Conseguir ver, y quizás ayudar a entender, al SARS-CoV-2 usando electrones y mucho frío

Firma invitada

Daniel E. Martínez-Tong

Llevamos más de un año conviviendo con el SARS-CoV-2, el virus causante de la enfermedad COVID-19. En este camino, la comunidad científica ha realizado miles de investigaciones, con el objetivo de entender con lujo de detalles todos los aspectos médicos, biológicos, físicos y químicos de este inesperado huésped. Sin embargo, hasta hace pocas semanas no contábamos con una imagen real del virión, es decir, una reproducción microscópica conseguida a través de un único experimento y una única muestra. Todas las imágenes que se habían mostrado hasta el momento en publicaciones científicas y notas de prensa eran representaciones artísticas, modelos obtenidos a partir de simulaciones computacionales, o imágenes microscópicas de múltiples muestras y ensayos.

Ahora, a finales de enero de 2021, un consorcio de investigación integrado por personal científico de la Universidad Tsinghua (China), la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Adbalá (KAUST, Arabia Saudí) y la empresa Nanographics (Austria), ha presentado ante el mundo la primera imagen tridimensional de un único virión de SARS-CoV-2. Esta proyección de alta resolución en tres dimensiones permite tener evidencia experimental de cómo es la geometría de los distintos componentes del SARS-CoV-2. Esta información es de máxima importancia a la hora de estudiar cómo podrían llegar a ser las interacciones físicas entre el virus y sus alrededores, en particular con el sistema inmune.

Imágenes de tomografía crioelectrónica del SARS-CoV-2. (Izq) Imagen de un conjunto de viriones. (Der) Imagen de un único virión, en falso color. Fuente: Nanographics GmbH

Para conseguir la imagen del virión, el consorcio empleó la metodología experimental llamada tomografía crioelectrónica (cryo-ET, por sus siglas en inglés). Esta es una de las técnicas de imagen más importantes a día de hoy, hasta el punto que fue seleccionada como la metodología experimental más importante en el año 2015 por la revista Nature, y sus creadores fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en el año 2017. De manera general, cryo-ET funciona de forma similar a otras tecnologías ampliamente usadas para diagnósticos médicos hoy en día, como la tomografía computarizada o las imágenes por resonancia magnética, donde se hacen reconstrucciones tridimensionales a partir de un conjunto de imágenes en dos dimensiones. Sin embargo, de forma particular, cryo-ET permite visualizar tanto la superficie como el interior de objetos con tamaños tan pequeños como unos pocos nanómetros. Esto hace posible obtener información sobre complejos macromoleculares a la escala del nanómetro, y por tanto estudiar orgánulos y biomoléculas dentro de células. Además, esta tecnología permite estudiar a las moléculas en su ambiente natural; es decir, donde existe la funcionalidad biológica.

La metodología detrás de cryo-ET es fundamentalmente la misma que para cualquier otra técnica de tomografía. Primero, se realizan imágenes de un volumen del material, en este caso de un virión, desde distintos ángulos. Luego, este conjunto de imágenes se procesan computacionalmente para obtener una proyección tridimensional. No obstante, para poder conseguir imágenes de estructuras de tan solo algunos nanómetros de tamaño, y en un estado de funcionalidad biológica, cryo-ET hace uso de las siguientes condiciones. Para empezar, la muestra debe ser congelada muy rápidamente, generalmente usando etano o propano líquido. Así, el material a investigar queda “fijado” en un estado similar al de su funcionalidad biológica. A continuación, la muestra congelada se secciona, es decir, se corta en rebanadas muy finas; de pocos nanómetros de espesor. Para ello se suele usar un haz de iones focalizados, que permite hacer cortes muy finos y precisos.

Las rebanadas del material congelado se introducen en un microscopio electrónico de transmisión. Esta clase de microscopios permite visualizar objetos con dimensiones cercanas al átomo, gracias al uso de electrones. Dentro del microscopio, la muestra se gira para capturar imágenes desde tantos ángulos como sea posible. Finalmente, las imágenes se alinean y juntan usando técnicas computacionales para reconstruir una proyección tridimensional. Así, es posible obtener un modelo 3D de la muestra, tan preciso como cada captura de imagen haya sido. Es importante aclarar que las imágenes que se obtienen, y que muchas veces se muestran en publicaciones y prensa, son de “falso color”. Esto quiere decir que el equipo de investigación ha decidido ponerle los colores que consideró adecuados para la interpretación de la imagen por la comunidad científica y su presentación al público en general. Esto se debe a que los electrones son partículas [*] de tamaño muy pequeño (menores que un átomo), que los seres humanos no somos capaces de ver con nuestros ojos.

Las imágenes de alta calidad como la generada para el SARS-CoV-2 deben considerarse de alto impacto, trabajo arduo, y mucha destreza, porque consiguen superar muchos de los desafíos actuales que presenta la técnica de cryo-ET. Por ejemplo, la preparación de la muestra dista de ser un proceso sencillo. Hay que congelar tan rápidamente que no se formen cristales de hielo y mantener ese estado durante todo el proceso. También es importante considerar que la interacción entre los electrones y la muestra puede causar daños por irradiación. Para solucionar este problema, una alternativa consiste en disminuir la energía de los electrones que llegan al material. Sin embargo, esto trae como consecuencia la obtención de imágenes ruidosas o poco definidas. En este punto la reconstrucción por ordenador juega un papel fundamental. Usando algoritmos de corrección sofisticados es posible acentuar las diferentes características de una estructura, incluso cuando se obtienen imágenes ruidosas.

Más allá de imágenes de alta resolución, en los últimos años cryo-ET ha permitido investigar la patología celular y molecular de las enfermedades. Por ejemplo, en el caso particular del SARS-CoV-2, el año pasado el grupo de la Universidad Tshinghua usó esta técnica para estudiar la arquitectura molecular del virus, permitiendo entender cómo era posible que una cápside pequeña (~80 nm de diámetro) fuera capaz de encapsular alrededor de 30 kilobases de ARN (Yao et al., Cell, Vol 138, pp. 730-738, 2020). De manera complementaria, en otra publicación científica reciente, una colaboración entre equipos de investigación en Heilderberg (Alemania), consiguió caracterizar la estructura y replicación de este virus, usando cryo-ET (Kelin et al., Nature Communications, Vol 11, 5885, 2020). Estos ejemplos son solo una muy breve muestra de la gran capacidad que esta técnica puede tener en el estudio de sistemas biológicos y de cómo la microscopía, más allá de imágenes, puede proveer información detallada y precisa acerca del comportamiento de materiales y sistemas.

Nota:

[*] También podemos considerar a los electrones como ondas, con una longitud de onda muy pequeña.

Sobre el autor: Daniel E. Martínez-Tong es investigador postdoctoral Juan de la Cierva en la Facultad de Química de la UPV/EHU (Donostia) y en el Centro de Física de Materiales (UPV/EHU-CSIC).

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