Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería M cCormick dirigida por Backman han desarrollado una nueva técnica óptica para estudiar el movimiento de las células sin usar etiquetas o tintes para rastrearlas. El método innovador también ha revelado un fenómeno no descubierto que puede jugar un papel en las primeras etapas de la muerte celular.
Si bien los científicos actualmente pueden rastrear el movimiento de las células usando tintes moleculares o etiquetas, la práctica viene con limitaciones. Los tintes son tóxicos y alteran el comportamiento de las células antes, eventualmente, matándolas. Las etiquetas están pegadas a las células, pueden ser tóxicas o resultar en fotodecoloración y pueden alterar el movimiento de las mismas moléculas que marcan.
La nueva técnica, llamada dual-PWS, no tiene etiquetas y puede visualizar y medir el movimiento macromolecular sin usar colorantes. Basándose en una técnica de imagen cuantitativa creada previamente por Backman llamada Espectroscopia de Onda Parcial (PWS), la plataforma utiliza la interferencia y los cambios de patrón de la luz dispersada para monitorear tanto la estructura macromolecular de las células como su movimiento dinámico.
“Los procesos críticos, como la transcripción de un gen o la reparación de proteínas dañadas, requieren el movimiento de muchas moléculas simultáneamente en un entorno complejo y altamente compacto”, dijo Scott Gladstein, estudiante de doctorado en el laboratorio de Backman y primer autor del estudio. “la plataforma de imágenes con la capacidad de medir tanto la estructura intracelular como la dinámica macromolecular en células vivas con una sensibilidad a estructuras tan pequeñas como 20 nm con una resolución temporal de milisegundos, el PWS dual es único y nos permite estudiar estos procesos”.
Los investigadores aplicaron el PWS dual al estudiar los cambios dinámicos y estructurales a nanoescala de la cromatina en células eucariotas in vitro. Usando luz ultravioleta para inducir la muerte celular, el equipo midió cómo se modificó el movimiento de la cromatina de las células.
“Tiene sentido que cuando las células están a punto de morir, su dinámica disminuya”, dijo Backman. “El movimiento de facilitación que existe en las células vivas para ayudar a expresar los genes y cambiar su expresión en respuesta a los estímulos desaparece. Esperábamos eso “.
Lo que los investigadores no esperaban era presenciar un fenómeno biológico por primera vez. Una célula alcanza un “punto de no retorno” durante la descomposición, donde incluso si la fuente del daño celular se detiene, la célula no podría repararse a sí misma a un estado de funcionamiento, dijo Backman. Usando el PWS dual, los investigadores observaron que justo antes de este punto de inflexión, los genomas de las células explotan con un movimiento rápido e instantáneo, con diferentes partes de la célula moviéndose aparentemente al azar.
El equipo no tiene claro por qué o cómo ocurre el fenómeno, llamado paroxismo celular. Backman originalmente se preguntó si el movimiento podría deberse a que los iones ingresaran a la célula, pero tal proceso hubiera tomado demasiado tiempo. Los movimientos descoordinados de las estructuras celulares ocurrieron en milisegundos.
“Simplemente no hay nada en biología que se mueva tan rápido”, dijo Backman. Añadió que los miembros de su laboratorio estaban tan sorprendidos por los resultados que bromearon que el fenómeno podría explicarse como “Midiclorianos” que abandonan la celda, una referencia a la encarnación química de “la Fuerza” en las películas de Star Wars.
Aunque los paroxismos celulares siguen siendo un misterio por ahora, Backman cree que los hallazgos del equipo resaltan la importancia de estudiar el comportamiento macromolecular de las células vivas. Cuantos más conocimientos puedan obtener los investigadores acerca de la cromatina, más probable será que algún día puedan regular la expresión de los genes, lo que podría cambiar la forma en que las personas son tratadas por enfermedades como el cáncer y el Alzheimer.
Esta investigación fue publicada en Nature Communications.