Filman el interior de una célula en 3D a 19,2 imágenes por segundo

Durante siglos, mirar dentro de una célula ha sido mirar una fotografía fija. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Tokio, en colaboración con otras instituciones, ha dado un paso hacia algo distinto: grabar el interior celular en tres dimensiones y en movimiento, a 19,2 imágenes por segundo.

La técnica, que reconstruye una imagen completa del interior de la célula aproximadamente cada 52 milisegundos, es una evolución de la tomografía de difracción óptica fototérmica de infrarrojo medio. Sus resultados se han publicado en la revista científica Nature Communications.

La cifra importa por una razón sencilla: permite hablar de vídeos tridimensionales de procesos celulares. Hasta ahora, las versiones más rápidas de este tipo de técnicas apenas lograban una imagen cada 20 segundos, un ritmo insuficiente para captar lo que sucede dentro de una célula viva.

Un vídeo del interior celular, sin cortes ni destrucción

Una célula no es una estructura inmóvil. En su interior se producen movimientos, transformaciones e interacciones que una fotografía no puede mostrar. Esa es precisamente la limitación que el nuevo método intenta superar: pasar de la imagen estática a la secuencia en movimiento.

El sistema combina dos tipos de iluminación para reconstruir la composición interna de las células sin destruirlas y sin realizar cortes físicos. Esto significa que la muestra no se sacrifica para ser observada, una condición clave si lo que se quiere es seguir un proceso a lo largo del tiempo.

Además, el procedimiento permite obtener información química cuantitativa sin recurrir a marcadores externos. Por eso pueden estudiarse células vivas sin depender necesariamente de sustancias añadidas, un detalle relevante cuando se quiere observar la célula en condiciones lo más naturales posible.

De los microscopios de Hooke a las técnicas tridimensionales

El camino hasta aquí ha sido largo. En 1665, Robert Hooke utilizó un microscopio para examinar una lámina de corcho y, al observar pequeñas estructuras que recordaban a las celdas de un panal, decidió llamarlas células. Ese gesto de observación y bautizo marcó el comienzo de la biología celular tal como hoy se entiende.

Casi una década después, Anton van Leeuwenhoek perfeccionó las lentes de sus instrumentos y observó microorganismos, entre ellos bacterias y protozoos. Con él, el microscopio dejó de ser solo una herramienta para ver estructuras y se convirtió en una ventana a seres vivos invisibles a simple vista.

Después de los microscopios ópticos se desarrollaron tecnologías que utilizan electrones en lugar de luz, y también instrumentos que detectan variaciones diminutas en las superficies y estudian estructuras a escalas casi atómicas. Cada generación de instrumentos amplió lo que se podía ver, pero las observaciones seguían siendo, en general, estáticas.

Ya existían, además, sistemas capaces de obtener imágenes tridimensionales de muestras biológicas. El problema era su lentitud: resultaban demasiado lentos para registrar procesos dinámicos. Como máximo, lograban 0,05 imágenes por segundo, es decir, una cada 20 segundos, de modo que lo que ocurría entre una toma y la siguiente quedaba fuera de campo.

Cómo funciona: infrarrojo, luz visible y once ángulos

El método se apoya en dos tipos de luz que trabajan de forma complementaria. El primero es luz infrarroja, invisible para el ojo humano, que provoca vibraciones en los enlaces químicos que mantienen unidos los átomos de las moléculas de la muestra.

Cada tipo de molécula responde de manera particular a esa iluminación infrarroja. Gracias a ello, el sistema obtiene información sobre la composición química de las distintas estructuras celulares: no solo dónde hay algo, sino de qué está hecho.

Para reducir interferencias, el dispositivo enciende y apaga la iluminación infrarroja desde 11 ángulos diferentes y compara las señales obtenidas. Ese ir y venir permite separar lo que realmente procede de la muestra del ruido que pueda colarse en la medición.

A continuación entra en juego la luz visible. Su desviación al atravesar los componentes celulares depende de las propiedades de las moléculas, de modo que, a partir de esa desviación, es posible reconstruir tanto su composición como su distribución espacial.

Repitiendo las mediciones desde distintos ángulos, el dispositivo genera una representación tridimensional del interior celular. Es el mismo principio que permite reconstruir un volumen a partir de múltiples vistas, aplicado aquí a la química interna de la célula.

Las cifras que sostienen el avance

El salto de velocidad es el dato central del trabajo. Las versiones más rápidas anteriores alcanzaban 0,05 imágenes por segundo, es decir, una cada 20 segundos. La nueva técnica llega a 19,2 imágenes por segundo, lo que supone ser unas 400 veces más rápida que los métodos previos.

Para entender qué significan 19,2 imágenes por segundo, el planteamiento del trabajo recurre a una comparación con la historia del cine. Las primeras grabaciones cinematográficas, como Roundhay Garden Scene, filmada en 1888, utilizaban aproximadamente entre 10 y 12 fotogramas por segundo.

La referencia habitual en el cine es de 24 fotogramas por segundo. Con 19,2 imágenes por segundo, la técnica se acerca a esa cifra y supera con holgura el ritmo de aquellas primeras películas, lo que justifica hablar de vídeo y no de una sucesión de instantáneas aisladas.

Qué estaba frenando a las técnicas anteriores

Masato Fukushima, investigador doctoral del Departamento de Física y uno de los autores del trabajo, explica cuál era el cuello de botella. Según su planteamiento, el principal obstáculo de las técnicas anteriores estaba relacionado con el tiempo necesario para promediar las señales y realizar mediciones desde diferentes ángulos.

El nuevo método consigue acelerar considerablemente esas operaciones sin renunciar a la información tridimensional. La ganancia de velocidad no se ha logrado, por tanto, sacrificando la tercera dimensión, que era justamente lo que hacía valiosas a estas técnicas.

Por qué importa para la biología y la medicina

Según se plantea, el avance permite estudiar procesos biológicos rápidos que hasta ahora resultaban inaccesibles. También abre la puerta a observar cómo se reorganizan las estructuras internas de la célula y cómo interactúan las moléculas entre sí.

Esa capacidad podría aportar información fundamental para comprender diferentes enfermedades. Los investigadores presentan la herramienta sobre todo con aplicaciones biomédicas, y no como un fin espectacular en sí mismo: lo relevante no es el vídeo, sino lo que el vídeo permite entender.

Qué viene ahora

Los investigadores esperan utilizar la herramienta para estudiar procesos biológicos rápidos. Takuro Ideguchi, otro de los investigadores participantes, señaló que el siguiente paso será abordar preguntas fundamentales de la biología que todavía no pueden responderse con las herramientas disponibles. No se han concretado plazos para ello.

Lo que todavía no se sabe

Lo publicado describe la técnica y su potencial, pero aún no detalla qué procesos celulares concretos se han observado con ella. Tampoco se indica la fecha de publicación del estudio, ni se nombran las otras instituciones colaboradoras ni el resto de autores.

Desde que Hooke bautizó las células en 1665 hasta hoy, cada nuevo instrumento ha ampliado la mirada. Este añade, según lo descrito, la velocidad necesaria para que el movimiento interno de la célula pueda verse en tres dimensiones.

Por la redacción de GUAY.news.