Pinzas a nanoescala que pueden realizar “biopsias” a moléculas individuales

Las “nano-pinzas” recientemente desarrolladas por investigadores universitarios pueden, por primera vez, extraer moléculas individuales de células vivas sin destruirlas, lo que resuelve un problema de investigación de larga data.

La investigación podría ayudar a los científicos a construir un “atlas de células humanas”, proporcionando nuevos conocimientos sobre cómo funcionan las células sanas y qué funciona mal en las enfermas.

El Dr. Paolo Actis, de la Escuela de Ingeniería Electrónica y Eléctrica de la Universidad de Leeds, ha sido una parte clave del programa de investigación, colaborando con profesores de química en el Imperial College de Londres.

El Dr. Actis acaba de recibir 4 millones de euros de la Comisión Europea para liderar un nuevo proyecto llamado SENTINEL que capacitará a investigadores académicos y de la industria para aplicar este tipo de técnicas de “nanoelectroquímica” a los desafíos de la comprensión de la resistencia del cáncer a la terapia, a la neurodegeneración. El proyecto también tendrá como objetivo desarrollar la próxima generación de materiales energéticos.

Electrodos de carbono

Las pinzas están formadas por una barra de vidrio afilada que termina con un par de electrodos hechos de un material a base de carbono muy parecido al grafito. La punta tiene menos de 50 nanómetros de diámetro y está dividida en dos electrodos, con un espacio de 10 a 20 nanómetros entre ellos.

Un nanómetro es una millonésima de milímetro.

Al aplicar una tensión alterna, esta pequeña brecha crea un potente campo eléctrico altamente localizado que puede atrapar y extraer los pequeños contenidos de las células, como el ADN y los factores de transcripción, moléculas que pueden cambiar la actividad de los genes.

El Dr. Actis, en la imagen de arriba, dijo: “Estamos ampliando continuamente nuestro conocimiento sobre cómo funcionan las células, pero quedan muchas preguntas sin responder. Esto es especialmente cierto para las células individuales que son del mismo tipo, como las células cerebrales, musculares o grasas, pero tienen composiciones muy diferentes a nivel de una sola molécula.

“Catalogar la diversidad de células aparentemente idénticas puede ayudar a los investigadores a comprender mejor los procesos celulares fundamentales y diseñar modelos mejorados de enfermedades, e incluso nuevas terapias específicas para el paciente.

“Sin embargo, los métodos tradicionales para estudiar estas diferencias suelen implicar reventar la célula, lo que hace que todos sus contenidos se mezclen. Esto se traduce en la pérdida de información espacial: cómo se distribuyeron los contenidos entre sí, y la información dinámica, como los cambios moleculares en la célula a lo largo del tiempo.

“El desarrollo de estas pinzas a nanoescala por lo tanto resuelve un problema importante y podría ayudar a los científicos en el futuro a mejorar la comprensión de cómo funcionan nuestros cuerpos”.

Campo eléctrico

El método se basa en un fenómeno llamado dielectroforesis. Las pinzas generan un campo eléctrico suficientemente alto que permite atrapar ciertos objetos, como moléculas individuales y partículas. La capacidad de seleccionar moléculas individuales de una célula lo diferencia de las tecnologías alternativas.

La técnica podría potencialmente usarse para llevar a cabo experimentos que actualmente no son posibles. Por ejemplo, las células nerviosas requieren mucha energía para disparar mensajes alrededor del cuerpo, por lo que contienen muchas mitocondrias para ayudarles a funcionar. Sin embargo, al agregar o eliminar las mitocondrias de las células nerviosas individuales, los investigadores podrían comprender mejor su papel, particularmente en las enfermedades neurodegenerativas.

La nueva técnica

El profesor Joshua Edel, del Departamento de Química del Imperial College de Londres, quien dirigió el programa de investigación, dijo: “Con nuestras pinzas, podemos extraer la cantidad mínima de moléculas que necesitamos de una célula en tiempo real, sin dañarla.”

“Hemos demostrado que podemos manipular y extraer varias partes diferentes de diferentes regiones de la célula, incluidas las mitocondrias del cuerpo celular, el ARN de diferentes ubicaciones en el citoplasma e incluso el ADN del núcleo”.

El Dr. Alex Ivanov, también de Imperial, explicó que las pinzas a nanoescala podrían ser una adición vital a la caja de herramientas de los científicos para manipular células individuales y sus partes.

La extracción de moléculas individuales de la misma célula con una resolución espacial sin precedentes y en múltiples puntos en el tiempo podría proporcionar una comprensión más profunda de los procesos celulares y establecer por qué las células del mismo tipo pueden ser muy diferentes entre sí, dijo.

En Leeds, la Dra. Actis está trabajando junto con la Dra. Lucy Stead, de la Facultad de Medicina y Salud, para utilizar esta técnica para estudiar cómo los tumores cerebrales resisten la terapia, en un proyecto financiado por la  Brain Tumour Charity.

El desarrollo de las pinzas a nanoescala y su aplicación es un excelente ejemplo del tipo de trabajo interdisciplinario que llevará a cabo el nuevo Bragg Centre for Materials Research de la Universidad, y el Henry Royce Institute, del cual Leeds es miembro fundador.

 

Referencia:

Nadappuram, B. P., Cadinu, P., Barik, A., Ainscough, A. J., Devine, M. J., Kang, M., . . . Edel, J. B. (2018). Nanoscale tweezers for single-cell biopsies. Nature Nanotechnology. doi:10.1038/s41565-018-0315-8

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