Svelati i movimenti dentro la cellula

SCOPERTE – Carmine di Rienzo, Vincenzo Piazza, Enrico Gratton, Fabio Beltram e Francesco Cardarelli sono su Nature Communications. Cinque italiani con una tecnica nuova di zecca, che è innovazione con la “i” maiuscola, potrebbero rivoluzionare la biologia cellulare. I ricercatori – appartenenti al Center for Nanotechnology Innovation (CNI) dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), e in collaborazione con il laboratorio NEST della Scuola Normale di Pisa e l’Università della California di Irvine – hanno ideato una nuova tecnica di osservazione ad alta risoluzione spaziale e temporale in grado di svelare il movimento di molecole all’interno della cellula.

In buona sostanza la tecnica consente di seguire il viaggio di una proteina, o di una un’altra molecola, all’interno della cellula su scala temporale circa 100 volte più veloce di quella consentita dalle tecniche attuali. I risultati prodotti, infatti, mostrano la diffusione delle proteine con una risoluzione temporale di 1 microsecondo (1 milionesimo di secondo) e su scala nanometrica (un miliardesimo di metro).
La nuova tecnica svela com’è organizzata la vita nella cellula utilizzando la proteina verde fluorescente (GFP), uno standard di laboratorio per lo studio della diffusione intracellulare.

Isolata da una medusa del nord del Pacifico, la Aequorea Victoria, la proteina verde fluorescente è  stata la “lampadina” che ha permesso ai ricercatori di vedere ciò che succede nella cellula. “Il ‘trucco’ che abbiamo usato – spiega Francesco Cardarelli – è stato quello di usare la GFP da sola, non attaccandola da altre molecole. Questo ci ha permesso di navigare nell’ambiente cellulare liberamente, esplorandolo senza altre interazioni. Ed è così che abbiamo ottenuto le risposte che volevamo. È un po’ come essere al posto della proteina e vedere ciò che lei vede mentre si sposta all’interno della cellula”.

“Abbiamo dimostrato che nella cellula c’è l’acqua”, spiega Cardarelli. Sì, perché, anche se lo sapevamo, non l’avevamo mai misurata. “Potendo andare così veloci abbiamo potuto vedere che la proteina, quando fa piccoli passi, si muove come in acqua, cosa che nessuno era mai riuscito a osservare prima. Nella cellula, infatti, ci sono molte altre strutture, come lo scheletro cellulare, le membrane e altre proteine. Con  la risoluzione a disposizione finora si era potuto misurare soltanto il movimento della proteina influenzato dall’impatto con queste strutture e, quindi, apparentemente rallentato. Avere una soluzione temporale più alta ci ha permesso di scoprire e misurare definitivamente la presenza di acqua e di vedere come il movimento della proteina ne è influenzato”.

Più precisamente l’acqua è stata identificata all’interno di cavità nanoscopiche comunicanti tra loro, che le molecole usano come “binari” lungo i quali spostarsi in modo più efficace per attraversare l’ambiente cellulare. “Partendo da questa nuova velocità e rallentando progressivamente a piacere – precisa il ricercatore – abbiamo potuto riempire il gap che separava la nostra tecnica da quelle finora usate, coprendo cioè tutte le possibili scale temporali che separano le due tecniche. Così abbiamo stabilito con precisione la grandezza caratteristica delle nanocavità. Anche se la nostra misurazione non porta ad una visione descrittiva delle cavità, cioè a quello che si potrebbe ottenere con una foto classica (che non era lo scopo dello studio, ndr), abbiamo potuto indicare che si estendono mediamente fino a 100 nanometri”.

Le applicazioni future della tecnica sono interessantissime. Innanzitutto il team, oltre alla cellula eucariotica oggetto di questo studio, ha iniziato a indagare con la stessa proteina l’ambiente interno di un batterio, ma nel futuro c’è ancora più carne al fuoco. “Una volta che abbiamo capito com’è fatto l’ambiente cellulare usando la sola proteina verde fluorescente – conclude Cardarelli – possiamo attaccarla ad altre proteine di interesse e ‘seguirle’. Interessanti sono anche le possibili applicazioni nell’ambito della nanomedicina: potremo agganciare la ‘lampadina’ ad un farmaco (che è molto piccolo e si muove troppo rapidamente per essere osservato con le tecniche standard) e seguirlo all’interno della cellula. Per studiarlo e magari migliorarlo”. Traguardo più lontano, ma credibile, è quello che prevede la possibilità di utilizzare questa risoluzione per svelare i dettagli più minuti del movimento di virus e batteri in tutto il loro percorso all’interno delle cellule e, in generale, degli organismi viventi.

Curiosità per geek
Nel nanomondo cellulare le molecole seguono il moto browniano, comportamento dimostrato per le soluzioni diluite, come l’acqua, dalle leggi di Einstein. Questo è il tipo di movimento – incessante e disordinato – che seguono anche proteine all’interno della cavità d’acqua. Si tratta di un’altra rivelazione di questo studio, perché fino ad ora la mancanza di metodi di indagine appropriati per il nanomondo aveva portato a descrivere una fenomenologia diversa, un moto più lento proprio perché influenzato dalla presenza di ostacoli alla diffusione.

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Crediti immagine: Christine Baek, Flickr