La microscopia “dolce” che guarda dentro alle cellule

Osservare l’interno di una cellula, come interagiscono tra di loro organelli citoplasmatici e biomolecole, è un elemento fondamentale per comprenderne il funzionamento. La microscopia a fluorescenza ha permesso, negli ultimi anni, di fare passi da gigante in questo ambito, permettendo agli scienziati di osservare in tempo reale il dinamismo interno alla cellula. La tecnica ha però un limite: colpite dal raggio di luce troppo a lungo, le cellule finiscono per essere danneggiate in modo irreparabile. Dal laboratorio di Eric Betzig, premio Nobel per la chimica 2014 e padre della microscopia a singola molecola, arriva una tecnica rivoluzionaria che permette di studiare i dettagli interni di una cellula in un modo più “dolce”, senza alterarne le strutture e la funzione.

Una cellula tumorale (in verde) analizzata con il nuovo metodo messo a punto dal laboratorio di Betzig: la griglia (in arancione) frammenta il fascio di luce e protegge il campione (Video: BetzigLab)

Osservare le cellule in 4D: la risoluzione spazio-temporale nella microscopia
Non è la prima volta che i ricercatori studiano l’interno di una cellula in 4D, con tecniche (come la light-sheet microscopy) che uniscono all’analisi tridimensionale della cellula la quarta dimensione, ovvero il tempo, mostrando l’interazione dinamica tra singole molecole. Queste tecniche, chiamate di bioimaging, presentano però un grosso limite quando si vogliano analizzare cellule vive: per apprezzare le interazioni dinamiche tra molecole sono necessari lunghi tempi di osservazione, così lunghi che le cellule finiscono per essere danneggiate dal continuo bombardamento di luce. Le strutture cellulari vengono alterate, al punto da rendere le cellule inutilizzabili per altre analisi. I risultati ottenuti da queste indagini non sono poi privi di errori di interpretazione: come avere la certezza che l’interazione osservata non sia un artefatto del danno indotto dalla luce?

La microscopia “dolce” di Betzig
Per far fronte a questo limite, il gruppo di ricerca di Eric Betzig ha messo a punto una tecnica che permette di garantire un’alta risoluzione elle immagini senza danneggiare le cellule. Il segreto sta nello stratagemma utilizzato per illuminare le cellule: anziché colpirle con un raggio di luce ad alta intensità, i ricercatori hanno pensato di dirigere il raggio verso una griglia tridimensionale, all’interno della quale è posto il campione da analizzare. La griglia finisce per frammentare il raggio, restituendo una luce di intensità minore che permette di analizzare le cellule per periodi molto più lunghi, senza danneggiarne le strutture interne.

La nuova tecnica permette di guardare all’interno di un embrione (in questo video quello di un verme) mano a mano che le contrazioni muscolari lo fanno avvolgere su se stesso (Video: BetzigLab).

Le applicazioni possibili
Il gruppo di ricerca di Berzig ha già testato alcune delle possibili applicazioni di questa nuova tecnologia. Dallo studio degli organelli citoplasmatici alle interazioni tra macromolecole, dal riarrangiamento dinamico delle strutture di un embrione in formazione all’interazione tra fattori per la trascrizione del DNA: sono solo alcune delle applicazioni che questo nuovo tipo di analisi 4D ad alta risoluzione promette di restituire senza danni per la cellula. Un presupposto ideale per favorire uno studio più accurato e privo di artefatti sperimentali, ma anche per incentivare la scoperta di nuovi fenomeni biologici – dallo sviluppo fisiologico alla genesi di malattie: fenomeni che, fino ad oggi, sono forse rimasti inesplorati perché la risoluzione spazio-temporale era insufficiente a farli balzare agli occhi degli scienziati.

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