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Congelate: la tecnologia all’avanguardia rivela le strutture all’interno delle cellule

Il complesso proteico Arp2 / 3 con le sue sette subunità (colorate) mentre si lega ai filamenti di actina (grigio).

Nuovi metodi consentono agli scienziati dell’IST Austria di dare un’occhiata alla parte più interna delle cellule: le immagini ad alta risoluzione di cellule congelate mostrano strutture che in precedenza potevano essere solo immaginate

Le cellule del nostro corpo sono in movimento. Alcuni migrano da A a B per curare le ferite o combattere gli agenti patogeni. Lo fanno con l’aiuto di piccoli “piedi” sul bordo anteriore delle cellule in migrazione, i cosiddetti lamellipodi. Queste sottili estensioni vengono spinte in avanti e si legano alla superficie mentre il resto della cella viene trascinato. All’interno di questi piedi c’è una fitta rete di fili proteici intrecciati, chiamati filamenti di actina, che formano il citoscheletro della cellula. Finora, non era chiaro come il complesso Arp2 / 3, un assemblaggio di sette proteine ??centrali per la motilità cellulare, germogli nuovi filamenti di actina da quelli preesistenti e quindi generi reti dense e ramificate che forniscono le forze protrusive richieste alla cellula.

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Scelte difficili

Fino ad ora, gli scienziati dovevano decidere quando analizzare la struttura del complesso Arp2 / 3: un’opzione era studiarlo isolatamente, dove il complesso proteico è in una conformazione inattiva e quindi non consente di capire come sia la rete formato. Per essere completamente attivato, tuttavia, il complesso Arp2 / 3 deve essere legato ai filamenti di actina. Ciò richiede l’utilizzo di un metodo chiamato tomografia elettronica, che ha un costo di risoluzione notevolmente inferiore. “I dati precedenti di tomografia elettronica di complessi Arp2 / 3 legati a filamenti di actina in un ambiente di provetta erano troppo imprecisi, rendendo impossibile dire in modo univoco dove devono essere localizzati i singoli elementi del complesso”, spiega Florian Fäßler, un postdoc nel gruppo del professore IST Austria Florian Schur.

Da più di due anni cerca un modo per rappresentare il complesso proteico nel suo ambiente naturale in modo tale che le singole strutture possano essere analizzate con precisione. Adesso ci è riuscito. Ha ripreso il complesso all’interno dei lamellipodi delle cellule di topo nella sua conformazione attiva legata all’actina. “Ci siamo detti: Ok, stiamo andando nella cellula, dove l’ambiente è molto più intricato perché non ci sono solo il complesso proteico e i filamenti di actina ma anche ogni sorta di altre cose. Ma questo era l’unico modo in cui eravamo in grado di mantenere questa rete in modo tale da poter determinare la sua struttura “, afferma il biologo molecolare Florian Schur.

Il complesso proteico Arp2 / 3 con le sue sette subunità (colorate) mentre si lega ai filamenti di actina (grigio).

Cellule congelate

Ciò è stato reso possibile da temperature di meno 196 gradi Celsius. In pochi millisecondi, i ricercatori hanno congelato i campioni, troppo rapidamente per consentire la formazione di cristalli di ghiaccio che avrebbero distrutto le strutture sottili della cellula. Hanno quindi utilizzato uno dei più potenti microscopi crioelettronici disponibili – e l’unico del suo genere in Austria – per visualizzare le cellule da diverse angolazioni utilizzando la tomografia crioelettronica. In questo modo, il team ha raccolto dati sufficienti per la ricostruzione 3D di oltre 10.000 complessi Arp2 / 3 nel loro stato attivo. In combinazione con l’elaborazione avanzata delle immagini, hanno quindi generato un modello 3D del complesso Arp2 / 3 con una risoluzione inferiore a un nanometro. Per fare un confronto: i capelli umani hanno uno spessore di circa 50.000 nanometri. ”

Fino al limite

A causa della metodologia avanzata, il team ha potuto confutare un modello precedente che aveva ipotizzato connessioni di aree molto più ampie tra il complesso Arp2 / 3 e i filamenti di actina. Tuttavia, gli scienziati hanno confermato altri aspetti di come questo complesso è regolato e forma nuovi filamenti di actina. Con questa conoscenza, altri scienziati possono ora comprendere meglio la regolazione e l’attività di questo importante complesso proteico nei suoi molteplici ruoli oltre la motilità cellulare e lo sviluppo della malattia. “Quello che abbiamo fatto è andare il più lontano possibile attualmente con campioni così complessi in termini di metodologia e risoluzione. Con l’attuale risoluzione, abbiamo acquisito nuove intuizioni biologiche, ma è stato anche un progresso metodologico da mostrare: è possibile , “Dice Schur con entusiasmo. Florian Fäßler ora vuole migliorare ulteriormente il metodo per visualizzare altre proteine ??ed esplorare fino a che punto il metodo ci permette di vedere all’interno di una cellula. “Stiamo appena iniziando a realizzare il pieno potenziale della tomografia crioelettronica”, afferma Schur.

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