La vida desarrollollándose en tus células revelada en 3D

Para entender cómo funciona la vida, hay que verla en acción, dice el científico de bioimágenes Gokul Upadhyayula. Llevándonos al nivel celular, él comparte el trabajo detrás de los microscopios de vanguardia que capturan y registran, en tres dimensiones, los comportamientos complejos de los organismos vivos, desde la infección de células cancerígenas hasta las células inmunes rastreras,- y lo que revelan sobre la dinámica de la biología. Observa la vida que se desarrolla ante tus ojos con las increíbles imágenes de esta charla.

Intentar entender la vida
sin verla del todo en acción

es como si un extraterrestre
intentase entender

las reglas de un partido de futbol
con unas pocas imágenes

Podemos aprender mucho de estas imágenes

Por ejemplo, hay jugadores
dentro y fuera del campo

Hay una banda

Hay incluso animadoras
pasando un buen rato viendo el partido

A pesar de aprender todo esto

a partir de estas imágenes,

no podemos entender las reglas del juego.

Para ello,

necesitamos ver el partido en acción.

Mucho de lo que sabemos sobre la vida

viene de ver estas imágenes.

Científicos han podido descubrir mucho
a partir de observar imágenes similares

pero en última instancia,
para entender cómo funciona la vida

necesitan verla realmente en acción

Y esto es esencialmente
donde la vida sucede,

es intentar entender cómo funciona
la unidad fundamental de la vida.

Y para ser capaz de verlo,

necesitamos entender cómo es la vida.

Comparada con esta hormiga,

una célula humana es cien millones
de veces más pequeña en tamaño

¿Ven la célula
justo al lado de la hormiga?

Está ahí mismo.

Para poder ver la célula

necesitamos hacer visible lo invisible,

y lo conseguimos
construyendo microscopios.

No esos microscopios;

los que nosotros construimos
son más o menos como estos.

Ayuda el que yo sea
como un paparazzi, bueno, del estilo.

En vez de hacer fotos a personas,

me interesa más
hacer fotos a células famosas.

Mi propia carrera profesional
hasta este momento

ha sido bastante agitada,

empezando
por la primera obsesión de mi infancia,

seguida de mi pasión por la informática,

que tomó una brusca transición
hacia la ingeniería,

y más recientemente,

una muy brusca transición
al intentar entender la biología celular.

Ahora bien,
es esta combinación de disciplinas

la que me ha llevado a donde estoy hoy.

Soy capaz de realizar
investigaciones interdisciplinarias

con un objetivo claro.

Y la idea es ser capaz de avanzar
en innovación y descubrimientos

reuniendo a expertos
de estas diferentes disciplinas

que trabajen juntos y resuelvan
problemas que por separado no podemos.

Ahora, nos interesa entender una célula.

La célula ... ¿qué es?

Es la unidad fundamental de la vida.

Simplificando, es sólo una bolsa.

Una bolsa que tiene
billones de moléculas inanimadas,

ya sean proteínas,
carbohidratos, lípidos o grasa.

Y resulta que,
durante la última mitad de siglo,

biólogos moleculares y bioquímicos
han encontrado maneras

de hacer que estas proteínas brillen.

Que se enciendan como luciérnagas

Desarrolladores de microscopios
han podido

hacer mejores y mejores aparatos

para poder captar
esa luz emitida por esas moléculas,

y los informáticos y matemáticos
han podido entender

las señales que se han grabado
en las cámaras.

Y poniendo en común estas herramientas,

podemos entender
la organización de estas moléculas

dentro de esas células,

entender cómo cambian con el tiempo,

y eso es esencialmente
en lo que estamos interesados,

intentando entender la vida en su esencia.

Lo que queremos es
pasar de la imagen de la vida,

que ha sido tradicionalmente
reducida a dos dimensiones,

a ser capaces de verla
en tres dimensiones.

¿Cómo hacer de una imagen
bidimensional una tridimensional?

Es bastante sencillo.

Simplemente tomamos
una serie de imágenes bidimensionales

mientras movemos la muestra
de arriba a abajo

y luego apilamos las imágenes
una encima de otra

creando un volumen tridimensional.

El problema de este enfoque es que
los microscopios tradicionales,

arrojan demasiada energía en el sistema.

Esto significa que
esta célula que ven aquí,

está experimentando
mucha toxicidad lumínica,

y eso es un problema.

Déjenme explicarlo un poco mejor.

Por ejemplo,

digamos que en este planeta
la vida evolucionó bajo un solo sol, ¿sí?

Y, digamos que quiero observar
a los compradores en esta calle

para entender sus hábitos de compra:

cuánto tiempo paran ante un escaparate,

en cuántas tiendas entran

y cuánto tiempo pasan en cada tienda.

Si estuviese sentado en una cafetería
observando a la gente,

la mayoría no notaría
que les estoy observando.

Pero, ¿qué pasaría si de repente

yo brillase el equivalente
de lo que sería,

la luz solar de unos cinco o
diez soles distintos?

¿Se comportarían de la misma manera?

¿Pararían ante un escaparate
el mismo tiempo?

¿Puedo creer que su comportamiento
de verdad no ha sido alterado

como consecuencia de estar expuesto
a demasiada luz solar?

No.

La mayoría de los microscopios
a día de hoy,

y los microscopios convencionales,

han podido arrojar
entre 10 y 10 000 veces la luz solar

a la que nos exponemos en este planeta,
donde la vida realmente evolucionó.

Y por esto,

como dicho, soy
como un paparazzi de células,

por eso hay que ser muy cuidadosos
en cuanto a cuanta luz

exponemos a la célula.

De lo contrario, puede que
terminemos con una célula frita.

Y resulta

que no hay nada natural
al intentar observar una célula dañada

cuyo comportamiento
ha sido significativamente alterado.

Bien, tomemos esta célula por ejemplo.

Está sobre un trozo de cristal.

¿Ven las manchas por todas partes?

Estas manchas representan
máquinas moleculares

que se están ensamblando
en la superficie de la célula

para poder transportar comida
del exterior al interior de la célula.

Nuestro laboratorio utiliza algo llamado
microscopía de láminas de luz enrejadas,

lo que genera
una muy delgada hoja de luz,

prestando atención a no dañar las células

o no emitir
demasiada luz dentro del sistema.

Y cuando hacemos esto,

podemos observar la dinámica del proceso
por mucho más tiempo

sin estresar a las células.

Hemos utilizado estas herramientas
y técnica de microscopía

para poder entender
cómo los virus infectan a las células.

En este ejemplo,
hemos expuesto la célula a un rotavirus.

Es un patógeno muy contagioso que mata
a más de 200 000 personas cada año.

A partir de observar estas moléculas,
estas partículas de virus,

cómo se difunden
en la superficie de las células,

podemos realmente entender
las reglas por las que se rigen.

Y una vez entendemos estas reglas,

podemos empezar a superarlas,

ya bien
con terapias de fármacos inteligentes,

para poder mitigar, manejar
o incluso prevenir que

el virus se una a la célula
en primer lugar.

Hemos hecho visible lo invisible,

pero la pregunta permanece:

¿Cuándo podemos creer lo que vemos?

Todo lo que les he mostrado
hasta este punto

ha sido una célula prisionera
en una pieza de cristal o placa de Petri.

Y las células no han evolucionado
realmente en un trozo de cristal, ¿verdad?

No han evolucionado en el aislamiento,

y no han evolucionado
fuera de su contexto psicológico.

Para entender verdaderamente
el comportamiento natural de las células,

debemos observarlas en acción
donde en realidad está su territorio.

Echemos un vistazo
a este complejo sistema.

Esto es un embrión de pez cebra
en desarrollo,

donde viven células
organizándose entre ellas

para formar tejidos,
para formas sistemas de órganos.

Y cuando vemos la película otra vez,
verán que pasadas unas 20 horas,

empiezan
a formar el ojo y la cola del pez cebra.

Podemos ver esto,
no en esta baja resolución,

podemos verlo con exquisito detalle,

y queremos verlo en tres dimensiones

durante el transcurso de
minutos, segundos, horas o incluso días.

El problema con estos complejos sistemas

es que revolvemos la luz,

o que ellas mueven la luz
que emitimos sobre ellas,

lo que causa que grabemos
imágenes muy borrosas.

Y los astrónomos han tenido
un problema parecido,

pero para ellos, el problema sucede

cuando intentan grabar
la luz de distintas estrellas

en telescopios ubicados en la tierra.

El problema es que,
cuando la luz viaja a miles de años luz

y de repente llega a nuestra turbia atmósfera,

la luz se revuelve.

Por suerte, ellos llegaron a una solución

en el trascurso de medio siglo.

Lo que hacen es que
generan una estrella artificial

a unos 90 km por encima
de la superficie de la Tierra,

y utilizan esa luz,

que pasa por la misma atmósfera turbia
que la luz de las estrellas más lejanas,

y pueden entender cómo la luz se revuelve,

y ponen un espejo
que puede cambiar su forma

para así compensar
o deshacer este movimiento.

Lo que hemos hecho es tomar esas ideas

y las hemos implementando
en nuestro sistema de microscopía,

Y una vez hecho esto,

podemos más o menos deshacer
la complejidad del movimiento

y la confusión que está ocurriendo

como consecuencia de complejos sistemas.

Hacemos esto con el pez cebra.

Nos gusta el pez cebra porque,
como nosotros, es un vertebrado.

Se diferencian de nosotros
en que son casi transparentes.

Esto significa que,
cuando emitioms luz sobre ellos,

podemos observar
las dinámicas celulares y subcelulares

con exquisito detalle.

Déjenme mostrarles un ejemplo.

En este vídeo, ven la columna vertebral
y el músculo de un pez cebra.

Podemos ver
la organización de las células,

cientos de células
en esta área en concreto,

en la presencia y ausencia
de la óptica adaptativa.

Con estas herramientas,

podemos observar con más claridad
lo que nunca antes habíamos podido ver.

En un ejemplo muy específico,

mirando cómo el ojo
se desarrolla en el pez cebra,

ven realmente la conmoción dentro del
desarrollo de este embrión del pez cebra.

Ven las células que bailan alrededor.

En un ejemplo,
ven cómo la célula se divide.

En otro ejemplo,

ven células intentando hacerse sitio y
empujando al pasar al lado de otra célula.

Y en este último ejemplo,
ven una célula peleándose con sus vecinas

simplemente pegándoles puñetazos.

¿Verdad?

Esta tecnología nos capacita
para observar mas clara y profundamente,

casi como si estuviésemos observando
células únicas en un trozo de cristal,

donde han sido prisioneras.

Y para demostrar la promesa
que esta tecnología acarrea,

nos hemos asociado con algunos
de los mejores científicos del mundo.

Y hemos empezado
a preguntarnos cosas fundamentales

en las que trabajamos juntos ahora mismo.

Por ejemplo, ¿cómo se expande
el cáncer por el cuerpo?

En este ejemplo, ven células cancerígenas
de un cáncer de pecho humano

que básicamente están como migrando,

donde usan los vasos sanguíneos
que se muestran en magenta.

Están básicamente usando
los vasos sanguíneos como autopistas

para moverse por la cabaña.

Pueden básicamente verlas
apretándose entre los vasos sanguíneos.

Pueden verlas rodando donde hay espacio.

Y en un ejemplo, ven lo que es
igual al tráiler de Ridley Scott

para la próxima película "Alien".

Esta célula cancerígena está literalmente
intentado salir del vaso sanguíneo

para poder invadir otra parte del cuerpo.

En el último ejemplo
que les voy a enseñar,

intentamos entender
cómo se desarrolla la oreja.

En este caso, estábamos eclipsados
por los neutrófilos rastreros.

Estas células inmunes están
básicamente patrullando todo el tiempo.

Básicamente, no descansan nunca.

Están constantemente trabajando
para entender ya sea un peligro extraño,

o si hay una infección.

Están sintiendo el ambiente,
moviéndose constantemente.

Ahora, podemos observar
estas imágenes y películas

con más detalle del que nunca antes
ha sido posible en nuestro tiempo

hasta ahora.

Ahora, con todas estas nuevas tecnologías,

nuevas capacidades
vienen con nuevos retos,

y para nosotros, el mayor es
cómo manejar los datos.

Estos microscopios generan
muchísimos datos.

Generamos entre uno y tres terabytes
de datos por hora.

Para ponerlo en contexto: llenamos
dos millones de disquetes por hora,

para nuestro público más experimentado

(Risas)

Más o menos, hasta unos 500 DVDs,

o poniéndolo en contexto
para la generación Z,

es como una docena de iPhones 11s
que lleno por hora.

Tenemos muchísimos datos.

Debemos encontrar
nuevas formas de poder ver estos datos.

Necesitamos encontrar nuevas formas

de extraer de estas bases de datos
información significativa biológicamente

Y lo más importante,

queremos asegurarnos de que
ponemos estos avanzados microscopios

en manos de científicos de todo el mundo.

Y damos ofrecemos
los diseños de estos microscopios gratis.

Pero la clave es,

colaborar todavía más
para generar un impacto.

Estamos juntando a científicos

que desarrollen
nuevas herramientas químicas y biológicas.

Estamos trabajando
junto a científicos de datos

y científicos instrumentales

para construir y manejar los datos.

Y porque damos
estos instrumentos de manera gratuita,

a todos los académicos y
organizaciones sin ánimo de lucro,

también construimos avanzados
centros de imágenes para albergarlos,

para juntar a estos grupos
de personas que son microscopistas,

biólogos y gente de computación,

y para crear un equipo
que pueda resolver el tipo de problemas

que cada uno de nosotros
no puede individualmente.

Y gracias a estos microscopios,

la frontera de la ciencia
está abierta de nuevo.

Así que observémosla juntos.

Gracias

(Aplausos)