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Visualizzare l’interno delle cellule a risoluzioni precedentemente impossibili fornisce informazioni vivide su come funzionano

Tutta la vita è costituita da cellule di diverse grandezze più piccole di un granello di sale . Le loro strutture apparentemente semplici mascherano l’intricata e complessa attività molecolare che consente loro di svolgere le funzioni che sostengono la vita. I ricercatori stanno iniziando a essere in grado di visualizzare questa attività a un livello di dettaglio che non erano mai stati in grado di visualizzare prima.

Le strutture biologiche possono essere visualizzate partendo dal livello dell’intero organismo e procedendo verso il basso, oppure partendo dal livello dei singoli atomi e procedendo verso l’alto. Tuttavia, c’è stato un divario di risoluzione tra le strutture più piccole di una cellula, come il citoscheletro che supporta la forma della cellula, e le sue strutture più grandi, come i ribosomi che producono le proteine ??nelle cellule.

Per analogia con Google Maps, mentre gli scienziati sono stati in grado di vedere intere città e singole case, non avevano gli strumenti per vedere come le case si unissero per formare i quartieri. Vedere questi dettagli a livello di quartiere è essenziale per poter capire come i singoli componenti lavorano insieme nell’ambiente di una cellula.

Nuovi strumenti stanno costantemente colmando questa lacuna. E lo sviluppo in corso di una particolare tecnica, la tomografia crioelettronica, o cryo-ET , ha il potenziale per approfondire il modo in cui i ricercatori studiano e comprendono come funzionano le cellule in condizioni di salute e malattia.

Cryo-EM ha vinto il Premio Nobel 2017 per la chimica.

Come ex redattore capo della rivista Science e come ricercatore che ha studiato per decenni strutture proteiche di grandi dimensioni difficili da visualizzare, ho assistito a progressi sorprendenti nello sviluppo di strumenti in grado di determinare le strutture biologiche in dettaglio. Proprio come diventa più facile capire come funzionano i sistemi complicati quando si sa che aspetto hanno, capire come le strutture biologiche si incastrano in una cellula è la chiave per capire come funzionano gli organismi.

Breve storia della microscopia

Nel XVII secolo, la microscopia ottica rivelò per la prima volta l’esistenza delle cellule. Nel 20° secolo, la microscopia elettronica ha offerto dettagli ancora maggiori, rivelando le strutture elaborate all’interno delle cellule , inclusi organelli come il reticolo endoplasmatico, una complessa rete di membrane che svolgono ruoli chiave nella sintesi e nel trasporto delle proteine.

Dagli anni ’40 agli anni ’60, i biochimici hanno lavorato per separare le cellule nei loro componenti molecolari e imparare a determinare le strutture 3D delle proteine ??e di altre macromolecole a una risoluzione atomica o vicina. Ciò è stato fatto per la prima volta utilizzando la cristallografia a raggi X per visualizzare la struttura della mioglobina , una proteina che fornisce ossigeno ai muscoli.

Nell’ultimo decennio, le tecniche basate sulla risonanza magnetica nucleare , che produce immagini basate su come gli atomi interagiscono in un campo magnetico, e la microscopia crioelettronica hanno rapidamente aumentato il numero e la complessità delle strutture che gli scienziati possono visualizzare.

Cos’è la crio-EM e la crio-ET?

La microscopia crioelettronica, o cryo-EM , utilizza una fotocamera per rilevare come un raggio di elettroni viene deviato mentre gli elettroni passano attraverso un campione per visualizzare le strutture a livello molecolare. I campioni vengono rapidamente congelati per proteggerli dai danni da radiazioni. I modelli dettagliati della struttura di interesse vengono realizzati prendendo più immagini di singole molecole e calcolandone la media in una struttura 3D.

Cryo-ET condivide componenti simili con cryo-EM ma utilizza metodi diversi. Poiché la maggior parte delle cellule è troppo spessa per essere ripresa chiaramente, una regione di interesse in una cella viene prima assottigliata utilizzando un raggio ionico. Il campione viene quindi inclinato per scattare più foto da diverse angolazioni, analogamente a una scansione TC di una parte del corpo, sebbene in questo caso sia il sistema di imaging stesso a essere inclinato, piuttosto che il paziente. Queste immagini vengono poi combinate da un computer per produrre un’immagine 3D di una porzione della cellula.

Immagine Cryo-ET di cloroplasti algali

La risoluzione di questa immagine è sufficientemente elevata da consentire ai ricercatori, o ai programmi per computer, di identificare i singoli componenti di diverse strutture in una cellula. I ricercatori hanno utilizzato questo approccio, ad esempio, per mostrare come le proteine ??si muovono e vengono degradate all’interno di una cellula algale .

Molti dei passaggi che un tempo i ricercatori dovevano eseguire manualmente per determinare le strutture delle cellule stanno diventando automatizzati, consentendo agli scienziati di identificare nuove strutture a velocità notevolmente più elevate. Ad esempio, la combinazione di cryo-EM con programmi di intelligenza artificiale come AlphaFold può facilitare l’interpretazione delle immagini prevedendo strutture proteiche che non sono state ancora caratterizzate.

Comprendere la struttura e la funzione delle cellule

Con il miglioramento dei metodi di imaging e dei flussi di lavoro, i ricercatori saranno in grado di affrontare alcune questioni chiave nella biologia cellulare con strategie diverse.

Il primo passo è decidere quali cellule e quali regioni all’interno di quelle cellule studiare. Un’altra tecnica di visualizzazione chiamata microscopia ottica ed elettronica correlata, o CLEM , utilizza tag fluorescenti per aiutare a localizzare le regioni in cui si stanno verificando processi interessanti nelle cellule viventi.

Immagine Cryo-EM del virus della leucemia a cellule T umane di tipo 1 (HTLV-1)

Il confronto della differenza genetica tra le cellule può fornire ulteriori informazioni. Gli scienziati possono osservare le cellule che non sono in grado di svolgere particolari funzioni e vedere come ciò si riflette nella loro struttura. Questo approccio può anche aiutare i ricercatori a studiare come le cellule interagiscono tra loro.

È probabile che Cryo-ET rimanga uno strumento specializzato per qualche tempo. Ma ulteriori sviluppi tecnologici e la crescente accessibilità consentiranno alla comunità scientifica di esaminare il legame tra struttura cellulare e funzione a livelli di dettaglio precedentemente inaccessibili. Prevedo di vedere nuove teorie su come comprendiamo le cellule, passando da sacchi disorganizzati di molecole a sistemi complessi e dinamici.


Articolo ripubblicato da The Conversation, sotto una licenza Creative Commons, per leggere l’articolo originale clicca qui.

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