Por Canuto  

Investigadores del MIT y del Instituto Broad desarrollaron U-STORM, una plataforma que utiliza nanopartículas de upconversion para obtener imágenes moleculares multicolor con una precisión de localización de 0,6 Å y un solo láser infrarrojo cercano.
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  • U-STORM puede registrar más de 88.000 eventos de localización de una misma nanopartícula.
  • La plataforma permite visualizar estructuras moleculares con precisión sub-ångstrom y emitir varios colores simultáneamente.
  • El método elimina la necesidad de múltiples láseres, soluciones de imagen complejas, eliminadores de oxígeno y modulación óptica externa.

 

Investigadores del Massachusetts Institute of Technology y del Instituto Broad de MIT y Harvard desarrollaron una plataforma de microscopía de superresolución llamada U-STORM. El sistema busca superar las limitaciones que durante décadas restringieron la observación detallada de estructuras moleculares.

U-STORM significa Microscopía de Reconstrucción Óptica Estocástica Habilitada por Upconversion. Su principal innovación consiste en emplear nanopartículas de upconversion diseñadas para parpadear espontáneamente bajo una excitación continua de infrarrojo cercano.

De acuerdo con MIT News, la tecnología puede alcanzar una precisión de localización de 0,6 Å. Esa cifra corresponde a una escala sub-ångstrom, tres órdenes de magnitud más allá de los límites de nanómetro asociados con los tintes fluorescentes estándar.

El avance también simplifica el equipamiento necesario para realizar microscopía de superresolución multicolor. U-STORM funciona con un solo láser y captura diferentes colores de manera simultánea, en lugar de exigir varias rondas de medición.

Una barrera histórica para la microscopía

La difracción limita la capacidad de los sistemas ópticos convencionales para distinguir objetos demasiado cercanos entre sí. En el ámbito biológico, esa restricción dificulta separar moléculas agrupadas dentro de proteínas, membranas y otras estructuras celulares.

Las técnicas de superresolución basadas en localización, como STORM, enfrentan el problema mediante la identificación individual de emisores luminosos. Para lograrlo, necesitan que las moléculas cambien de manera estocástica entre estados encendidos y apagados.

Ese comportamiento, conocido como parpadeo, permite registrar señales separadas de moléculas que aparecen demasiado juntas en una imagen convencional. Al acumular muchas localizaciones, los investigadores pueden reconstruir una representación más precisa de la estructura observada.

Los tintes fluorescentes tradicionales suelen perder intensidad con rapidez cuando reciben iluminación. Ese desgaste limita la cantidad de datos que un microscopio puede recoger y complica los experimentos que necesitan observaciones prolongadas.

Las nanopartículas de upconversion, en cambio, se consideraban durante años fotostables y no parpadeantes. Por esa razón, la comunidad científica las veía como materiales poco adecuados para las técnicas de microscopía que dependen de cambios estocásticos en la emisión luminosa.

El diseño de las nanopartículas U-STORM

El equipo dirigido por Sam Peng, profesor asistente de Química de Pfizer Inc. y Gerald Laubach, además de miembro principal del Instituto Broad, investigó cómo modificar las propiedades de esas nanopartículas. Su objetivo era combinar duración, precisión, operación sencilla y capacidad multicolor en una sola plataforma.

“Nuestro laboratorio ha estado interesado en superar estas limitaciones desde hace mucho tiempo”, afirmó Peng. El investigador explicó que el trabajo comenzó con la pregunta de si era posible desarrollar una tecnología de imagen de largo plazo, multicolor y fácil de operar, sin soluciones de imagen ni controles ópticos adicionales.

El grupo controló cuidadosamente la composición de nanopartículas con una arquitectura de núcleo y revestimiento. Las partículas tienen un tamaño aproximado de 10 nm y pueden ser inducidas a parpadear espontáneamente mientras reciben excitación infrarroja continua.

Según los investigadores, el parpadeo continúa indefinidamente sin requerir soluciones de imagen complejas. Tampoco necesita eliminadores de oxígeno ni modulación óptica externa, elementos que suelen aumentar las exigencias técnicas de los experimentos.

Este resultado modifica una idea establecida sobre los nanomateriales de upconversion. En lugar de tratarlos únicamente como emisores estables, el trabajo los presenta como componentes capaces de generar el comportamiento estocástico necesario para reconstruir imágenes de superresolución.

Precisión sub-ångstrom y captura multicolor

Un ångstrom es una unidad de medida utilizada por los químicos para describir distancias y tamaños a escala atómica. La plataforma U-STORM aprovechó esta unidad para cuantificar su capacidad de localizar señales con una precisión mucho más fina que la obtenida mediante tintes fluorescentes comunes.

Los investigadores registraron más de 88.000 eventos de localización de una misma partícula. La acumulación de esas observaciones permitió agudizar la precisión hasta 0,6 Å, un resultado que el equipo describe como inédito para esta clase de imagen.

La plataforma también aborda uno de los obstáculos habituales de la microscopía multicolor. Los sistemas convencionales pueden necesitar varios láseres costosos y una alineación óptica meticulosa para excitar y distinguir diferentes señales.

U-STORM emplea un solo láser de infrarrojo cercano para excitar al mismo tiempo nanopartículas que emiten colores distintos. Esa configuración reduce la complejidad del experimento y evita capturar cada color en rondas secuenciales separadas.

El equipo demostró el funcionamiento multicolor al mapear dímeros y multímeros de receptores del factor de crecimiento epidérmico. Las mediciones se realizaron en muestras biológicas bajo condiciones fisiológicas y sin soluciones de imagen especializadas.

Implicaciones para la investigación biológica

La capacidad de observar organizaciones moleculares con mayor precisión puede ayudar a estudiar cómo se agrupan las proteínas dentro de las células. Esas configuraciones influyen en procesos como la comunicación celular y la activación de distintas rutas biológicas.

Los receptores del factor de crecimiento epidérmico representan un ejemplo relevante para este tipo de análisis. El trabajo del MIT y el Instituto Broad permitió examinar sus dímeros y multímeros sin apartarse de condiciones fisiológicas en las muestras.

La duración indefinida del parpadeo ofrece una ventaja adicional para los experimentos que necesitan reunir grandes volúmenes de datos. En principio, los investigadores pueden continuar las mediciones sin depender del rápido agotamiento de los tintes convencionales.

La simplificación del sistema también podría facilitar la adopción de imágenes moleculares avanzadas en más laboratorios. La plataforma no elimina la necesidad de conocimientos especializados, pero reduce la cantidad de componentes ópticos y químicos que deben coordinarse.

El resultado no constituye una aplicación comercial inmediata ni sustituye todos los métodos existentes. Su importancia radica en proponer una arquitectura de materiales y una estrategia de imagen que podrían ampliarse a diferentes preguntas de biología molecular.

Próximos pasos para U-STORM

El equipo trabaja para ampliar la paleta de colores disponible en la plataforma. Una mayor variedad cromática podría permitir identificar más componentes moleculares dentro de una misma muestra y comparar sus posiciones de manera simultánea.

Otra línea de desarrollo busca fabricar partículas aún más pequeñas y brillantes. El tamaño, la intensidad de emisión y la compatibilidad con muestras biológicas serán factores importantes para extender el uso de U-STORM.

Los investigadores también planean aplicar la tecnología al estudio de organizaciones complejas de proteínas a nanoescala. Esas observaciones podrían aportar información sobre la manera en que diferentes moléculas se reúnen y modifican su comportamiento dentro de las células.

Las rutas de señalización celular forman otro campo de interés para el grupo. U-STORM podría servir para seguir con mayor detalle la distribución espacial de componentes que participan en la transmisión de señales biológicas.

El estudio, titulado “Parpadeo espontáneo e indefinido en nanopartículas de upconversion para imágenes de superresolución multicolor de precisión ångstrom”, fue publicado el 27 de julio en Nature Nanotechnology. El equipo considera que la plataforma puede ofrecer a laboratorios de todo el mundo una vía accesible y potente hacia la imagen molecular de alta precisión.

Imagen original de DiarioBitcoin, creada con inteligencia artificial, de uso libre, licenciada bajo Dominio Público.

Este artículo fue escrito por un redactor de contenido de IA y revisado por un editor humano para garantizar calidad y precisión.


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