estructura ordenada y repetitiva de las cavidades vegetales le recordaba a los cuartos o celdas donde vivían los monjes en esa época, lo que le llevó a acuñar el término de células.

Una década después, el trabajo de Hooke inspiró a Antonie Philips van Leeuwenhoek, un comerciante holandés, para fabricar un microscopio de una sola lente. Con una capacidad de aproximadamente 250 aumentos, le permitiría describir organismos unicelulares vivos por primera vez observando el agua de lluvia. Denominó a estos organismos “animálculos” (hoy conocidos como microorganismos).

La aparición del microscopio electrónico de la mano de los físicos alemanes Max Knoll y Ernst Ruska en Alemania en 1931, que usa un haz de electrones en vez de un haz de luz, permitió llegar a un territorio celular desconocido hasta el nivel del nanómetro, posibilitando el estudio de las estructuras subcelulares.

En 1957, Marvin Minsky patentó el concepto de microscopía confocal, que permitía el análisis a alta resolución de muestras celulares teñidas con moléculas fluorescentes. Y en 1978, Thomas y Christoph Cremer crearon el primer microscopio confocal que usaba tecnología láser para iluminar y visualizar las muestras marcadas con fluorescencia. La técnica alcanzó gran popularidad en los 80 y hoy en día su utilización es prácticamente universal en el campo de la biología molecular y celular.

La microscopía confocal ha permitido el estudio de muestras in vivo y la recreación de su estructura tridimensional. La llamada tecnología “Time-Lapse” aplicada a la microscopia confocal está además posibilitando el estudio de los procesos celulares y moleculares a lo largo del tiempo. Esta técnica, empleada ampliamente en cinematografía y fotografía, logra el efecto visual de que todo lo que se haya capturado se mueva más rápidamente, como puede ser el movimiento de las nubes, el paso de las estaciones o, en investigación biológica, la sucesión de los procesos celulares.

A día de hoy el reto en las técnicas de microscopía para la observación de fenómenos in vivo es lograr la máxima resolución posible sin interferir con la integridad celular. Podemos pensar que esto último es dificil porque las células y tejidos no se encuentran normalmente expuestos a la luz durante su ciclo de vida. Por ello es importante para todas las aplicaciones de microscopía minimizar el efecto tóxico de la luz, minimizar la exposición a la luz.

Con este objetivo en mente, un grupo de científicos estadounidenses del Howard Hughes Medical Institute de EEUU ha desarrollado recientemente una técnica de microscopía que combina una velocidad alta de captura de imágenes en 3D (con cientos de fotogramas por segundo) con una baja fototoxicidad y un sistema mejorado de iluminación que proporciona una alta resolución.

El resultado es la posibilidad de producir vídeos tan espectaculares como el que os quería mostrar hoy. Con el llamativo título “La danza oculta de las células”, muestra la imagen en tiempo real de una célula mamífera cancerígena. Las ondas en la superficie, que se han comparado con el vestido de una bailaora de flamenco, adquieren una fuerza y velocidad incontroladas. Se trata de una situación aberrante y que podría estar relacionada con la mayor capacidad invasiva de las células tumorígenas y con la temida metástasis.

En condiciones fisiológicas, es decir, cuando no está alterada la funcionalidad de las células como en el cáncer (por ejemplo durante el desarrollo embrionario normal, durante la reparación de tejidos dañados…), estas ondulaciones de la membrana (llamadas “dorsal membrane ruffles” en inglés) también tienen lugar pero se producen de forma controlada y se especula que son necesarias para el reciclaje y reorganización de la maquinaria que hace posible el desplazamiento de las células en el tejido.

Se espera que en los próximos años los avances en microscopía permitan superar los límites de resolución actuales hasta hacer posible observar fenómenos como el comportamiento de un virus dentro de una célula, algo todavía dificil de imaginar.

La vida es movimiento, es cambio. Metabolismo, crecimiento, adaptación, respuesta al estímulo, reproducción son los procesos que caracterizan la vida celular. El reto de la biología celular es descifrar el código que regula ese proceso de cambio continuo. Por ello, la microscopía seguirá avanzando en el sentido de hacer posible la observación de los fenómenos celulares en su contexto biológico cambiante y con ello acercarnos cada vez más al conocimiento de los minúsculo.

Fuente del vídeo:

http://news.sciencemag.org/sciencenow/2013/02/video-the-hidden-dance-of-cells.html

Este vídeo fue publicado por primera vez en la revista Cell en diciembre del año pasado y recientemente ha sido presentado en la reunión anual de la American Association for the Advancement of Science (AAAS), una de las mayores instituciones científicas independientes del mundo y sociedad editora de la revista Science.