Researchers have developed fluorescent molecules that permit imaging how DNA is packaged inside living cells at unprecedented resolution, and in preserved cells, close to the width of the double helix itself.

The team tested the fluorescent probes on slices of bowel tissue taken from three cancer patients. These are ordinary wax-preserved samples, which is how almost all hospitals store patient biopsies.

In the tumours, the DNA was noticeably looser and more spread out than in the healthy tissue sitting right beside it.

Other studies have found that DNA unpacks steadily as cancer takes hold, and the researchers suggest that how loosely a cell's DNA is folded could eventually serve as a measure of how far a tumour has progressed or how aggressive it is.

Doctors currently examine these types of biopsies by eye, using a staining method more than a century old. The advance, described today in the journal Molecular Cell, raises the possibility that one day they could also look at how DNA occupies three-dimensional space inside cells as an additional clue for diagnosing and treating cancer.

“With the same dye we can do two very different things. In a living cell we can watch DNA moving, which tells us how chromatin, the natural state of DNA in cells, behaves. In a preserved cell we can zoom in until we are almost at the scale of the DNA molecule itself. Combining both approaches helps us see one of the main layers of control in human biology in unprecedented resolution,” explains ICREA Research Professor Pia Cosma, senior author of the study.

Every cell in the human body holds two metres of DNA squeezed into a very small space. How tightly it is folded up decides which genes are switched on and which stay off.

Almost all images of DNA folding come from cells that are already dead. Powerful microscope techniques needed to track individual components of DNA in cells typically require treating samples with harsh chemicals and strong laser lights that living cells cannot survive.

A team at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona, the City University of Hong Kong and the Guangdong Provincial People's Hospital (Guangdong Academy of Medical Sciences), Southern Medical University, found a new way to overcome this challenge by designing new fluorescent probes.

Called HoTs, the dyes can navigate inside living cells on their own and stick to DNA. The probes are designed to blink intermittently, meaning they flicker on and off like fairy lights. The researchers tested them in living human skin cells and in living HeLa cancer cells grown in the laboratory.

If every dye lit up at once, microscopes would take a blurry picture. By blinking one at a time, an advanced microscope works out exactly where each probe is. After taking thousands of snapshots, a computer programme builds up a picture ten times sharper than conventional microscopes.

“The key challenge was to design fluorophores with the right blinking behaviour for super-resolution imaging,” says Professor Hongyan Sun at City University of Hong Kong, co-senior author of the study.

An ordinary microscope blurs anything closer together than about 200 nanometres. The new probes allowed the researchers to use an advanced microscopy technology called STORM to visualise DNA at a resolution of 20 nanometres within living cells.

The team could zoom in closer still using cells killed and preserved with chemicals so that their structures are locked in place. Using a technique called MINFLUX on preserved laboratory cells, they pinpointed single dye molecules to within three billionths of a metre, or 3 nanometres, close to the width of the DNA strand itself.

“The diameter of the DNA double helix is approximately 2 nanometres, so 3 nanometre localisation precision brings us remarkably close to the physical scale of the DNA molecule itself,” said Aiping Wang, first author of the study.

The probes also worked in non-human tissues. The team used them on slices of zebrafish eye, an animal that can regrow damaged retina. It is thought that retinal regeneration in these animals involves cells loosening their DNA to become flexible again.

In a separate experiment, the researchers showed that an AI could learn to read these images. They used AINU — short for “AI of the Nucleus” — a program the same team unveiled in 2024 that scans super-resolution pictures of a cell's DNA and picks out patterns far too subtle for the human eye. Trained on the new living-cell images, AINU correctly told skin cells apart from stem cells between 96 and 98 per cent of the time.

The two cell types carry identical DNA but fold it differently, and the AI could see the difference. When AINU was first developed it could only study cells that had been killed and preserved; pairing it with the new dyes means it can now work on living cells. It is the same principle the team hopes could one day be turned to telling cancerous tissue from healthy, or to picking out the most promising stem cells to speed up advances in regenerative medicine.

The fluorescent molecules have their limits. They coat the whole of the DNA rather than picking out one particular gene. The sharpest pictures required preserved cells, not living ones, though the team says it is working on that now in follow-up studies and MINFLUX has the potential to image the probes in living cells.
 

EN CASTELLANO

Unas "lucecitas" parpadeantes permiten obtener imágenes del ADN con una resolución cercana al ancho de la doble hélice

Un equipo del Centro de Regulación Genómica ha desarrollado unas moléculas fluorescentes que permiten obtener imágenes de cómo se empaqueta el ADN dentro de células vivas con una resolución sin precedentes y, en células conservadas, con una resolución cercana al ancho de la propia doble hélice.

El equipo probó las sondas fluorescentes en cortes de tejido intestinal procedentes de tres pacientes con cáncer. Se trata de muestras habituales conservadas en parafina, la forma en que casi todos los hospitales almacenan las biopsias.

En los tumores, el ADN estaba notablemente más suelto y disperso que en el tejido sano situado justo al lado.

Otros estudios también han observado que el ADN se desempaqueta de forma progresiva a medida que el cáncer avanza, y el equipo plantea que el grado de compactación del ADN de una célula podría llegar a servir como medida de progresión de un tumor o de su agresividad.

Actualmente, el personal médico examina este tipo de biopsias a simple vista, mediante un método de tinción con más de un siglo de antigüedad. El avance, descrito hoy en la revista Molecular Cell, también podría, algún día, permitirnos observar cómo el ADN ocupa el espacio tridimensional dentro de las células, como una pista adicional para diagnosticar y tratar el cáncer.

"Con la misma molécula podemos hacer dos cosas muy distintas. En una célula viva podemos observar el ADN en movimiento, lo que nos indica cómo se comporta la cromatina, el estado natural del ADN en las células. En una célula conservada podemos ampliar la imagen hasta situarnos casi a la escala de la propia molécula de ADN. Combinar ambos enfoques nos ayuda a ver, con una resolución sin precedentes, una de las principales capas de control de la biología humana", explica la profesora de investigación ICREA Pia Cosma, autora principal del estudio.

Cada célula del cuerpo humano contiene dos metros de ADN comprimidos en un espacio minúsculo. El grado de compactación con que se pliega determina qué genes se activan y cuáles permanecen apagados.

Casi todas las imágenes del plegamiento del ADN proceden de células que ya están muertas. Las potentes técnicas de microscopía necesarias para rastrear componentes individuales del ADN en las células suelen requerir tratar las muestras con productos químicos agresivos y luces láser intensas que las células vivas no pueden soportar.

Un equipo del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona, la City University of Hong Kong y el Guangdong Provincial People's Hospital (Guangdong Academy of Medical Sciences) ha descubierto una nueva forma de superar este obstáculo mediante el diseño de nuevas sondas fluorescentes.

Estos colorantes, denominados HoT, pueden desplazarse por sí solos hasta el interior de las células vivas y adherirse al ADN. Las sondas están diseñadas para parpadear de forma intermitente, es decir, que se encienden y se apagan como lucecitas. El equipo las probó en células vivas de piel humana y en células cancerosas HeLa vivas cultivadas en el laboratorio.

Si todas las moléculas fluorescentes se encendieran a la vez, los microscopios captarían una imagen borrosa. Al parpadear de una en una, un microscopio avanzado determina con exactitud dónde se encuentra cada sonda. Tras tomar miles de instantáneas, un programa informático reconstruye una imagen diez veces más nítida que la de los microscopios convencionales.

"El principal reto era diseñar moléculas fluorescentes con el comportamiento de parpadeo adecuado para la obtención de imágenes de superresolución", afirma la profesora Hongyan Sun, de la City University of Hong Kong y coautora principal del estudio.

Un microscopio corriente difumina cualquier objeto separado por menos de unos 200 nanómetros. Las nuevas sondas permitieron al equipo utilizar una tecnología de microscopía avanzada llamada STORM para visualizar el ADN con una resolución de 20 nanómetros dentro de células vivas.

El equipo pudo ampliar todavía más la imagen empleando células muertas y conservadas con productos químicos que fijan sus estructuras. Mediante una técnica denominada MINFLUX, aplicada a células de laboratorio conservadas, lograron localizar moléculas individuales de colorante con una precisión de tres milmillonésimas de metro, es decir, 3 nanómetros, medida cercana al ancho de la hebra de ADN.

"El diámetro de la doble hélice del ADN es de aproximadamente 2 nanómetros, de modo que una precisión de localización de 3 nanómetros nos acerca notablemente a la escala física de la propia molécula de ADN", afirma Aiping Wang, primera autora del estudio.

Las sondas también funcionaron en tejidos no humanos. El equipo las utilizó en cortes de ojo de pez cebra, un animal capaz de regenerar la retina dañada. Se cree que la regeneración de la retina en estos animales implica que las células aflojan su ADN para volver a ser flexibles.

En un experimento aparte, el equipo demostró que una inteligencia artificial puede aprender a interpretar estas imágenes. Utilizaron AINU —siglas en inglés de "IA del núcleo"—, un programa que el mismo equipo presentó en 2024 y que analiza imágenes de superresolución del ADN de una célula para detectar patrones demasiado sutiles para el ojo humano. Entrenada con las nuevas imágenes de células vivas, AINU distinguió correctamente las células de piel de las células madre entre el 96% y el 98% de las veces.

Ambos tipos celulares contienen un ADN idéntico, pero lo pliegan de forma distinta, y la IA fue capaz de percibir la diferencia. Cuando AINU se desarrolló por primera vez, solo podía estudiar células muertas y conservadas. Combinarla con las nuevas moléculas fluorescentes permite que ahora funcione con células vivas. Es el mismo principio que el equipo espera poder aplicar algún día para distinguir el tejido canceroso del sano, o para seleccionar las células madre más prometedoras y acelerar los avances en medicina regenerativa.

Las moléculas fluorescentes tienen sus limitaciones. Recubren la totalidad del ADN en lugar de señalar un gen concreto. Las imágenes más nítidas requirieron células conservadas, no vivas, aunque el equipo afirma que ya está trabajando en ello en estudios posteriores y que MINFLUX tiene el potencial de captar las sondas en células vivas.
 

EN CATALÀ

Unes "llumetes" intermitents permeten obtenir imatges d'ADN amb una resolució propera a l'amplada de la doble hèlix

Un equip del Centre de Regulació Genòmica ha desenvolupat molècules fluorescents que permeten obtenir imatges de com l'ADN s'empaqueta dins de les cèl·lules vives amb una resolució sense precedents i, en cèl·lules conservades, amb una resolució propera a l'amplada de la doble hèlix.

L'equip va provar les sondes fluorescents en seccions de teixit intestinal de tres pacients amb càncer. Són mostres comunes que es conserven en parafina, la manera en què gairebé tots els hospitals emmagatzemen les biòpsies.

En els tumors, l'ADN estava notablement més solt i dispers que en el teixit sa just al costat.

Altres estudis també han observat que l'ADN es desempaqueta progressivament a mesura que el càncer avança, i l'equip suggereix que el grau de compactació de l'ADN d'una cèl·lula podria servir com a mesura de la progressió o l'agressivitat d'un tumor.

Actualment, el personal mèdic examina aquest tipus de biòpsies a simple vista, utilitzant un mètode de tinció que té més d'un segle d'antiguitat. L'avenç, descrit avui a la revista Molecular Cell, també podria, algun dia, permetre'ns observar com l'ADN ocupa l'espai tridimensional dins de les cèl·lules, com a pista addicional per diagnosticar i tractar el càncer.

"Amb la mateixa molècula podem fer dues coses molt diferents. En una cèl·lula viva, podem observar l'ADN en moviment, cosa que ens indica com es comporta la cromatina, l'estat natural de l'ADN a les cèl·lules. En una cèl·lula conservada, podem ampliar la imatge fins a l'escala de la mateixa molècula d'ADN. Combinar ambdós enfocaments ens ajuda a veure, amb una resolució sense precedents, una de les capes principals de control de la biologia humana", explica la professora d'investigació ICREA Pia Cosma, autora principal de l'estudi.

Cada cèl·lula del cos humà conté dos metres d'ADN comprimits en un espai diminut. El grau de compactació amb què es plega determina quins gens s'activen i quins romanen apagats.

Gairebé totes les imatges del plegament de l'ADN provenen de cèl·lules que ja estan mortes. Les potents tècniques de microscòpia necessàries per rastrejar components individuals de l'ADN a les cèl·lules sovint requereixen tractar mostres amb productes químics agressius i llums làser intensos que les cèl·lules vives no poden suportar.

Un equip del Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona, la City University of Hong Kong i el Guangdong Provincial People's Hospital (Acadèmia de Ciències Mèdiques de Guangdong) ha descobert una nova manera de superar aquest obstacle dissenyant noves sondes fluorescents.

Aquests colorants, anomenats HoT, poden viatjar per si sols dins de les cèl·lules vives i unir-se a l'ADN. Les sondes estan dissenyades per parpellejar de manera intermitent, és a dir, que s'encenen i s'apaguen com llumetes. L'equip les va provar en cèl·lules vives de la pell humana i en cèl·lules canceroses HeLa vives cultivades al laboratori.

Si totes les molècules fluorescents s'encenguessin alhora, els microscopis capturarien una imatge borrosa. En parpellejar d'una en una, un microscopi avançat determina exactament on es troba cada sonda. Després de fer milers d'instantànies, un programa informàtic reconstrueix una imatge deu vegades més nítida que la dels microscopis convencionals.

"El principal repte era dissenyar molècules fluorescents amb el comportament de parpelleig adequat per a la imatge de superresolució", diu la professora Hongyan Sun, de la City University of Hong Kong i coautora principal de l'estudi.

Un microscopi ordinari difumina qualsevol objecte separat per menys de 200 nanòmetres. Les noves sondes van permetre a l'equip utilitzar una tecnologia avançada de microscòpia anomenada STORM per visualitzar l'ADN amb una resolució de 20 nanòmetres dins de cèl·lules vives.

L'equip va poder ampliar encara més la imatge utilitzant cèl·lules mortes preservades amb productes químics que fixen les seves estructures. Utilitzant una tècnica anomenada MINFLUX, aplicada a cèl·lules de laboratori conservades, van poder localitzar molècules individuals de colorant amb una precisió de tres mil milionèsimes de metre, o 3 nanòmetres, mesura propera a l'amplada de la cadena d'ADN.

"El diàmetre de la doble hèlix de l'ADN és d'uns 2 nanòmetres, així que una precisió de localització de 3 nanòmetres ens acosta sorprenentment a l'escala física de la molècula d'ADN", diu Aiping Wang, primera autora de l'estudi.

Les sondes també van funcionar en teixits no humans. L'equip les va utilitzar en talls d'ull de peix zebra, un animal capaç de regenerar la retina danyada. Es creu que la regeneració de la retina en aquests animals implica que les cèl·lules afluixen el seu ADN per tornar a ser flexibles.

En un experiment separat, l'equip va demostrar que una intel·ligència artificial pot aprendre a interpretar aquestes imatges. Van utilitzar AINU (sigles en anglès d'"IA del nucli"), un programa que el mateix equip va presentar el 2024 i que analitza imatges de superresolució de l'ADN d'una cèl·lula per detectar patrons massa subtils per a l'ull humà. Entrenada amb les noves imatges de cèl·lules vives, l'AINU va distingir correctament les cèl·lules de la pell de les cèl·lules mare entre el 96% i el 98% de les vegades.

Ambdós tipus cel·lulars contenen ADN idèntic, però el pleguen de manera diferent, i la IA va ser capaç de percebre la diferència. Quan l'AINU es va desenvolupar per primera vegada, només podia estudiar cèl·lules mortes i preservades. Combinar-la amb les noves molècules fluorescents permet que ara funcioni amb cèl·lules vives. És el mateix principi que l'equip espera poder aplicar algun dia per distingir el teixit cancerós del sa, o per seleccionar les cèl·lules mare més prometedores i accelerar els avenços en medicina regenerativa.

Les molècules fluorescents tenen les seves limitacions. Recobreixen tot l'ADN en lloc d'apuntar a un gen específic. Les imatges més nítides varen requerir cèl·lules conservades, no vives, tot i que l'equip afirma que ja hi està treballant en propers estudis i que MINFLUX té el potencial de capturar les sondes en cèl·lules vives.