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

Oct 08, 2023

Professore di biologia computazionale e dei sistemi, vicerettore senior associato per la strategia e la pianificazione scientifica, Università di Pittsburgh

Jeremy Berg non lavora, non fa consulenza, non possiede azioni o riceve finanziamenti da alcuna società o organizzazione che trarrebbe beneficio da questo articolo e non ha rivelato affiliazioni rilevanti oltre alla sua nomina accademica.

L'Università di Pittsburgh fornisce finanziamenti come membro di The Conversation US.

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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 cominciando a essere in grado di visualizzare questa attività a un livello di dettaglio mai raggiunto 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, si è verificato 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 proteine ​​nelle cellule.

Per analogia con Google Maps, anche se gli scienziati sono stati in grado di vedere intere città e singole case, non avevano gli strumenti per vedere come le case si univano 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 colmando costantemente questo divario. E lo sviluppo continuo di una tecnica particolare, la tomografia crioelettronica, o crio-ET, ha il potenziale per approfondire il modo in cui i ricercatori studiano e comprendono come funzionano le cellule in salute e in malattia.

In qualità di ex redattore capo della rivista Science e di 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 come sono, capire come le strutture biologiche si incastrano in una cellula è fondamentale per capire come funzionano gli organismi.

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, compresi gli organelli come il reticolo endoplasmatico, una complessa rete di membrane che svolgono un ruolo chiave nella sintesi e nel trasporto delle proteine.

Dagli anni Quaranta agli anni Sessanta, 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 prossima. 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.

Negli ultimi dieci anni, 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.

La microscopia crioelettronica, o crio-EM, utilizza una fotocamera per rilevare come un fascio 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 acquisendo 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 sono troppo spesse per essere visualizzate in modo chiaro, una regione di interesse in una cellula viene prima assottigliata utilizzando un fascio ionico. Il campione viene quindi inclinato per scattarne più foto da diverse angolazioni, analogamente a una scansione TC di una parte del corpo, anche se in questo caso è inclinato il sistema di imaging stesso, anziché il paziente. Queste immagini vengono poi combinate da un computer per produrre un'immagine 3D di una porzione della cellula.