Presentan nueva forma de ver ‘matemáticamente’ cómo se organizan las células

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Una base de datos de 200 000 imágenes de células genera un nuevo marco matemático para comprender nuestros componentes básicos celulares.

Trabajando con cientos de miles de imágenes de alta resolución, el equipo del Instituto Allen para la Ciencia Celular, una división del Instituto Allen, puso números en la organización interna de las células humanas, un concepto biológico que hasta la fecha ha demostrado ser excepcionalmente difícil de cuantificar.

A través de ese trabajo, los científicos también capturaron detalles sobre la rica variación en la forma celular incluso entre células genéticamente idénticas cultivadas en condiciones idénticas.

“La forma en que se organizan las células nos dice algo sobre su comportamiento e identidad”, dijo Susanne Rafelski, Ph.D., directora adjunta del Instituto Allen para la Ciencia Celular, quien dirigió el estudio junto con el científico principal Matheus Viana, Ph.D.

“Lo que faltaba en el campo, ya que todos tratamos de comprender cómo cambian las células en la salud y la enfermedad, es una forma rigurosa de lidiar con este tipo de organización. Todavía no hemos aprovechado esa información”.

Este estudio proporciona una hoja de ruta para que los biólogos comprendan la organización de diferentes tipos de células de una manera cuantitativa y medible, dijo Rafelski.

También revela algunos principios organizativos clave de las células que estudia el equipo del Instituto Allen, que se conocen como células madre pluripotentes inducidas por humanos.

Comprender cómo las células se organizan en condiciones saludables, y la gama completa de variabilidad contenida dentro de lo “normal”, puede ayudar a los científicos a comprender mejor qué es lo que falla en la enfermedad.

El conjunto de datos de imágenes, las células madre modificadas genéticamente y el código que se incluyó en este estudio están disponibles públicamente para que los utilicen otros científicos de la comunidad.

“Parte de lo que hace que la biología celular parezca intratable es el hecho de que cada célula se ve diferente, incluso cuando son del mismo tipo de célula.

Este estudio del Instituto Allen muestra que esta misma variabilidad que ha plagado durante mucho tiempo el campo es, de hecho, una oportunidad para estudiar las reglas por las cuales se forma una célula”, dijo Wallace Marshall, Ph.D., Profesor de Bioquímica y Biofísica en la Universidad de California, San Francisco, y miembro del Consejo Asesor Científico del Instituto Allen para la Ciencia Celular.

“Este enfoque es generalizable a prácticamente cualquier célula, y espero que muchas otras adopten la misma metodología”.

En un cuerpo de trabajo lanzado hace más de siete años, el equipo del Instituto Allen primero construyó una colección de células madre modificadas genéticamente para iluminar diferentes estructuras internas bajo un microscopio fluorescente.

Con líneas celulares en la mano que etiquetan 25 estructuras individuales, los científicos capturaron imágenes 3D de alta resolución de más de 200,000 células diferentes.

Todo esto para hacer una pregunta aparentemente sencilla:

¿Cómo organizan nuestras células sus interiores?

Resultó que llegar a la respuesta es realmente complejo.

Imagine configurar su oficina con cientos de muebles diferentes, todos los cuales deben ser de fácil acceso y muchos de los cuales deben moverse libremente o interactuar según su tarea.

Ahora imagine que su oficina es una bolsa de líquido rodeada por una membrana delgada, y muchos de esos cientos de muebles son bolsas de líquido aún más pequeñas.

Hable acerca de una pesadilla de diseño de interiores.

Los científicos querían saber:

¿Cómo se organizan todas esas diminutas estructuras celulares en comparación entre sí?

¿La “estructura A” está siempre en el mismo lugar o es aleatoria?

El equipo se encontró con un desafío al comparar la misma estructura entre dos células diferentes.

Aunque las células bajo estudio eran genéticamente idénticas y se criaron en el mismo ambiente de laboratorio, sus formas variaban sustancialmente.

Los científicos se dieron cuenta de que sería imposible comparar la posición de la estructura A en dos celdas diferentes si una celda era corta y con manchas y la otra era larga y con forma de pera.

Así que pusieron números en esas gotas rechonchas y peras alargadas.

Usando análisis computacionales, el equipo desarrolló lo que ellos llaman un “espacio de forma” que describe objetivamente la forma externa de cada célula madre.

Ese espacio de forma incluye ocho dimensiones diferentes de variación de forma, cosas como la altura, el volumen, el alargamiento y la “pera-ness” y “bean-ness” acertadamente descritas.

Luego, los científicos podrían comparar manzanas con manzanas (o frijoles con frijoles), observando la organización de las estructuras celulares dentro de todas las células de forma similar.

“Sabemos que en biología, la forma y la función están interrelacionadas, y comprender la forma de las células es importante para comprender cómo funcionan las células”, dijo Viana.

“Hemos ideado un marco que nos permite medir la forma de una célula, y en el momento en que lo hace, puede encontrar células que tienen formas similares, y para esas células puede mirar dentro y ver cómo está todo organizado“.

Cuando observaron la posición de las 25 estructuras resaltadas, comparando esas estructuras en grupos de celdas con formas similares, encontraron que todas las celdas se instalaron de manera notablemente similar.

A pesar de las enormes variaciones en la forma de las células, su organización interna era sorprendentemente consistente.

Si observa cómo miles de trabajadores administrativos organizan sus muebles en un edificio de oficinas de gran altura, es como si cada trabajador pusiera su escritorio justo en el medio de su oficina y su archivador precisamente en la esquina más a la izquierda, sin importar el tamaño o la forma de la oficina.

Ahora supongamos que encontró una oficina con un archivador tirado en el piso y papeles esparcidos por todas partes, eso podría decirle algo sobre el estado de esa oficina en particular y su ocupante.

Lo mismo ocurre con las células.

Encontrar desviaciones del estado normal de las cosas podría dar a los científicos información importante sobre cómo cambian las células cuando pasan de estar estacionarias a móviles, se están preparando para dividirse o sobre qué falla a nivel microscópico en una enfermedad.

Los investigadores observaron dos variaciones en su conjunto de datos: células en los bordes de colonias de células y células que se estaban dividiendo para crear nuevas células hijas, un proceso conocido como mitosis.

En estos dos estados, los científicos pudieron encontrar cambios en la organización interna que se correlacionaban con los diferentes entornos o actividades de las células.

“Este estudio reúne todo lo que hemos estado haciendo en el Instituto Allen para la Ciencia Celular desde que se lanzó el instituto”, dijo Ru Gunawardane, Ph.D., Director Ejecutivo del Instituto Allen para la Ciencia Celular.

“Construimos todo esto desde cero, incluidas las métricas para medir y comparar diferentes aspectos de cómo se organizan las células.

Lo que realmente me emociona es cómo nosotros y otros en la comunidad ahora podemos aprovechar esto y hacer preguntas sobre biología celular que nunca antes pudimos hacer”.

Fuente: Allen Institute