Los científicos abren nuevos horizontes para la microscopía criogénica

7 de junio de 2023

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por Sandrine Perroud, Escuela Politécnica Federal de Lausana

Los científicos de la EPFL han desarrollado un nuevo instrumento de investigación para observar muestras de tejido biológico preparadas con un método descubierto hace unos cuarenta años por el ganador del Premio Nobel Jacques Dubochet, profesor emérito de la Universidad de Lausana. Su instrumento, el único de su tipo en el mundo, abre nuevas y prometedoras vías de investigación.

Al profesor Anders Meibom y su grupo de investigación les tomó casi 10 años y varios prototipos antes de que finalmente lo lograran. Ahora han logrado mejorar un método de análisis conocido como espectrometría de masas de iones secundarios a nanoescala (NanoSIMS) mediante la construcción de una máquina CryoNanoSIMS, un instrumento que puede analizar la composición química e isotópica de muestras de tejido vitrificado.

El proceso de preparación de muestras que utilizaron fue desarrollado en la década de 1980 por el conocido biofísico de Vaud, Jacques Dubochet, quien ganó el Premio Nobel de Química 2017 por ese avance. Ese proceso, que forma la base de la microscopía electrónica criogénica moderna, conserva todos los constituyentes de una muestra biológica en su estado post-mortem más prístino. La máquina CryoNanoSIMS del grupo de investigación y los beneficios potenciales se describen en un artículo publicado en BMC Biology.

"Ahora podemos generar imágenes de dónde se almacena o usa un nutriente específico en una muestra de tejido o célula, o dónde ingresa o no ingresa un fármaco determinado. No hay otra forma de obtener esta información", dice Meibom. , quien dirige el Laboratorio de Geoquímica Biológica en la Escuela de Arquitectura, Ingeniería Civil y Ambiental de la EPFL y quien también es profesor en la Universidad de Lausana (UNIL).

Con la máquina CryoNanoSIMS, los científicos pueden tomar muestras de tejido biológico preparadas criogénicamente, en las que no se han perdido ni desplazado moléculas, y observar directamente la distribución subcelular exacta de compuestos esenciales para el tratamiento de infecciones bacterianas y cáncer, por ejemplo. Los científicos también pueden usar la máquina para visualizar la distribución de oligoelementos en el tejido vegetal, que es de vital importancia para mejorar el crecimiento de las plantas y la producción de cultivos y rastrear los contaminantes ambientales en el suelo y las biopelículas. Y todo esto se puede hacer a una resolución espacial subcelular. "Nuestro instrumento CryoNanoSIMS crea oportunidades de investigación completamente nuevas", dice Meibom.

"En mi laboratorio, estamos en pleno desarrollo de un intenso programa de investigación en torno a esta capacidad única". El laboratorio CryoNanoSIMS de Meibom se encuentra en la UNIL, donde forma parte del Centro de análisis avanzado de superficies, un consorcio de laboratorios de la UNIL y la EPFL que utilizan equipos de última generación para realizar análisis superficiales elementales e isotópicos para una amplia gama de temas de investigación que van desde la geología hasta la biología. Al comentar sobre el nuevo instrumento, Dubochet lo anuncia como "una importante expansión del campo de la química biológica".

La tecnología NanoSIMS ya revolucionó el campo de la imagen cuando se introdujo hace unos 20 años. Implica dirigir un haz de iones sobre una muestra y produce imágenes con una resolución de 100 nm. Pero todos los métodos de preparación de muestras asociados dan como resultado cierto grado de distorsión de la morfología del tejido y pérdida de compuestos solubles. Para superar estos obstáculos, Meibom y su equipo desarrollaron un proceso criogénico para preparar muestras y agregaron nuevos componentes físicos, incluido un tanque de nitrógeno líquido, a una máquina NanoSIMS para que pueda acomodar muestras criogénicas.

"Fue extremadamente difícil convertir un instrumento que funciona a temperatura ambiente en uno que pueda analizar muestras de tejido congelado mientras mantiene la muestra fría y estable durante horas y horas. Pero lo logramos y ahora podemos obtener información completamente nueva", dice Meibom. "Nada de esto hubiera sido posible sin las habilidades de ingeniería mecánica de los talleres de EPFL y de las empresas suizas con las que trabajamos para lograr el grado de precisión requerido para piezas específicas".

Los autores del estudio probaron su método CryoNanoSIMS en muestras de Green Hydra, un pequeño animal que vive en estanques y lagos de agua dulce, incluso en Suiza. Con el CryoNanoSIMS pudieron observar directamente cómo este animal toma y asimila el amonio, un nutriente clave para muchos organismos acuáticos.

El siguiente paso será aplicar el método a los corales, otra área de especialización en el laboratorio de Meibom, para que los científicos puedan estudiar los mecanismos de simbiosis entre las algas y los corales y determinar los factores que conducen a la decoloración y muerte de los corales.

Más información: Anders Meibom et al, Imágenes crio-SEM y CryoNanoSIMS correlacionadas de tejido biológico, BMC Biology (2023). DOI: 10.1186/s12915-023-01623-0

Información del diario:Biología BMC

Proporcionado por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne