La microscopía de expansión ayuda a cartografiar el universo planctónico
El plancton son los motores invisibles de la vida en la Tierra, ya que producen gran parte del oxígeno del planeta y forman la base de la cadena alimentaria oceánica. También son increíblemente diversos, con decenas de miles de especies descritas hasta ahora y muchas más esperando ser descubiertas.
Entre ellos, los protistas, diminutos y unicelulares organismos, destacan por su extraordinaria diversidad y significado evolutivo; sin embargo, durante décadas, los científicos solo pudieron estudiarlos a través de datos genómicos, ya que carecían de métodos de imagen fiables.
Durante la pandemia de COVID-19, Gautam Dey, líder de grupo en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL), recibió una llamada por Zoom de su colaboradora Omaya Dudin, quien entonces dirigía un grupo en la EPFL. Dudin acababa de adaptar una nueva técnica para visualizar la arquitectura interna de Ichthyosporea —un protista marino estrechamente relacionado con los animales y los hongos— superando la barrera de larga data de sus paredes celulares impermeables.
La nueva técnica llamada microscopía de expansión, desarrollada inicialmente por científicos del MIT (EE. UU.) y posteriormente optimizada como microscopía de expansión de ultraestructura (U-ExM) para explorar la ultraestructura subcelular por Paul Guichard y Virginie Hamel en la Universidad de Ginebra, había hecho permeable la pared celular, y ahora las estructuras internas del protista podían visualizarse y estudiarse con claridad.
Decididos a estudiar más organismos marinos con este método, Dudin, Dey, Guichard y Hamel iniciaron una colaboración que, tres años después, ha logrado generar un conocimiento casi enciclopédico de cientos de especies de protistas y está en camino de crear un atlas planetario del plancton.
La expedición TREC (Traversing European Coastlines), liderada por el EMBL, fue una gran oportunidad para que los investigadores profundizaran en las estructuras internas de diferentes microbios marinos.
Imagen derecha: Cartografiando el panorama de la diversidad del citoesqueleto en eucariotas microbianos. Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.09.027
Publicada en Cell, su colaboración ha proporcionado información sin precedentes y en profundidad sobre la arquitectura celular de más de 200 especies de plancton, en particular eucariotas: organismos que tienen un núcleo celular rodeado por una membrana.
Este fue el primer paso de PlanExM, un proyecto complementario de TREC que tiene como objetivo revelar el mundo de la diversidad ultraestructural del plancton mediante microscopía de expansión.
Descubriendo los secretos celulares de ultraestructuras con microscopía de expansión
En Roscoff, Francia, una de las primeras paradas importantes de muestreo de la expedición TREC, la Estación Biológica alberga una de las colecciones de cultivos de microorganismos marinos más completas de Europa.
El equipo preguntó a Ian Probert, el gerente de las instalaciones, cuántas muestras podrían recibir para realizar un proyecto piloto de microscopía de expansión —esperando unas 20 especies—, solo para descubrir que las puertas de todas las instalaciones, con más de 200 especies, se abrían para ellos.
“Pasamos tres días y tres noches solo arreglando esas muestras. Era un tesoro que no podíamos dejar escapar”, dijo el coautor principal Felix Mikus, quien completó su doctorado en el Grupo Dey y ahora es investigador postdoctoral en el actual laboratorio de Dudin en la Universidad de Ginebra.
La microscopía de expansión, una técnica relativamente reciente que cumple apenas 10 años este año, funciona mediante la expansión física de muestras biológicas. La muestra —que puede contener organismos unicelulares, células o tejidos— se introduce primero en un gel transparente. A continuación, se deja que el gel se expanda al absorber agua.
Imagen: La microscopía de expansión nos permite estudiar la ultraestructura de orgánulos celulares como los centriolos, que son demasiado pequeños para ser resueltos en detalle con la microscopía óptica tradicional (izquierda), pero que pueden observarse en alta resolución mediante microscopía de expansión ultraestructural (derecha), una técnica que el equipo de Niccolo Banterle en el EMBL ha estado aprovechando. Crédito: Mereke Suleimenov/EMBL
Sorprendentemente, muchas de las estructuras internas de la célula permanecen intactas durante el proceso y se expanden de forma más o menos proporcional, lo que permite a los científicos "magnificar" la muestra cuatro o incluso 16 veces sin necesidad de recurrir a lentes.
"Cuando se combina con los métodos regulares de microscopía óptica, la microscopía de expansión permite a los científicos sortear las barreras de longitud de onda estándar que limitan el tamaño mínimo de una estructura que se puede resolver mediante microscopía óptica", dijeron Guichard y Hamel.
Utilizando las muestras de Roscoff, así como una segunda colección de cultivos de Bilbao, España, los investigadores llevaron a cabo una de las investigaciones más extensas hasta la fecha sobre la diversidad del citoesqueleto: la red filamentosa que forma la estructura subyacente de las células eucariotas.
En particular, los investigadores examinaron los microtúbulos (filamentos tubulares huecos que ayudan a la célula a mantener su estructura, dividirse y moverse) y las centrinas (una familia de proteínas que se encuentran en las estructuras que organizan los microtúbulos dentro de las células).
"Pudimos mapear las características de la organización de los microtúbulos y la centrina en muchos diferentes grupos eucariotas", dijo Hiral Shah, becaria postdoctoral EIPOD en los grupos Dey y Schwab del EMBL y coautora principal del estudio.
Imagen derecha: Los eucariotas microbianos presentan una gran diversidad, y la microscopía de expansión facilita la observación de su ultraestructura a escala y con alta resolución. Esta imagen muestra una variedad de estos organismos visualizados mediante microscopía de expansión en el Grupo Dudin. Crédito: Grupo Dudin/Universidad de Ginebra.
"La magnitud del estudio, con numerosas especies caracterizadas en cada grupo, abre la posibilidad de realizar 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 en estas especies la presencia de estructuras de tubulina y centrina asociadas con la corteza celular o los flagelos".
"U-ExM está transformando la forma en que exploramos la ultraestructura de los protistas", dijo Armando Rubio Ramos, coautor principal del estudio e investigador postdoctoral en el grupo de investigación de Hamel y Guichard en la Universidad de Ginebra.
"Al combinar esta técnica con imágenes de alto rendimiento y análisis comparativos, podemos empezar a descifrar cómo se ha diversificado la arquitectura celular a lo largo de la evolución. Es un puente entre los datos moleculares y la organización física de la vida a escala microscópica".
Según los investigadores, este análisis no solo nos ayuda a comprender los principios fundamentales que subyacen a la organización de una célula eucariota, sino que también ofrece pistas sobre la historia evolutiva de la arquitectura del citoesqueleto en estas especies. Además, demuestra el potencial de la microscopía de expansión como una poderosa herramienta para estudiar muestras complejas, incluidas aquellas recolectadas directamente de ecosistemas marinos.
"Nuestras aventuras con la microscopía de expansión no han hecho más que empezar", 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 los grandes proyectos de genómica de la biodiversidad, lo que nos permitirá en un futuro próximo asociar nuevos datos multiómicos con la fisiología celular a escala en todo el árbol de la vida".
"El siguiente paso es examinar más a fondo, de forma selectiva, ciertas especies dentro de esta amplia colección para responder a preguntas específicas, como comprender cómo evolucionaron la mitosis y la multicelularidad y la diversidad fenotípica que subyace a las principales transiciones evolutivas", dijo Dudin.
La investigación se ha publicado en la revista Cell: Charting the landscape of cytoskeletal diversity in microbial eukaryotes
