Codificación óptica multiplexada y secuenciación para ómicas espaciales

Ver dónde viven las moléculas en los tejidos

Nuestros cuerpos están formados por muchos tipos de células organizadas en patrones precisos, y esos patrones importan para la salud y la enfermedad. Las herramientas de los científicos para medir qué genes están activos en las células son potentes, pero a menudo pierden la información sobre el lugar del tejido de donde procede cada medida. Este artículo presenta un nuevo método, llamado MOLseq, que pretende conservar ambas piezas de información a la vez: qué hace cada célula y exactamente dónde se encuentra.

Por qué la localización importa para las moléculas

En los últimos años, las “ómicas espaciales” han cambiado la forma en que los investigadores analizan los tejidos. En lugar de estudiar las células de forma aislada, ahora se pregunta qué genes están activados en cada célula mientras ésta permanece en su vecindario original. Los enfoques existentes suelen dividirse en dos grandes campos. Los métodos de imagen usan microscopios y marcadores fluorescentes para ver directamente miles de moléculas en las células con gran detalle, a menudo hasta estructuras subcelulares. Pero normalmente requieren que los científicos elijan de antemano qué genes mirar. En cambio, los métodos de secuenciación pueden leer virtualmente todos los genes activos a la vez, pero habitualmente mezclan señales de muchas células y solo registran posiciones en rejillas bidimensionales gruesas. Como resultado, los investigadores a menudo deben elegir entre amplitud de información y nitidez de la localización.

Un sistema de direcciones controlado por luz

MOLseq ofrece una forma de combinar la amplitud de la secuenciación con el control fino que permite la luz. La idea central es dar a las moléculas dentro de las células una especie de “código postal” que registre su posición, y luego leer tanto el código postal como la identidad génica mediante secuenciación. Primero, el método une un cebador de ADN corto a los ARN mensajeros dentro de células fijadas y convierte esos ARN en copias de ADN. Luego, usando un dispositivo tipo proyector que ilumina con luz ultravioleta (UV) con patrones, MOLseq añade “letras” cortas de ADN a estas copias solo en las regiones iluminadas. Cada destello de luz añade exactamente una letra, y la secuencia de letras forma un código de barras único para cada ubicación. Tras varias rondas, las moléculas de diferentes regiones llevan diferentes códigos de barras, que actúan como sus direcciones espaciales cuando la muestra se disocia y se secuencia.

Porque los códigos de barras se construyen paso a paso, el número de direcciones posibles crece rápidamente con el número de letras y rondas. Los autores muestran que su química dirigida por luz puede añadir letras en serie con aproximadamente un 90% de éxito por paso, y que varias letras pueden manejarse en paralelo usando hebras auxiliares diseñadas. En experimentos en cultivo celular generaron centenares de códigos de barras distintos in situ y confirmaron las longitudes esperadas mediante un instrumento de tamaño de ADN. De forma importante, también diseñaron esquemas de códigos de barras que pueden señalar y corregir algunos errores, mejorando la fiabilidad incluso cuando los pasos individuales no son perfectos.

Escribir códigos de barras una célula a la vez

Una promesa clave de MOLseq es el control preciso sobre dónde se escriben los códigos de barras. Dirigiendo la luz UV con un dispositivo de micromirrors digital, el equipo fotocleavó y ligó letras selectivamente en regiones que iban desde parches grandes hasta células individuales. Utilizaron sondas fluorescentes para visualizar dónde se habían añadido letras, mostrando que las células vecinas a solo unos micrómetros recibieron casi ninguna señal no deseada. En un experimento, asignaron con éxito códigos de barras únicos de tres letras a 64 células individuales en la misma placa. El modelado de los datos indicó que la probabilidad de que se añadiera una letra fuera de objetivo en una ronda dada era solo de unos pocos puntos porcentuales, mientras que la tasa de adición prevista en objetivo se mantenía alta.

Para comprobar si estos códigos de barras pueden guiar lecturas génicas completas, los investigadores mezclaron células humanas y de ratón en regiones separadas del mismo portaobjetos y aplicaron MOLseq. Construyeron códigos de barras distintos de dos letras para las regiones humana y de ratón, confirmaron su separación espacial mediante imagen y luego secuenciaron el material codificado. Las lecturas que llevaban el código de barras de la “región humana” se alinearon abrumadoramente con genes humanos, y las que llevaban el código de la “región de ratón” con genes de ratón. La pequeña fracción de aparentes mezclas fue similar a lo esperado por la similitud natural de secuencia entre las dos especies, lo que sugiere que la mayoría de los errores no provinieron del codificado en sí sino de ambigüedades inevitables en el mapeo de lecturas.

Promesas y pasos siguientes

Al combinar el patronado de luz con la secuenciación de ADN, MOLseq señala un futuro en el que los científicos puedan escanear grandes áreas de tejido, capturar la actividad de muchos genes sin preselección y aun así saber de dónde vino cada señal—potencialmente hasta la resolución de células individuales. La versión actual aún afronta desafíos: efectos de luz fuera de objetivo, eficiencia limitada con muchas rondas de ligación y la dificultad de capturar suficiente ARN de regiones muy pequeñas. Sin embargo, el estudio demuestra que la codificación óptica multiplexada es práctica y precisa en células cultivadas, y traza vías realistas para aumentar la diversidad de códigos de barras y la corrección de errores. Para los lectores, la conclusión es que herramientas como MOLseq pueden pronto permitir a los investigadores crear “mapas moleculares” detallados de tejidos, revelando cómo la posición de las células y la actividad génica funcionan conjuntamente en el desarrollo, la función cerebral, el cáncer y muchos otros procesos biológicos.

Cita: Venkatramani, A., Ciftci, D., Pham, K. et al. Multiplexed optical barcoding and sequencing for spatial omics. Sci Rep 16, 14086 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41186-y

Palabras clave: ómicas espaciales, codificación óptica, transcriptómica, perfilado unicelular, secuenciación de ADN