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Estos cristales de proteínas ricas en hierro podrían ser el futuro de cómo los científicos estudian las células nerviosas.

Autor BIANXIAO CUI

17 de diciembre de 2019 a las 6:45 am

Imagina si pudieras controlar mental y fisicamente a alguien usando un imán. Sería un poco como Magneto, el supervillano de X-Men. Puede controlar cualquier cosa magnética. Incluso el hierro o grafeno dentro del cuerpo de alguien.

Controlar a las personas con imanes suena un poco, bueno, loco. Pero los científicos ahora han hecho algo parecido. Han diseñado células para producir cristales largos con forma de aguja ricos en hierro. Luego, los investigadores pueden usar imanes para controlar las células que contienen estos cristales.

Las grabaciones de video muestran estos cristales ricos en hierro moviéndose hacia un fuerte imán. Los cristales arrastran consigo a toda la célula. 

“Es casi extraño”, dice Bianxiao Cui. Es química en la Universidad de Stanford en California.

Cui y sus colegas no se propusieron darles a los científicos superpoderes como los de Magneto. En cambio, sus nuevos cristales de proteína fueron diseñados para ayudar a los científicos a estudiar qué neuronas controlan los movimientos y sentidos de un animal. Los cristales proporcionan algo dentro de una célula que los imanes pueden atraer. Esta innovación llena un vacío en el incipiente campo de la magnetogenética (Mag-NEE-toh-jeh-NET-iks).

Los científicos en este campo modifican genéticamente las células para que respondan a los campos magnéticos. Ahora los investigadores pueden controlar de forma remota neuronas específicas en el cuerpo usando imanes. Esas neuronas podrían ser las que controlan qué tan hambriento se pone un animal. O podrían ser neuronas que controlan los músculos de las piernas para que un ratón comience a correr cuando hay un imán cerca.

El video de abajo explica como el nuevo material llamado Grafeno o GO, logra  magnitizar las celualas y crear nuevas hormonas del cerebro que se puden controlar.

 

https://www.youtube.com/watch?v=ts0IWjMFFLk

 

Ganar control

magnético Un campo magnético puede activar neuronas que contienen proteínas ricas en hierro. El campo hace esto calentando o dando un empujón mecánico a esas proteínas.

Los investigadores ya habían podido controlar las neuronas con luz. Ese proceso se llama optogenética. Para usarlo, los científicos insertan moléculas sensibles a la luz en las neuronas de animales vivos. Luego, los investigadores pueden encender o apagar las neuronas simplemente encendiéndolas con una luz. Con esta técnica, los neurocientíficos han hecho cosas increíbles. Han hecho que los ratones corran en círculos. Incluso han restaurado el movimiento de la pierna paralizada de un animal.

Pero la optogenética tiene sus desventajas. La luz, por ejemplo, no puede penetrar profundamente en el cuerpo. Hay demasiados huesos, músculos y otros tejidos en el camino. Entonces, los investigadores pueden implantar fibras ópticas en el animal para enviar luz a las neuronas profundas. Eso hace que el método sea engorroso e incluso potencialmente peligroso.

La idea detrás de la magnetogenética es que no tienes que implantar nada, explica Jacob Robinson, quien no participó en el estudio. Es un neuroingeniero que trabaja en la Universidad Rice en Houston, Texas.

Las células en el interior del cuerpo podrían encenderse con solo un campo magnético. No se necesitarían fibras ni cirugía.

Pero hay un inconveniente. La única proteína que se encuentra naturalmente dentro de las células animales y que es incluso remotamente magnética es la ferritina (FAIR-ih-tin). Cada molécula puede tener hasta 4.500 átomos de hierro. Eso puede parecer mucho, pero no lo es. La fuerza que genera un imán que actúa sobre la ferritina sería solo una milmillonésima parte de la que se necesitaría para encender una neurona. Entonces, el equipo de Cui desarrolló cristales de proteína que podrían transportar suficiente hierro para que sus células respondieran a los imanes.

Cristales gigantes con corazón de hierro

El equipo primero extrajo el gen para producir ferritina de un microbio. Luego hicieron una pieza circular de ADN que contenía dos genes humanos. Esos genes producen cristales largos y huecos llamados inka-PAK4 (abreviatura de Inkabox-PAK4cat). El equipo introdujo estas piezas circulares de ADN en células de riñón humano que crecían en una placa de Petri. Un día después, aparecieron los primeros cristales.

“Cuando vi por primera vez esos cristales ensamblarse solos en las células, fue increíble”, recuerda Cui.

Los científicos diseñaron cristales en forma de espina que son los cristales que contienen hierro más largos jamás creados en el laboratorio o en la naturaleza. Muchos, incluidos los de esta imagen microscópica, son más grandes que las células en las que crecieron.

Los cristales crecieron dEstos cristales de proteínas ricas en hierro podrían ser el futuro de cómo los científicos estudian las células nerviosashasta medir 45 millonésimas de metro. Eso es aproximadamente la mitad del grosor promedio de un cabello humano. Son los cristales de proteína que contienen hierro más grandes jamás creados en el laboratorio, o en la naturaleza, dice Cui. Eran incluso más largas que las células en las que crecieron. Pero las células en las que se formaron nunca se rasgaron. Simplemente se estiraron para acomodar los cristales.

Los investigadores abrieron las células y extrajeron los cristales. Luego los cargaron con hierro. El equipo estima que empaquetó unos 8 mil millones de átomos de hierro en cada cristal antes de insertar esos cristales en las células humanas que crecen en un plato. Ahora expusieron las células a un campo magnético y esperaron a ver qué pasaba.

Y las células se movieron.

“La primera vez que vi que [las células] se movían hacia el imán, pensé: ‘¡Guau!’”, dice Cui.

Los cristales comenzaron a acumularse cerca del imán. Y los cristales arrastraron sus células con ellos. El equipo describió esto en línea el 25 de septiembre en Nano Letters.

Robinson expresó su entusiasmo por esto. “Es un paso excelente”, dijo, “hacia la ingeniería de células para crear sus propias nanopartículas magnéticas”.

Los científicos no están seguros de qué pasará con los cristales después. Pero las células tienen los genes para los cristales. Entonces, cada célula reproducida a partir de las células originales debería poder hacer los cristales, dice Cui.

Hierro no incluido

Idealmente, los investigadores no tendrían que quitar primero los cristales recién formados para llenarlos de átomos metálicos. En cambio, las células enriquecerían los cristales con hierro a medida que los construía. De hecho, el grupo de Cui probó tres formas diferentes de introducir hierro en sus células. Incluso empaparon las células en una solución rica en hierro. Nada funcionó.

Las células suelen mantener bajos sus niveles de hierro, señala el equipo de Cui. Se estima que las células contienen naturalmente solo el 3 por ciento de la cantidad de hierro que los cristales necesitarían para ser efectivos.

Probablemente necesitemos alterar las membranas externas de la célula con sustancia bio sintetica hecha en laboratorio como el grafeno. Luego, cui dice, podrían transportar más hierro a una celda. Aún así, estos cristales magnéticos son un gran avance en el campo de la magnetogenética. Y los investigadores confían en que estudios adicionales superarán este obstáculo del enriquecimiento de hierro.

 

Los científicos en este campo diseñan genéticamente las células para que respondan a los campos magnéticos.

Ahora los investigadores pueden controlar de forma remota neuronas específicas en el cuerpo utilizando imanes.

Estos nuevos cristales de proteínas fueron diseñados para estudiar qué neuronas controlan los movimientos y los sentidos de un animal. A través de impulsos pueden activar y desactivar neuronas, controlando comportamientos.

Estos nanocristales introducidos en las células, proporcionan que al controlar los cristales controlas las células.

Jacob Robinson, Neuroingeniero de la Universidad Rice en Houston, Texas, dijo: “Es un excelente paso hacia la ingeniería de células para crear sus propias nanopartículas magnéticas”.

Los científicos no están seguros de qué pasará con los cristales después. Pero las células tienen los genes para los cristales. Así que cada célula reproducida de las células originales debería ser capaz de hacer los cristales

Esta es una en a serie presentación Noticias sobre tecnología y innovación, hizo posible con generoso apoyo desde el Lemelson Fundación y infoVacunas.

INFORMACION EXTRA:

Clasificación de células activadas magnéticamente

De Wikipedia, la enciclopedia libre

La clasificación de células activadas magnéticamente (MACS) es un método para la separación de varias células dependiendo de sus antígenos de superficie (moléculas CD) inventado por Miltenyi Biotec. El nombre MACS es una marca registrada de la empresa.

El método se desarrolló con el sistema MACS de Miltenyi Biotec, que utiliza superparamagnéticas nanopartículas y columnasLas nanopartículas superparamagnéticas son del orden de 100 nm. Se utilizan para etiquetar las celdas seleccionadas para capturarlas dentro de la columna. La columna se coloca entre imanes permanentes para que cuando el complejo de partículas magnéticas pase a través de ella, las células marcadas puedan ser capturadas. La columna consta de lana de acero que aumenta el gradiente del campo magnético para maximizar la eficiencia de separación cuando la columna se coloca entre los imanes permanentes.

 

La clasificación de células activadas magnéticamente es un método utilizado en áreas como la inmunología, la investigación del cáncer, la neurociencia y la investigación con células madre. Miltenyi vende microesferas que son nanopartículas magnéticas conjugadas con anticuerpos que pueden usarse para atacar células específicas.

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Power Words: 

Más sobre Power Words

activar     (en biología) Activar, como con un gen o una reacción química.

átomo     La unidad básica de un elemento químico. Los átomos están formados por un núcleo denso que contiene protones con carga positiva y neutrones sin carga. El núcleo está orbitado por una nube de electrones cargados negativamente.

promedio     (en ciencias) Un término para la media aritmética, que es la suma de un grupo de números que luego se divide por el tamaño del grupo.

comportamiento     La forma en que algo, a menudo una persona u otro organismo, actúa hacia los demás o se comporta.

célula     La unidad estructural y funcional más pequeña de un organismo. Por lo general, demasiado pequeño para verlo a simple vista, consiste en un líquido acuoso rodeado por una membrana o pared. Dependiendo de su tamaño, los animales están hechos de miles a billones de células. La mayoría de los organismos, como levaduras, mohos, bacterias y algunas algas, se componen de una sola célula.

membrana celular     Una estructura que separa el interior de una célula de lo que está fuera de ella. Algunas partículas pueden pasar a través de la membrana.

sustancia química     Sustancia formada por dos o más átomos que se unen (enlace) en una proporción y estructura fijas. Por ejemplo, el agua es una sustancia química que se produce cuando dos átomos de hidrógeno se unen a un átomo de oxígeno. Su fórmula química es H2O. Químico también puede ser un adjetivo para describir propiedades de materiales que son el resultado de diversas reacciones entre diferentes compuestos.

colega     Alguien que trabaja con otro; un compañero de trabajo o un miembro del equipo.

cristal     (adj. cristalino) Un sólido que consiste en una disposición tridimensional simétrica y ordenada de átomos o moléculas. Es la estructura organizada que adoptan la mayoría de los minerales. La apatita, por ejemplo, forma cristales de seis caras. Los cristales minerales que forman la roca suelen ser demasiado pequeños para ser vistos a simple vista.

ingeniero     Una persona que usa la ciencia para resolver problemas. Como verbo, ingeniar significa diseñar un dispositivo, material o proceso que resolverá algún problema o necesidad insatisfecha.

extraer     (v.) Separar una sustancia química (o un componente de algo) de una mezcla compleja. (sustantivo) Sustancia, a menudo en forma concentrada, que ha sido extraída de su fuente natural. Los extractos a menudo se toman de plantas (como la menta verde o la lavanda), flores y capullos (como rosas y clavos), frutas (como limones y naranjas) o semillas y nueces (como almendras y pistachos). Dichos extractos, que a veces se usan para cocinar, a menudo tienen olores o sabores muy fuertes.

fibra     Algo cuya forma se asemeja a un hilo o filamento. (en nutrición) Componentes de muchos alimentos fibrosos de origen vegetal. Estas fibras llamadas no digeribles tienden a provenir de la celulosa, la lignina y la pectina, todos los constituyentes de las plantas que resisten la descomposición de las enzimas digestivas del cuerpo.

campo     Un área de estudio, como en: Su campo de investigación fue la biología. También es un término para describir un entorno del mundo real en el que se lleva a cabo alguna investigación, como en el mar, en un bosque, en la cima de una montaña o en una calle de la ciudad. Es lo opuesto a un entorno artificial, como un laboratorio de investigación. (en física) Una región en el espacio donde operan ciertos efectos físicos, como el magnetismo (creado por un campo magnético), la gravedad (por un campo gravitacional), la masa (por un campo de Higgs) o la electricidad (por un campo eléctrico).

fuerza     Alguna influencia externa que puede cambiar el movimiento de un cuerpo, mantener los cuerpos cerca unos de otros o producir movimiento o tensión en un cuerpo estacionario.

gen     (adj. genético) Un segmento de ADN que codifica, o contiene instrucciones, para la producción de una proteína por parte de una célula. La descendencia hereda genes de sus padres. Los genes influyen en el aspecto y el comportamiento de un organismo.

implante     Un dispositivo fabricado para reemplazar una estructura biológica faltante, para soportar una estructura biológica dañada o para mejorar una estructura biológica existente. Los ejemplos incluyen caderas, rodillas y dientes artificiales; marcapasos; y las bombas de insulina utilizadas para tratar la diabetes. O algún dispositivo instalado quirúrgicamente en el cuerpo de un animal para recopilar información sobre el individuo (como su temperatura, presión arterial o ciclo de actividad).

innovación     (v. innovar; adj. innovador) Una adaptación o mejora a una idea, proceso o producto existente que es nuevo, inteligente, más efectivo o más práctico.

hierro     Un elemento metálico que es común dentro de los minerales en la corteza terrestre y en su núcleo caliente. Este metal también se encuentra en el polvo cósmico y en muchos meteoritos.

riñón     Cada uno en un par de órganos en los mamíferos que filtra la sangre y produce orina.

imán     Un material que generalmente contiene hierro y cuyos átomos están dispuestos de manera que atraen ciertos metales.

campo magnético     Un área de influencia creada por ciertos materiales, llamados imanes, o por el movimiento de cargas eléctricas.

mecánico     Relacionado con los dispositivos que se mueven, incluidas herramientas, motores y otras máquinas (incluso, potencialmente, máquinas vivas); o algo causado por el movimiento físico de otra cosa.

microbio     Abreviatura de microorganismo. Un ser vivo que es demasiado pequeño para verlo a simple vista, incluidas las bacterias, algunos hongos y muchos otros organismos, como las amebas. La mayoría consisten en una sola celda.

molécula     Grupo de átomos eléctricamente neutro que representa la menor cantidad posible de un compuesto químico. Las moléculas pueden estar formadas por un solo tipo de átomos o por diferentes tipos. Por ejemplo, el oxígeno del aire está formado por dos átomos de oxígeno (O2); el agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno (H2O).

músculo     Un tipo de tejido que se utiliza para producir movimiento mediante la contracción de sus células, conocido como fibras musculares. El músculo es rico en proteínas, por lo que las especies depredadoras buscan presas que contengan gran cantidad de este tejido.

nano     Un prefijo que indica una milmillonésima. En el sistema métrico de medidas, a menudo se usa como una abreviatura para referirse a objetos que tienen una milmillonésima parte de un metro de largo o de diámetro.

nanopartícula     Una pequeña partícula con dimensiones medidas en mil millonésimas de metro.

neurona     Célula conductora de impulsos. Estas células se encuentran en el cerebro, la columna vertebral y el sistema nervioso.

neurocientífico     Alguien que estudia la estructura o función del cerebro y otras partes del sistema nervioso.

en línea     (n.) En Internet. (adj.) Un término para lo que se puede encontrar o acceder en Internet.

optogenética     Técnica que utiliza la luz para comprender mejor los genes y las células del sistema nervioso, especialmente el cerebro. Investigaciones recientes también están utilizando la tecnología para estudiar otros tipos de células y tejidos.

petri Placa     circular poco profunda que se utiliza para cultivar bacterias u otros microorganismos.

proteína     Un compuesto hecho de una o más cadenas largas de aminoácidos. Las proteínas son una parte esencial de todos los organismos vivos. Forman la base de células vivas, músculos y tejidos; también hacen el trabajo dentro de las células. Entre las proteínas independientes más conocidas se encuentran la hemoglobina (en la sangre) y los anticuerpos (también en la sangre) que intentan combatir las infecciones. Los medicamentos con frecuencia funcionan adhiriéndose a las proteínas.

solución     Un líquido en el que una sustancia química se ha disuelto en otra.

tejido     Hecho de células, es cualquiera de los distintos tipos de materiales que forman animales, plantas u hongos. Las células dentro de un tejido funcionan como una unidad para realizar una función particular en los organismos vivos. Los diferentes órganos del cuerpo humano, por ejemplo, a menudo están hechos de muchos tipos diferentes de tejidos.

CITAS

Revista: TL Li et al. Ingeniería de un cristal de proteína magnética codificada genéticamente. Nano letras. vol. 19, en línea el 25 de septiembre de 2019, pág. 6955. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b02266.

Fuente: Science For Students

https://www.sciencenewsforstudents.org/article/magneto-microcrystals-give-magnets-superpower-over-living-cells