Un método avanzado basado en imágenes de científicos de Scripps Research ofrece una nueva forma de estudiar las mitocondrias, que son más conocidas como las « centrales eléctricas » de las células.

En su informe del 14 de febrero de 2023, en el Journal of Cell Biology, los científicos describieron un conjunto de técnicas que permiten la obtención de imágenes y la cuantificación de incluso cambios estructurales sutiles dentro de las mitocondrias, y la correlación de esos cambios con otros procesos en curso en las células.

Las mitocondrias están involucradas no solo en la producción de energía, sino también en varias otras funciones celulares críticas, incluida la división celular y las respuestas de conservación de células a varios tipos de estrés. Se han observado disfunciones mitocondriales en una serie de enfermedades, incluidas la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y diferentes tipos de cáncer, y los investigadores están ansiosos por desarrollar tratamientos que puedan revertir estas disfunciones. Pero las herramientas científicas para estudiar los detalles finos de la estructura de las mitocondrias han sido limitadas.

« Ahora tenemos un nuevo y poderoso conjunto de herramientas para detectar y cuantificar las diferencias estructurales y, por lo tanto, funcionales en las mitocondrias, por ejemplo, en estados enfermos versus saludables », dice la autora principal del estudio, Danielle Grotjahn, PhD, profesora asistente en el Departamento de Integración Estructural. y Biología Computacional en Scripps Research.

Los coautores del estudio fueron los miembros del laboratorio de Grotjahn, Benjamin Barad, PhD, investigador asociado postdoctoral, y Michaela Medina, candidata a doctorado.

Las mitocondrias son una de las muchas máquinas moleculares unidas a la membrana u « orgánulos » que habitan dentro de las células de las plantas y los animales. Por lo general, con cientos o miles por célula, las mitocondrias tienen sus propios genomas pequeños y tienen una estructura distintiva con una membrana externa y una membrana interna ondulada donde ocurren las reacciones bioquímicas clave. Los científicos saben que la apariencia de las estructuras mitocondriales puede cambiar dramáticamente dependiendo de lo que esté haciendo la mitocondria o de las tensiones presentes en la célula. Estos cambios estructurales, por lo tanto, pueden ser marcadores muy útiles de las condiciones celulares, aunque hasta ahora no ha habido un buen método para detectarlos y cuantificarlos.

En el estudio, el equipo de Grotjahn armó un conjunto de herramientas computacionales para procesar datos de imágenes de una técnica de microscopía llamada tomografía crioelectrónica (crio-ET), que esencialmente genera imágenes de muestras biológicas en tres dimensiones, utilizando electrones en lugar de luz. El « juego de herramientas de morfometría de superficie » de los investigadores, como lo llaman, permite el mapeo detallado y la medición de los elementos estructurales de las mitocondrias individuales. Esto incluye las curvas de la membrana interna y los espacios entre las membranas, todos marcadores potencialmente útiles de eventos mitocondriales y celulares importantes.

« Esencialmente, nos permite convertir las bellas imágenes tridimensionales de las mitocondrias que podemos obtener de crio-ET en mediciones cuantitativas sensibles, que podemos usar potencialmente para ayudar a identificar los mecanismos detallados de las enfermedades, por ejemplo », dice Barad.

El equipo demostró el conjunto de herramientas usándolo para mapear detalles estructurales en las mitocondrias cuando sus células están sujetas a estrés del retículo endoplásmico, un tipo de estrés celular que se observa a menudo en enfermedades neurodegenerativas. Observaron que las características estructurales clave, como la curvatura de la membrana interna o la distancia mínima entre las membranas interna y externa, cambiaban considerablemente bajo esta tensión.

Con sus exitosas demostraciones de prueba de principio del nuevo conjunto de herramientas, el laboratorio de Grotjahn ahora lo utilizará para estudiar con más detalle cómo responden las mitocondrias al estrés celular u otros cambios inducidos por enfermedades, toxinas, infecciones e incluso productos farmacéuticos.

« Podemos comparar los efectos sobre las mitocondrias en las células tratadas con un fármaco frente a los efectos sobre las mitocondrias no tratadas, por ejemplo », dice Medina. « Y este enfoque no se limita a las mitocondrias, también podemos usarlo para estudiar otros orgánulos dentro de las células ».

« Cuantificación de la ultraestructura organelar en tomografía crioelectrónica mediante una canalización de morfometría de superficie », fue coautor de Benjamin Barad, Michaela Medina, Daniel Fuentes, Luke Wiseman y Danielle Grotjahn, todos de Scripps Research.

La investigación fue financiada en parte por los Institutos Nacionales de Salud (R01NS095892, RF1NS125674) y la Sociedad Americana del Cáncer.