Un avance en microscopía revela la vida invisible de los océanos

Los plankton son los motores invisibles de la vida en la Tierra. Estos organismos microscópicos producen una gran parte del oxígeno del planeta y forman la base de la cadena alimentaria oceánica. Su diversidad es asombrosa, con decenas de miles de especies ya identificadas y muchas más por descubrir. Entre ellas, los protistas, organismos unicelulares diminutos, son especialmente notables por su importancia evolutiva. Durante años, los científicos solo pudieron estudiarlos a través de datos genéticos, ya que las técnicas de imagen existentes no podían revelar sus complejas estructuras internas.

Una colaboración durante la pandemia impulsa el descubrimiento

Durante la pandemia de COVID-19, el líder del grupo del EMBL, Gautam Dey, recibió una llamada por Zoom de su colaborador Omaya Dudin, quien lideraba un grupo de investigación en EPFL. Dudin había logrado adaptar un nuevo método de imagen para visualizar la organización interna de Ichthyosporea, un protista marino relacionado con animales y hongos. Este avance superó un obstáculo de larga data: las duras paredes celulares de la especie.

La técnica, conocida como microscopía de expansión, fue desarrollada originalmente en MIT y luego refinada en microscopía de expansión de ultrastructura (U-ExM) por Paul Guichard y Virginie Hamel en la Universidad de Ginebra. Sus mejoras hicieron que las paredes celulares del protista fueran permeables, permitiendo a los científicos observar claramente su arquitectura interna por primera vez.

Motivados por este éxito, Dudin, Dey, Guichard y Hamel comenzaron una colaboración a largo plazo. Tres años después, su asociación ha producido un cuerpo de conocimiento sin precedentes sobre cientos de especies de protistas y ha sentado las bases para un "atlas planetario" de plankton.

La expedición TREC, liderada por el EMBL, ofreció una oportunidad ideal para explorar estos organismos marinos más a fondo. Publicados recientemente en Cell, los hallazgos del equipo proporcionan una visión detallada de las estructuras celulares de más de 200 especies de plankton, especialmente eucariotas (organismos cuyas células contienen un núcleo delimitado por membranas). Esta investigación marca el inicio de PlanExM, un proyecto de TREC diseñado para mapear la diversidad estructural oculta del plankton utilizando microscopía de expansión.

Explorando microbios marinos con un detalle sin precedentes

En Roscoff, Francia, uno de los primeros sitios de muestreo de la expedición TREC, la Estación Biológica mantiene una de las colecciones más completas de microorganismos marinos en Europa. Esperando solo unas pocas docenas de muestras, el equipo solicitó al gerente Ian Probert material para probar su técnica. En su lugar, obtuvieron acceso a más de 200 especies.

"Pasamos tres días y noches solo fijando esas muestras. Este fue un tesoro que no podíamos dejar escapar", dijo Felix Mikus, coautor principal, quien completó su doctorado en el grupo de Dey y ahora es postdoctorado en el laboratorio de Dudin en la Universidad de Ginebra.

Cómo funciona la microscopía de expansión

La microscopía de expansión, que celebra su décimo aniversario este año, amplía físicamente las muestras biológicas. Una muestra, que contiene células, tejidos u organismos unicelulares, se incrusta en un gel transparente que absorbe agua y se expande. Notablemente, las estructuras internas de la célula permanecen intactas y se estiran proporcionalmente, permitiendo a los investigadores aumentar el tamaño del espécimen hasta 16 veces sin usar lentes de alta potencia.

"Cuando se combina con métodos de microscopía de luz regulares, la microscopía de expansión permite a los científicos eludir las barreras de longitud de onda estándar que limitan cuán pequeñas pueden resolverse las estructuras utilizando microscopía de luz", explicaron Guichard y Hamel.

Mapeando el esqueleto celular de la vida

Utilizando muestras de Roscoff y una segunda colección en Bilbao, España, el equipo realizó uno de los estudios más completos sobre el citoesqueleto, la red de filamentos que soporta y organiza las células eucariotas. Se centraron en los microtúbulos (filamentos huecos que ayudan a las células a mantener su forma, dividirse y moverse) y centrinas (proteínas involucradas en la organización de microtúbulos).

"Pudimos mapear características de la organización de microtúbulos y centrinas a través de muchos grupos eucariotas diferentes", explicó Hiral Shah, becario postdoctoral en los grupos de Dey y Schwab del EMBL y coautor principal del estudio. "La escala del estudio, con muchas especies caracterizadas en cada grupo, abre la posibilidad de hacer predicciones evolutivas. Por ejemplo, los dinoflagelados, uno de los grupos más diversos que se encuentran en los océanos de todo el planeta, están bien representados en nuestro estudio. Pudimos mapear la presencia de estructuras de tubulina y centrina asociadas con la corteza celular o los flagelos en estas especies."

Revelando patrones evolutivos a través de la microscopía

"U-ExM está transformando cómo exploramos la ultrastructura de los protistas", dijo Armando Rubio Ramos, coautor principal y becario postdoctoral en la Universidad de Ginebra. "Al combinar esta técnica con imágenes de alto rendimiento y análisis comparativos, podemos comenzar a decodificar cómo se ha diversificado la arquitectura celular a través de la evolución. Es un puente entre los datos moleculares y la organización física de la vida a escala microscópica."

Los resultados no solo iluminan cómo están organizadas las células eucariotas, sino que también ofrecen pistas sobre el desarrollo evolutivo de sus estructuras internas. La investigación destaca el poder de la microscopía de expansión como herramienta para estudiar incluso muestras ambientales complejas recolectadas directamente del océano.

Hacia un atlas planetario de vida microscópica

"Nuestras aventuras con la microscopía de expansión apenas comienzan", dijo Dey. "Esta es quizás la primera técnica de microscopía de alta resolución que tiene el potencial de igualar la escala y la ambición de grandes proyectos de genómica de biodiversidad, permitiéndonos en un futuro cercano asociar nuevos datos de multiómicas con la fisiología celular a gran escala a través del árbol de la vida."

Con Thomas Richards de la Universidad de Oxford uniéndose a la colaboración, Dey y Dudin aseguraron una subvención de CHF 2 millones de la Moore Foundation para continuar expandiendo su investigación.

"El siguiente paso es mirar selectivamente más a fondo ciertas especies dentro de esta amplia colección para responder preguntas específicas, como entender cómo evolucionaron la mitosis y la multicelularidad y la diversidad fenotípica que subyace a las principales transiciones evolutivas", dijo Dudin.