Estructuras microscópicas en tres dimensiones

| 23 de marzo de 2011 | Investigación

Conocer la forma y estructura de los componentes celulares es esencial para que los científicos profundicen en sus conocimientos sobre cómo funcionan los seres vivos. Y aunque la información que ha aportado la microscopía electrónica de estructuras realmente pequeñas es de un enorme valor científico, las imágenes que se obtienen son como la visión de la acera desde un octavo piso sin ser capaces de saber correctamente a qué altura está cada cosa que vemos; es la representación en un plano de algo que tiene tres dimensiones.

Microscopía electrónica en tres dimensionesLos científicos quieren conocer la estructura tridimensional tanto de la célula como de las macromoléculas individuales que la forman. Para ello recurren en la actualidad a varias técnicas que transforman la información bidimensional que obtiene el microscopio electrónico en imágenes tridimensionales. Es lo que se denomina tomografía, una técnica usada ampliamente hoy en día para el diagnóstico médico o el análisis de materiales.

Para poder interpretar de forma acertada la función biológica de las macromoléculas, se necesita conocer la estructura tridimensional, no sólo de las macromoléculas que se encuentran en el interior, sino también la de la propia célula. En el Centro Nacional de Biotecnología por ejemplo, Cristina Risco estudia la organización en tres dimensiones de los componentes celulares que los virus manipulan dentro de la célula que han infectado. Por su parte, José Jesús Fernández trabaja en el mismo centro estudiando las diferencias en la estructura de los componentes celulares cuando se sufre alguna enfermedad neurodegenerativa.

Para poder realizar un estudio por tomografía electrónica es necesario una preparación previa del material biológico para protegerlo de la radiación electrónica a la que va a ser sometida. Una vez preparada, en el microscopio electrónico se obtiene de 60 a 200 imágenes diferentes, cada una de ellas inclinada alrededor de un grado respecto de la anterior. A partir de este momento, es fundamental un uso muy intensivo de los ordenadores. Inicialmente, para poder procesar la enorme cantidad de información obtenida, ordenando y ajustando cada una de las imágenes en la posición que ocupan una respecto a las otras, se hacía necesario el uso de multitud de ordenadores conectados en red. Sin embargo, el software disponible en la actualidad tan sólo requiere la instalación de una tarjeta gráfica. Aplicando algoritmos de reconstrucción tomográfica,  se procesan los datos obtenidos en los diferentes planos bidimensionales. De este modo, tras aplicar una serie de métodos de procesamiento digital de la imagen, se consigue construir un modelo tridimensional bastante real.

Reconstrucción en tres dimensiones del interior celularSin embargo, la necesidad de un hardware específico hace que no todos los ordenadores puedan ser utilizados e incluso, aunque se disponga de una tarjeta gráfica compatible, a la hora de llevar a cabo los procesos de cálculo requeridos, la tarjeta debe tener unas características determinadas que la hagan funcional.

Para facilitar la labor de los científicos, en el grupo de investigación de José Jesús Fernández han optimizado tanto el código de programación, como el aprovechamiento de todas las capacidades de los ordenadores estándar actuales. Combinando una técnica de computación vectorial con el uso de un procedimiento multi-thread y, sin la necesidad de ningún hardware adicional, con cualquier ordenador con un microprocesador multinúcleo y una buena memoria de caché, se puede hacer una reconstrucción tridimensional con la misma velocidad que si se hubiera instalado una tarjeta gráfica.

El método de cálculo que han desarrollado, además de alta velocidad y una resolución nanométrica, supone una gran versatilidad de cara a la creación de software para reconstruir en tres dimensiones los datos obtenidos con la microscopía electrónica por parte de cualquier programador. Además, al no ser precisa la instalación ni de tarjetas gráficas ni de redes de computadoras, se facilita la labor de los médicos y biólogos que van a necesitar la información de las estructuras celulares en tres dimensiones. No les hace falta la ayuda de expertos en informática para trabajar con la información estructural que les proporciona la tomografía. Tan sólo necesitan instalar un programa en sus ordenadores.

Aunque en un principio ha sido desarrollado con la idea de resolver las estructuras tridimensionales de los componentes celulares, el software es válido en cualquier situación en la que se quiera reconstruir una estructura tridimensional en poco tiempo (tomografía computarizada, electrónica, de rayos X u óptica). Por ello, puede ser utilizada tanto por biólogos o médicos como por cualquier otro científico o ingeniero que trabaje en el estudio de materiales.

Referencias:
Agulleiro, J., Garzón, E., García, I., & Fernández, J. (2010). Vectorization with SIMD extensions speeds up reconstruction in electron tomography Journal of Structural Biology, 170 (3), 570-575 DOI: 10.1016/j.jsb.2010.01.008
Pierson, J., Fernández, J., Bos, E., Amini, S., Gnaegi, H., Vos, M., Bel, B., Adolfsen, F., Carrascosa, J., & Peters, P. (2010). Improving the technique of vitreous cryo-sectioning for cryo-electron tomography: Electrostatic charging for section attachment and implementation of an anti-contamination glove box Journal of Structural Biology, 169 (2), 219-225 DOI: 10.1016/j.jsb.2009.10.001
Novoa RR, Calderita G, Arranz R, Fontana J, Granzow H, & Risco C (2005). Virus factories: associations of cell organelles for viral replication and morphogenesis. Biology of the cell / under the auspices of the European Cell Biology Organization, 97 (2), 147-72 PMID: 15656780

Este artículo forma parte de la edición 2.2 del Carnaval de Matemáticas, alojado en Gaussianos.

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