Ver lo que el ojo desnudo no puede: 4 lecturas esenciales sobre cómo los científicos ponen el mundo microscópico a la vista

Editor asociado de salud y biomedicina

Profesor y Director del Programa de Neurociencia, Northern Kentucky University

Profesor de Biología Computacional y de Sistemas, Vicerrector Senior Asociado de Estrategia y Planificación Científica, Universidad de Pittsburgh

Líder del programa científico en los Institutos Gladstone, Universidad de California, San Francisco

Profesor asociado de ciencias neuronales y del comportamiento, Penn State

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El microscopio es un símbolo icónico de las ciencias de la vida, y con razón. Desde el descubrimiento de la existencia de las células hasta la estructura del ADN, la microscopía ha sido una herramienta por excelencia en este campo, abriendo nuevas dimensiones del mundo vivo no sólo para los científicos sino también para el público en general.

Para las ciencias de la vida, donde comprender la función de un ser vivo a menudo requiere interpretar su forma, las imágenes son vitales para confirmar teorías y revelar lo que aún se desconoce.

Esta selección de historias del archivo de The Conversation presenta algunas formas en que la microscopía ha contribuido a diferentes formas de conocimiento científico, incluidas técnicas que llevan la visualización más allá de la vista.

A lo largo de los últimos siglos, el microscopio ha experimentado una evolución gradual pero significativa. Cada avance ha permitido a los investigadores ver estructuras y biomoléculas cada vez más pequeñas y frágiles con una resolución cada vez mayor: desde las células hasta las estructuras dentro de las células, las estructuras dentro de las estructuras dentro de las células y hasta los átomos.

Pero todavía existe una brecha de resolución entre las estructuras más pequeñas y más grandes de la célula. El biofísico Jeremy Berg hizo una analogía con Google Maps: aunque los científicos podían ver la ciudad en su conjunto y las casas individuales, no podían distinguir los barrios.

"Ver estos detalles a nivel de vecindario es esencial para poder comprender cómo funcionan juntos los componentes individuales en el entorno de una célula", escribe.

Los científicos están trabajando para cerrar esa brecha de resolución. Las mejoras en la microscopía de superresolución ganadora del Premio Nobel de 2014, por ejemplo, han mejorado el estudio de procesos prolongados como la división celular al capturar imágenes en una variedad de tamaños y escalas de tiempo simultáneamente, aportando claridad a los detalles que los microscopios tradicionales tienden a desdibujar.

Otra técnica, la microscopía crioelectrónica, o crio-EM, ganó un Premio Nobel en 2017 por mostrar moléculas dinámicas aún más complejas al congelarlas instantáneamente. Esto crea una capa protectora similar a un vidrio alrededor de las muestras mientras son bombardeadas por un haz de electrones para crear su sesión fotográfica. Cryo-ET, un tipo especializado de crio-EM, puede construir imágenes en 3D de estructuras moleculares dentro de sus entornos naturales.

Estas técnicas no solo generan imágenes con resolución atómica o cercana, sino que también preservan la forma natural de biomoléculas de interés difíciles de capturar. Los investigadores pudieron utilizar crio-EM, por ejemplo, para capturar la esquiva estructura de la proteína en la superficie del virus de la hepatitis C que cambia de forma, proporcionando información clave para una futura vacuna.

Nuevas mejoras en la agudeza visual de la ciencia revelarán más detalles finos de los componentes básicos de la vida.

"Preveo ver nuevas teorías sobre cómo entendemos las células, pasando de bolsas desorganizadas de moléculas a sistemas intrincadamente organizados y dinámicos", escribe Berg.

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Las imágenes microscópicas a menudo se enmarcan como instantáneas: partes circunscritas de un todo que se han ampliado para revelar sus características ocultas. Pero nada en un organismo funciona de forma aislada. Después de discernir los componentes individuales, los científicos tienen la tarea de trazar cómo interactúan entre sí en el macrosistema del cuerpo. Descubrir esto requiere no sólo identificar cada componente que forma una célula, tejido y órgano en particular, sino también colocarlos en relación entre sí; en otras palabras, hacer un mapa.

Los investigadores han estado trazando un mapa del cerebro uniendo múltiples instantáneas como un mosaico de fotografías. Utilizan diferentes técnicas para etiquetar un tipo de célula específica y luego obtener imágenes de todo el cerebro en alta resolución. Capa por capa, cada recorrido crea un modelo cada vez más detallado y completo. El neurocientífico Yongsoo Kim compara el proceso con una imagen satelital del cerebro. La combinación de millones de estas fotografías permite a los investigadores acercarse a la maleza y alejarse a vista de pájaro.

Pero construir un mapa de una ciudad, por detallado que sea, no es lo mismo que comprender su ritmo y atmósfera. Del mismo modo, saber dónde está ubicada cada célula entre sí no necesariamente les dice a los investigadores cómo funcionan o interactúan. Tan importante como trazar el paisaje de un órgano es idear una teoría funcional sobre cómo encaja todo y funciona como un todo. Actualmente, señala Kim, el análisis va por detrás de los avances técnicos en la recopilación de datos.

"El mapeo cerebral increíblemente rico y de alta resolución presenta una gran oportunidad para que los neurocientíficos reflexionen profundamente sobre lo que dicen estos nuevos datos sobre cómo funciona el cerebro", escribe Kim. "Aunque todavía hay muchas incógnitas sobre el cerebro, estas nuevas herramientas y técnicas podrían ayudar a sacarlas a la luz".

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Cada mejora en la tecnología trae consigo una mejora paralela en los datos que recopila, tanto en calidad como en cantidad. Pero esos datos sólo son útiles en la medida en que los investigadores sean capaces de analizarlos: una alta granularidad no es útil si esos detalles no son apreciables, y un alto rendimiento no es beneficioso si es demasiado abrumador para organizarlos.

Los microscopios automatizados, por ejemplo, han hecho posible tomar imágenes de células en intervalos de tiempo, lo que genera cantidades masivas de datos que requieren un tamizado manual. El neurocientífico Jeremy Linsley y su equipo encontraron este dilema en su propio trabajo sobre enfermedades neurodegenerativas. Han dependido de un ejército de pasantes para rastrear cientos de miles de imágenes de neuronas y contar cada muerte, un proceso lento y costoso.

Entonces recurrieron a la inteligencia artificial. Los investigadores pueden entrenar un modelo de IA para que reconozca patrones específicos alimentándolo con muchas imágenes de muestra, señalando estructuras de interés y extrapolando el algoritmo a nuevos contextos. Linsley y su equipo desarrollaron un modelo para distinguir entre neuronas vivas y muertas con mayor velocidad y precisión que personas entrenadas para realizar la misma tarea.

También abrieron la caja negra del modelo para descubrir cómo encontraba células muertas, revelando nuevas señales de muerte neuronal de las que los investigadores no eran conscientes anteriormente porque no eran obvias para el ojo humano.

"Al eliminar las conjeturas humanas, (los modelos de IA) aumentan la reproducibilidad y la velocidad de la investigación y pueden ayudar a los investigadores a descubrir nuevos fenómenos en imágenes que de otro modo no habrían podido reconocer fácilmente", escribe Linsley.

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Incluso antes de tener los instrumentos para ampliar las muestras, los investigadores tenían en su arsenal una herramienta para estudiar el mundo vivo que todavía utilizan hoy en día: el arte.

Hace siglos, científicos y artistas examinaron plantas, animales y anatomía a través de la ilustración. Los bocetos de especies desconocidas en sus entornos naturales ayudaron a su clasificación, y los dibujos del cuerpo humano avanzaron en el estudio de su estructura y función. Con la ayuda de la imprenta, estas representaciones artísticas (que más tarde incluyeron la vista bajo las lentes de los primeros microscopios) popularizaron el conocimiento científico sobre el mundo natural.

Aunque desde entonces los dibujos a mano han dado paso a técnicas avanzadas de imágenes y modelos informáticos, el legado de comunicar la ciencia a través del arte continúa. Las publicaciones científicas y los concursos de BioArte destacan imágenes y videos de laboratorio para compartir el asombro y la maravilla de estudiar el mundo natural con el público en general. El uso de visualizaciones en las aulas y museos de arte también puede promover la alfabetización científica al brindarles a los estudiantes la oportunidad de mirar a través del ojo del microscopio como lo haría un científico.

El biólogo y juez de los premios BioArt Chris Curran cree que hacer visibles los procesos y conceptos de la ciencia puede otorgar una mayor profundidad de comprensión del mundo natural necesaria para ser un ciudadano informado.

"El hecho de que esas imágenes y vídeos sean a menudo hermosos es un beneficio añadido", escribe.

Y las cualidades abstractas de la ciencia pueden hacerse tangibles de maneras que no implican la vista. Las proteínas, por ejemplo, pueden traducirse en música mapeando sus propiedades físicas en sonido: los aminoácidos se convierten en notas, mientras que los bucles estructurales se convierten en tempos y motivos. Los biólogos computacionales Peng Zhang y Yuzong Chen mejoraron la musicalidad de estas técnicas de mapeo basándolas en diferentes estilos musicales, como el de Chopin. En consecuencia, una proteína que previene la formación de cáncer, la p53, suena como una tocata, y la proteína que se une a la hormona y neurotransmisor oxitocina revolotea con motivos recurrentes.

Enmarcar imágenes científicas como arte a menudo no requiere más que un cambio de perspectiva. Y muchos investigadores estarían de acuerdo en que descubrir la poesía de la ciencia puede ayudar a revelar el arte de la vida.

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