La nuova tecnica permette di aggirare sia il limite risolutivo spaziale che quello temporale dei microscopi ottici, e di osservare, all’interno delle cellule, molecole biologiche fondamentali per la vita. Lo studio dell’Istituto Italiano di Tecnologia è stato pubblicato sulla rivista internazionale “Light: Science & Applications”
Genova, 20 maggio 2021 – Studiare i movimenti delle biomolecole all’interno delle cellule del corpo umano e le interazioni che instaurano tra loro è una delle più importanti sfide scientifiche dei giorni d’oggi. Infatti, le piccole dimensioni di tali molecole, il loro elevatissimo numero all’interno di una cellula e i limiti risolutivi dei microscopi rendono la loro osservazione estremamente complicata.
I ricercatori del gruppo di Molecular Microscopy and Spectrosocopy dell’IIT-Istituto Italiano di Tecnologia hanno potenziato una tecnica chiamata Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), che permette di ricavare informazioni sulla dinamica e sulle interazioni delle biomolecole senza visualizzarle direttamente, ma registrando le variazioni dell’intensità della luce che le illumina mentre sono in movimento.
Le molecole, cioè, appaiono come se fossero delle lucciole nel buio, di cui vengono registrati i lampi luminosi. Tale tecnica fornisce agli scienziati un metodo per osservare processi biologici, anche legati a patologie come i tumori e le malattie neurodegenerative, direttamente all’interno delle cellule e quindi in condizioni fisiologiche.
La ricerca è stata realizzata da IIT in collaborazione con il Politecnico di Milano e con il sostegno della Compagnia di San Paolo. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista internazionale “Light: Science & Applications” https://doi.org/10.1038/s41377-021-00475-z
Per essere in grado di curare malattie come il cancro o le malattie neurodegenerative, è necessario comprendere i meccanismi complessi alla base del funzionamento cellulare. Tuttavia, questo compito è ostacolato dalle piccole dimensioni delle strutture biologiche che compongono qualsiasi organismo vivente.
I microscopi ottici sono uno strumento cruciale nell’imaging biologico, poiché aiutano a visualizzare cellule, organelli cellulari e strutture sopramolecolari come complessi proteici. Sfortunatamente, la risoluzione di un microscopio è limitata dalla fisica a circa 200 nanometri (500 volte più piccolo dello spessore di un capello). Le biomolecole che compongono una cellula sono di dimensioni inferiori rispetto a tale limite.
Il gruppo di Molecular Microscopy and Spectrosocopy dell’IIT-Istituto Italiano di Tecnologia, coordinati dal ricercatore Giuseppe Vicidomini, stanno lavorando per rivoluzionare una tecnica chiamata Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), che permette di ricavare informazioni sulla dinamica e sulle interazioni delle molecole senza visualizzarle direttamente, aggirando così il limite di risoluzione del microscopio.
Il nuovo metodo consiste nel dirigere un laser su un campione biologico, creando su di esso un punto di luce molto piccolo, e registrare mediante un rilevatore le fluttuazioni in termini di intensità di luce mentre le molecole si muovono all’interno di tale punto. L’analisi delle fluttuazioni restituisce informazioni sulla dinamica delle molecole e sulle loro interazioni.
“Fare una misura con il nostro metodo è come guardare durante la notte un insieme di lucciole che volano e che brillano nel buio – racconta Eli Slenders, primo autore dello studio e ricercatore di IIT – È difficile sapere le posizioni e i movimenti delle singole lucciole nel caos, ma usando una camera si può realizzare un video dove registrare i lampi di luce. Analizzando le posizioni di questi lampi nel tempo ricaviamo molte informazioni statistiche su come si muovono e si comportano le lucciole nel buio della notte”.
La tecnica è in uso da diversi decenni, ma i ricercatori hanno introdotto un particolare matrice di rilevatori di luce, in grado di decomporre il segnale luminoso nei suoi più piccoli mattoni, i fotoni, così che sia possibile ottenere informazioni sulle biomolecole difficili da rivelare con i tradizionali sensori.
Tali rivelatori, chiamati single-photon-avalanche-diode (SPAD) array, sono usati in moltissime tecnologie di uso quotidiano, quali i sensori di posizione delle auto o del cellulare. Il gruppo di ricerca ha ottimizzato tali sensori in modo da registrare la luce proveniente dalle singole molecole, la quale è diversi milioni di volte più debole della luce utilizzata invece dai sensori di posizionamento.
La nuova tecnica permette di osservare direttamente i processi che accadono all’interno delle cellule e che riguardano le interazioni e i cambiamenti strutturali delle biomolecole, quali ad esempio DNA, RNA e proteine. Tale tecnica può essere applicata nella genomica per visualizzare il ciclo di vita dell’RNA; nelle neuroscienze per comprendere il comportamento di alcune proteine nelle sinapsi neuronali e l’origine di malattie neurodegenerative; e nella biologia dei tumori per evidenziare specifiche alterazioni nella divisione cellulare.
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