jueves, 16 de mayo de 2013

Receta para hacer un encéfalo transparente


El paso 10 de abril aparecía publicado en Nature un método que “hacía transparentes” los encéfalos, llamado CLARITY y que, por su espectacularidad, ocupó periódicos y noticiarios televisivos. Pasado un tiempo razonable, creo que puede resultar interesante para alguno saber cuál es el fundamento de la técnica, que es un prodigio de química aplicada.

Permítaseme ir directamente al grano. Para una introducción general este artículo es tan bueno como cualquier otro (contiene un error en los datos, te dejo que lo averigües, tras leer lo que sigue).

El encéfalo, como cualquier otro órgano del cuerpo, está formado por células, muy especializadas sí, pero células al fin y al cabo. Las células, simplificando mucho, no son más que una serie de orgánulos nadando en un líquido llamado citoplasma contenido por una doble capa lipídica, que es lo que llamamos membrana. Algunos de esos orgánulos, como el núcleo, también están contenidos por dobles capas lipídicas.

Estas membranas son permeables de forma selectiva, esto es, dejan pasar determinadas moléculas pero no otras, en concreto es muy difícil que dejen pasar macromoléculas. Por otra parte la interfase entre la doble capa lipídica y el citoplasma por un lado y por otro la interfase acuosa exterior a la célula provocan la dispersión de la luz. Estos dos fenómenos indican que ni podemos enviar tintes, u otras macromoléculas, al interior de la célula ni podemos ver dentro de ella sin romper la membrana. CLARITY es un método para acabar con estos problemas de raíz: eliminar las dobles capas lipídicas, las membranas, manteniendo su contenido en su lugar, sustituyéndolas por un material que permita el paso de macromoléculas y fotones sin oponer demasiada resistencia y que preserve la integridad estructural de células y tejidos.

Para conseguir este objetivo tan ambicioso CLARITY termina usando un hidrogel formado in situ, como veremos en seguida. Quizás convenga aclarar antes de seguir qué es un gel. Todos tenemos geles en casa, algunos geles de baño/ducha son geles propiamente dichos; sabemos que hacen espuma, que tienen color, que huelen, que se lleva bien con el agua y que actúa como jabón. También es posible que tengas geles en el frigorífico, en forma de gelatina; en esta ocasión te comes el gel. ¿Qué es un gel? Pues es un sistema en el que unas macromoléculas (polímeros) tienen atrapado un líquido en su red estructural, y se llaman hidrogeles si el líquido es agua. Los geles tienen la peculiaridad de que son sólidos si no se agitan (están como conGELados; su nombre viene del latín gelatus, congelado); esta propiedad será muy útil en CLARITY.

CLARITY tiene tres fases:

Primera fase. El proceso comienza introduciendo los monómeros componentes de los polímeros que luego formarán el hidrogel (básicamente acrilamida y bisacrilamida) junto con formaldehído e iniciadores de polimerización por temperatura en los tejidos. Esto se hace en un baño a 4ºC durante dos días.

En esta fase, el formaldehído entrecruza, dicho en químico, une covalentemente, los monómeros de lo que después será el hidrogel a distintas biomoléculas, incluyendo proteínas, ácidos nucleicos y moléculas más pequeñas que anden por allí.

Segunda fase. Se inicia la polimerización de los monómeros (que están unidos a biomoléculas, tengámoslo presente) simplemente elevando la temperatura del conjunto a 37ºC durante 3 horas. Tras este tiempo el tejido y el hidrogel se han convertido en una estructura híbrida que es capaz de dar soporte físico al tejido y que incorpora químicamente las biomoléculas a la red estructural del hidrogel.

Un punto muy importante a resaltar es que ni lípidos ni aquellas biomoléculas que carezcan de los grupos funcionales adecuados están unidas al hidrogel, por lo que pueden ser retiradas del mismo.

Tercera fase. Se extraen los lípidos. La extracción de las moléculas lipídicas se puede hacer con mucho tiempo y empleando disolventes orgánicos (el hidrogel es hidrofílico) o cientos de veces más rápido aprovechando la alta carga de las dobles capas lipídicas (micelas después de todo) usando electroforesis.

El resultado es que el hidrogel asegura que las biomoléculas y los matices estructurales, como las proteínas de membrana, las sinapsis o las espinas, se quedan en su sitio, mientras que los lípidos de las membranas que causan la dispersión de la luz e impiden la penetración de macromoléculas se han quitado de en medio, dejando detrás un sistema biológico con todo en su sitio listo para ser etiquetado, tintado y fotografiado a placer. No hay más que verlo:




Para María, con afecto.


Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXV Edición del Carnaval de Química que acoge ISQCH-Moléculas a reacción


Referencias:

CLARITY Resource Center (información, vídeos, detalles metodológicos, formación)

Chung K., Wallace J., Kim S.Y., Kalyanasundaram S., Andalman A.S., Davidson T.J., Mirzabekov J.J., Zalocusky K.A., Mattis J. & Denisin A.K. & (2013). Structural and molecular interrogation of intact biological systems, Nature, 497 (7449) 332-337. DOI: