La divisione cellulare, o il processo attraverso cui le cellule figlie emergono da una cellula madre, è fondamentale per la biologia. Ogni cellula eredita gli stessi mattoni molecolari costituiti dalle proteine e dal DNA della cellula da cui proviene. Tuttavia, come questi mattoni molecolari si organizzino per formare nuove cellule è rimasto un mistero.
Lo studio della divisione cellulare richiede di osservare contemporaneamente macromolecole a scala nanometrica come proteine e DNA, fino a popolazioni cellulari a scala millimetrica, e in un intervallo di tempo che va da pochi secondi a settimane. I microscopi precedenti erano in grado di catturare oggetti molto piccoli solo per brevi periodi di tempo, tipicamente solo per decine di secondi. Non esisteva un metodo che potesse esaminare contemporaneamente una vasta gamma di dimensioni e tempi.
Un team presso il Gruppo di Bioplasmonica dell’Università del Michigan ha sviluppato un nuovo tipo di imaging a super-risoluzione che rivela caratteristiche precedentemente sconosciute della divisione cellulare.
Avanzando nell’imaging a super-risoluzione
Non era possibile osservare le cellule a livello molecolare fino a poco tempo fa, fino allo sviluppo della super-risoluzione, che ha vinto il premio Nobel nel 2014.
I tradizionali microscopi ottici sfocano gli oggetti molto piccoli che sono vicini tra loro in un campione, poiché la luce si diffonde mentre si sposta nello spazio. Con la super-risoluzione, le sonde fluorescenti attaccate al campione possono essere accese e spente come stelle che brillano in una notte serena. Raccogliendo e combinando molte immagini di queste sonde, è possibile ottenere un’immagine a super-risoluzione che mostra oggetti molto piccoli. La super-risoluzione ha aperto un nuovo mondo in biologia, rivelando strutture grandi solo 10 nanometri, che è circa la dimensione di una molecola proteica.
Tuttavia, le sonde fluorescenti su cui si basa questa tecnica possono deteriorarsi rapidamente. Ciò limita la sua utilità nello studio di processi che si svolgono nel corso di periodi prolungati, come la divisione cellulare.
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Il team di ricerca ha sviluppato una soluzione chiamata nanoscopia PINE. Invece di assorbire la luce come fanno le sonde fluorescenti tradizionali, le sonde che utilizzano diffondono la luce in modo che non si degradino con l’esposizione ripetuta alla luce.
Per risolvere oggetti molto piccoli che sono vicini tra loro, hanno costruito filtri composti da sottili strati di polimeri e cristalli liquidi che consentono la rilevazione della luce diffusa, attivando e disattivando le sonde. Ciò ha permesso di osservare dettagli a scala nanometrica delle cellule che altrimenti sarebbero stati sfocati dai microscopi tradizionali.
Straordinariamente, hanno scoperto che questi dettagli a scala nanometrica potevano essere osservati per lunghi periodi, oltre 250 ore. Questi dettagli sarebbero tipicamente persi nel tempo con i metodi tradizionali di super-risoluzione.
Portando nuova luce sulla divisione cellulare
Hanno quindi applicato il loro metodo allo studio di come i mattoni molecolari si organizzano durante la divisione cellulare.
Si sono concentrati su una proteina chiamata actina, che aiuta a mantenere la struttura cellulare, tra le molte altre funzioni. L’actina ha una forma simile a filamenti ramificati, ognuno di circa 7 nanometri (milionestimi di millimetro) di diametro, che si collegano tra loro per coprire migliaia di nanometri. Utilizzando la nanoscopia PINE, hanno attaccato sonde di diffusione all’actina per seguire visivamente le cellule umane mentre si dividevano.
Hanno fatto tre osservazioni su come i mattoni molecolari dell’actina si organizzano durante la divisione cellulare. Primo, questi mattoni molecolari si espandono per aumentare le loro connessioni con i vicini. Secondo, si avvicinano anche ai loro vicini per aumentare i punti di contatto. E terzo, le reti risultanti tendono a contrarsi quando le molecole di actina sono più connesse tra loro e a espandersi quando sono meno connesse tra loro.
Basandosi su queste scoperte, sono stati in grado di scoprire nuove informazioni sul processo di divisione cellulare. Hanno scoperto che le interazioni tra i mattoni molecolari dell’actina si sincronizzano con la contrazione e l’espansione dell’intera cellula durante la divisione. In altre parole, il comportamento delle molecole di actina è collegato al comportamento della cellula: la cellula si contrae quando l’actina si espande, e si espande quando l’actina si contrae.
Scoprire malattie con la super-risoluzione
Il team ha intenzione di utilizzare questo metodo per studiare come altri mattoni molecolari si organizzano nei tessuti e negli organi. Come le cellule, anche i tessuti e gli organi si organizzano in una gerarchia che può essere esaminata su scala piccola e grande. Esaminare il processo dinamico e complesso di come i mattoni proteici interagiscono tra loro per formare strutture più grandi potrebbe avanzare nella futura creazione di nuovi tessuti e organi di ricambio, come gli innesti cutanei.
Hanno anche in programma di utilizzare la loro tecnica di imaging per studiare come i mattoni proteici diventano disorganizzati nelle malattie. Le proteine si organizzano nelle cellule, le cellule si organizzano nei tessuti e i tessuti si organizzano negli organi. Un piccolo cambiamento nei mattoni può disturbare questa organizzazione, con effetti che possono portare a malattie come il cancro. Questa tecnica potrebbe aiutare i ricercatori a visualizzare e, di conseguenza, a comprendere meglio come i difetti molecolari nei tessuti e negli organi possono svilupparsi in malattie.
Autore
Somin Lee, Università del Michigan
