Dos cabezas son mejores que una, como dice el dicho, y a veces dos instrumentos, ingeniosamente recombinados, pueden lograr hazañas que ninguno de los dos podría haber hecho por sí solo.
Tal es el caso con un microscopio híbrido, nacido en el Laboratorio Biológico Marino (MBL), que por primera vez permite a los científicos imaginar simultáneamente la orientación 3D completa y la posición de un conjunto de moléculas, como las proteínas marcadas dentro de las células. La investigación se publica esta semana en Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
El microscopio combina la tecnología de fluorescencia polarizada, una herramienta valiosa para medir la orientación de las moléculas, con un microscopio de lámina de luz (Dispim), que sobresale en imágenes a lo largo del eje de profundidad (axial) de una muestra.
Este alcance puede tener aplicaciones potentes. Por ejemplo, las proteínas cambian su orientación 3D, típicamente en respuesta a su entorno, lo que les permite interactuar con otras moléculas para llevar a cabo sus funciones.
«Utilizando este instrumento, se pueden registrar cambios de orientación a la proteína 3D», dijo el primer autor Talon Chandler de CZ Biohub San Francisco, un ex alumno graduado de la Universidad de Chicago que realizó esta investigación en parte en MBL. «Hay una biología real que podría estar oculta para usted solo un cambio de posición de una molécula», dijo.
Imágenes de las moléculas en el huso de una célula divisoria, un desafío de larga data en MBL y en otros lugares, es otro ejemplo.
«Con la microscopía tradicional, incluida la luz polarizada, puede estudiar el huso bastante bien si está en el avión perpendicular a la dirección de visualización. Tan pronto como el avión está inclinado, la lectura se vuelve ambigua», dijo el coautor Rudolf Oldenbourg, un senior científico en MBL. Este nuevo instrumento le permite a uno «corregir» para la inclinación y aún capturar la orientación y la posición 3D de las moléculas del huso (microtúbulos).
El equipo espera hacer que su sistema sea más rápido para que pueda observar cómo la posición y la orientación de las estructuras en muestras vivas cambian con el tiempo. También esperan que el desarrollo de futuras sondas fluorescentes permita a los investigadores usar su sistema para imaginar una mayor variedad de estructuras biológicas.
Una confluencia de visión
El concepto para este microscopio se gelificó en 2016 a través de la lluvia de ideas por innovadores en microscopía que se reunieron en el MBL.
Hari Shroff de Hhmi Janelia, luego en los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y un miembro de MBL Whitman, estaba trabajando con su microscopio Dispim diseñado a medida en MBL, que construyó en colaboración con Abhishek Kumar, ahora en MBL.
El microscopio Dispim tiene dos rutas de imagen que se encuentran en ángulo recto en la muestra, lo que permite a los investigadores iluminar e imágenes de la muestra desde ambas perspectivas. Esta doble vista puede compensar la mala resolución de profundidad de cualquier vista e iluminar con más control sobre la polarización que otros microscopios.
En la conversación, Shroff y Oldenbourg se dieron cuenta de que el microscopio de doble vista también podría abordar una limitación de la microscopía de luz polarizada, que es que es difícil iluminar eficientemente la muestra con luz polarizada a lo largo de la dirección de la propagación de la luz.
«Si tuviéramos dos puntos de vista ortogonales, podríamos sentir fluorescencia polarizada en esa dirección mucho mejor», dijo Shroff. «Pensamos, ¿por qué no usar el Disprim para tomar algunas mediciones de fluorescencia polarizada?»
Shroff había estado colaborando en MBL con Patrick La Rivière, profesor de la Universidad de Chicago cuyo laboratorio desarrolla algoritmos para los sistemas de imágenes computacionales. Y La Rivière tenía un nuevo estudiante graduado en su laboratorio, Talon Chandler, a quien trajo a MBL. El desafío de combinar estos dos sistemas se convirtió en la tesis doctoral de Chandler, y pasó el año siguiente en el laboratorio de Oldenbourg en MBL trabajando en él.
El equipo, que desde el principio incluyó a Shalin Mehta, luego con sede en MBL, equipó el disipado con cristales líquidos, lo que les permitió cambiar la dirección de la polarización de entrada.
«Y luego pasé mucho tiempo trabajando, ¿cómo sería una reconstrucción para esto? ¿Qué es lo máximo que podemos recuperar de estos datos que ahora estamos comenzando a adquirir?» Dijo Chandler. El coautor Min Guo, ubicado en el laboratorio anterior de Shroff en NIH, también trabajó incansablemente en este aspecto, hasta que alcanzaron su objetivo de reconstrucciones 3D de orientación y posición moleculares.
«Hubo toneladas de conversación cruzada entre el MBL, la Universidad de Chicago y el NIH, mientras trabajábamos esto», dijo Chandler.
