Un nuevo informe describe cómo las células madre embrionarias de ratón son capaces de diferenciarse y formar una copa óptica, capaz de dar lugar a un tejido que exhibe la característica de la estructura estratificada de la retina. Publicado en la revista Nature , el estudio utilizó un avanzado sistema de cultivo de tejido en tres dimensiones no sólo para demostrar esta capacidad de auto-organización de las células madre pluripotentes, sino también la dinámica subyacente de las células formadas.

La base mecánica de la formación de la copa óptica, con su compleja estructura de dos paredes, ha sido una incógnita en la embriología. La retina, con sus orígenes en el mesencéfalo lateral, es parte del sistema nervioso central. Su desarrollo se inicia con la formación de la vesícula óptica, una bolsa de epitelio que se profundiza y se desarrolla para formar la copa óptica, que forma una doble capa de células de epitelio pigmentario en el exterior, y la retina neural en la pared interna. Generalmente se ha pensado que esta transformación se desencadena por influencias químicas y físicas de otros tejidos, como el cristalino o la córnea, pero algunos, entre ellos el padre de la embriología experimental, Hans Spemann, han sugerido que la inducción o la fuerza externa quizás no sea necesaria.

Para resolver esta cuestión, los autores diseñaron un sistema de cultivo de células madre que había sido previamente utilizado para diferenciar estas células madre pluripotentes en un amplia gama de tipos de células neuronales, incluyendo, las neuronas corticales. Mediante la adición de proteínas de matriz extracelular al medio, el grupo fue capaz de organizar epitelios precursores de retina en el cultivo a los 7 días. Un día después, una estructura similar a la vesícula óptica empezó a formarse, seguido de una bicapa óptica con forma de taza al día 10. Esto indica que el desarrollo de la copa óptica se ha recapitulado in vitro, y esto es importante, en ausencia de cualquier fuente externa de señalización, por ejemplo, de la lente, lo que demuestra la capacidad de auto-organización de dichas células y tejidos.

Lo que logró resolver este estudio es un problema de casi un siglo de antigüedad en la embriología, al mostrar que los precursores de la retina tiene la capacidad inherente de dar lugar a la compleja estructura de la copa óptica. Es posible pensar que estamos en camino de convertir y generar no sólo los tipos de células diferenciadas, sino también de los los tejidos organizados a partir de células madre. Esto puede abrir nuevas vías hacia las aplicaciones en medicina regenerativa. Las aplicaciones potenciales incluyen la medicina regenerativa para el tratamiento de los trastornos degenerativos de la retina, como la retinitis pigmentosa.

Referencia

Mototsugu Eiraku, Nozomu Takata, Hiroki Ishibashi, Masako Kawada, Eriko Sakakura, Satoru Okuda, Kiyotoshi Sekiguchi, Taiji Adachi, Yoshiki Sasai. Self-organizing optic-cup morphogenesis in three-dimensional culture.Nature, 2011; 472 (7341): 51 DOI: 10.1038/nature09941

Los sorprendentes colores que muestran los escarabajos, las mariposas y otros insectos nos han fascinado desde siempre, tanto a los físicos como a los biólogos, pero imitar las superficies llamativas de los más colorido ha resultado muy difícil de alcanzar.

Esto es en parte porque en vez de depender de los pigmentos, los científicos descubrieron que los colores son producidos porque la luz rebota en estructuras microscópicas que están presentes en las alas de los insectos.

Mediante el estudió en pavos reales y en una mariposa Papilio (Papilio blumei), descubrieron que dichas placas en las alas se componen de estructuras microscópicas intrincadas, que se asemejan a la parte interior de un cartón de huevos.

Debido a su forma y el hecho de que se componen de capas alternas de cutícula y de aire, estas estructuras producen intensos colores.

Usando una combinación de procedimientos de nanofabricación – incluyendo el auto-ensamblaje y de deposición de capas atómicas – estos colegas hicieron copias idénticas estructuralmente de las escalas de la mariposa, y estos ejemplares produjeron los mismos colores vivos que las alas de las mariposas.

Según los autores: “Hemos desbloqueado uno de los secretos de la naturaleza y combinamos este conocimiento con el estado de nanofabricación de última generación para imitar los intrincados diseños ópticos que se encuentran en la naturaleza.” Además esto ayuda a los científicos a una mejor comprensión de la física detrás de los colores de estas mariposas “, siendo capaces de imitarlos tenemos prometedoras aplicaciones en la impresión de seguridad.

“Estas estructuras artificiales podrían utilizarse para cifrar la información en la firma óptica en los billetes de banco o de otros objetos de valor para protegerlos contra la falsificación. Todavía tenemos que afinar nuestro sistema pero en el futuro podríamos ver las estructuras basadas en las alas de las mariposas que brillan desde un billete o una nota o incluso nuestros pasaportes “, dijeron los autores.

Curiosamente, la mariposa también puede usar sus colores para el mismo cifrado ya que que aparecen de un color las potenciales parejas, pero de otro color los depredadores.

“Los parches verde brillante en las escalas del ala de estas mariposas tropicales son un magnífico ejemplo del ingenio de la naturaleza en el diseño óptico. Visto con el equipo óptico directamente estas manchas aparecen de color azul brillante, pero a simple vista parecen de color verde.

Referencia

Mathias Kolle, Pedro M. Salgard-Cunha, Maik R. J. Scherer, Fumin Huang, Pete Vukusic, Sumeet Mahajan, Jeremy J. Baumberg, Ullrich Steiner. Mimicking the colourful wing scale structure of the Papilio blumei butterfly. Nature Nanotechnology, 30 May 2010 DOI:10.1038/nnano.2010.101

Los camarones mantis utilizados en estudio se encuentran en la Gran Barrera de Coral en Australia y tienen los sistemas de visión más complejos conocidos por la ciencia. Pueden ver en doce colores (los humanos solo vemos tres) y además pueden distinguir entre diferentes formas de la luz polarizada.

Las células especiales sensibles a luz de los ojos del camarón mantis pueden girar el plano de las oscilaciones (la polarización) de una onda de luz que viaja a través de ella. Esta capacidad hace posible que estos crustáceos puedan convertir la luz polarizada linealmente a la luz polarizada circularmente, y viceversa. Esta capacidad fue replicada por el hombre para realizar placas de onda que cumplan esta función esencial en CD y DVD y en filtros polarizadores circulares para las cámaras fotográficas.

Sin embargo, estos dispositivos artificiales sólo tienden a funcionar bien para un solo color del espectro de la luz, mientras que el mecanismo natural en los ojos del crstáceo funciona casi perfectamente a través de todo el espectro visible, es decir casi desde el ultravioleta al infrarrojo.

El Dr. Nicholas Roberts, autor principal del documento dijo: “Nuestro trabajo revela, por primera vez el diseño único y el mecanismo de la lámina cuarto de onda en el ojo del camarón mantis. Realmente es excepcional – fuera realizar cualquier cosa que los seres humanos hasta ahora han sido capaces de crear. ”

Exactamente por qué el camarón mantis necesita tan exquisita sensibilidad a la luz polarizada, no está claro. Sin embargo, la visión de la polarización es utilizada por los animales para la señalización sexual o la comunicación secreta, que evita la atención de otros animales, especialmente los depredadores. También podría ayudar en la búsqueda y captura de las presas por la mejora de la claridad de las imágenes bajo el agua. Este mecanismo en el camarón proporciona una ventaja evolutiva, sería seleccionado para ser fácilmente, ya que sólo requiere pequeños cambios en las propiedades existentes de la célula en el ojo.

“Podría ayudarnos a desarrolar mejores dispositivos ópticos en el futuro y el uso de cristales líquidos que han sido modificados químicamente para imitar las propiedades de las células en el ojo del crustáceo”.

Esto no sería la primera vez que los seres humanos han mirado al mundo natural para las nuevas ideas, por ejemplo el ojo compuesto de la langosta recientemente inspiró el diseño de un detector de rayos X en un telescopio astronómico.

Referencia

NW Roberts, T-H Chiou, NJ Marshall and TW Cronin. A biological quarter-wave retarder with excellent achromaticity in the visible wavelength region. Nature Photonics, 2009; DOI: 10.1038/nphoton.2009.189

La fluorescencia es un fenómeno en el que un electrón de una molécula absorbe energía de la luz y se mueve a un nivel de energía superior o estado excitado. La energía de la luz está contenida en una unidad llamada fotón. Después de una estancia muy breve en el estado excitado, el electrón vuelve a su nivel de energía anterior, o estado fundamental, mediante la emisión de un nuevo fotón. La energía de los fotones liberados se descarga en longitudes de onda de luz visible, detectables sólo duran unas pocas millonésimas de segundo. Esta propiedad se denomina fluorescencia.

Sin embargo muchas moléculas de color biológicamente importantes, como la hemoglobina – una proteína que transporta el oxígeno en los glóbulos rojos – absorben la luz, pero no fluorescen. En cambio, los electrones en estas moléculas liberan su energía adicional, pero transitoria mediante la conversión del calor excesivo. “Dado que estas moléculas no son fluorescentes, literalmente han sido pasadas por alto por los modernos microscopios ópticos”, dijo Xie.

Para detectar moléculas no fluorescentes en los sistemas biológicos, Xie y su equipo desarrollaron un nuevo tipo de microscopio basado en la emisión estimulada.

La emisión estimulada fue descrita por primera vez por Albert Einstein en 1917, y fue la base de los láseres de hoy. En pocas palabras, es un proceso por el cual un electrón en estado excitado, perturbado por un fotón con la energía correcta, se reduce a su estado fundamental, produciendo un fotón adicional.

La técnica microscópica de Xie genera nuevos registros y una señal de emisión estimulada mediante dos trenes de pulsos (entrada y salida) cuidadosamente programados temporalmente . En el tren de pulsos de entrada, un modulador cambia la intensidad del haz de excitación y fuera de las cinco MHz. La modulación crea una señal de emisión estimulada en la misma frecuencia. Cada tren tiene una duración de pulso muy corto de aproximadamente 200 femtosegundos. Un femtosegundo equivale a una mil millonésima de una millonésima de segundo o 10e-15 segundos.

La señal producida por la falta de moléculas fluorescentes proporciona una imagen altamente sensible de las moléculas que antes eran “invisibles”.

Una de las varias aplicaciones posibles de la invención de los científicos es la cartografía en color de la entrega de medicamentos no fluorescentes a sus células diana. Otro uso posible es la imagen de las estructuras pequeñas, como los vasos sanguíneos como los glóbulos rojos y los vasos capilares.

La estructura y la dinámica de la hemoglobina de los vasos sanguíneos desempeñan un papel importante en muchos procesos biomédicos. Dos ejemplo son los procesos de la transición de los tumores de un estado inactivo a los malignos y el suministro de oxígeno en el cerebro.

Las actuales tecnologías de imagenes, como la resonancia magnética y la tomografía computarizada o bien carecen de la resolución espacial necesaria para resolver los capilares individuales o exigen a los agentes de contraste externo.

Las etiquetas fluorescentes como la proteína fluorescente verde o GFP, son ampliamente utilizados para la observación de la actividad de las biomoléculas y distinguir las moléculas blanco en una celda. La técnica de etiquetado GFP proporciona imágenes bien definidas. Sin embargo, las proteínas voluminosas pueden perturbar delicadas vías biológicas, especialmente cuando es más grande que las biomoléculas.

El equipo de Xie es capaz de mapear la entrega de drogas una molécula no fluorescente y los vasos sanguíneos fotografiadas sin etiquetas fluorescentes.

La nueva técnica también es capaz de visualizar las proteínas no fluorescentes en las células de la bacteria Escherichia coli en vivo.

“Mientras que los estudios anteriores con experimentos similares proporcionaron imágenes de moléculas fluorescentes con una resolución espacial similar a la de la microscopía de fluorescencia y confocal de alta resolución temporal, el presente estudio, por primera vez, hace uso de la microscopía de emisión estimulada a la imagen de moléculas no fluorescentes “, dijo Zeev Rosenzweig, director del programa en la División de Química de la National Science Foundation.

Aunque la foto de los posibles daños, y de la complejidad y el costo del sistema todavía deben ser abordados por la técnica para conseguir una amplia aplicación, “no hay duda de que el estudio ofrece una forma única de imagenes de una amplia gama de moléculas actualmente inaccesible hoy para el estado de arte de los microscopios ópticos “, apunta Rosenzweig.

“Esto es sólo el comienzo”, agregó Xie. “Muchas aplicaciones interesantes de esta nueva modalidad de imagen se vienen a futuro”.

Referencia

Min W, Lu S, Chong S, Roy R, Holtom GR, Xie XS. Imaging chromophores with undetectable fluorescence by stimulated emission microscopy. Nature. 2009 Oct 22;461(7267):1105-9.