Cromatina osservata a livello molecolare
La cromatina è il complesso di DNA e proteine organizzative compressi all’interno del nucleo. La struttura della cromatina è estremamente importante dal momento che il rimodellamento può portare ad attivazione o repressione dei geni. Il controllo genico è fondamentale per lo sviluppo delle cellule staminali, in cui una cellula pluripotente può diventare uno qualsiasi tra diversi tipi di cellule del corpo; è essenziale, per i ricercatori, avere un controllo preciso di queste cellule per la terapia a base di cellule staminali. Ugualmente importante è l’epigenetica, dove la trascrizione del gene può essere modificata dall’ambiente della cromatina. Una ricerca recente ha mostrato che l’organizzazione spaziale della cromatina è un fattore chiave che regola il silenziamento e l’espressione dei geni. La struttura della cromatina rimane tuttavia scarsamente determinata a causa delle scale micrometriche di lunghezza coinvolte e delle limitazioni nella risoluzione spaziale, dello scarso rapporto segnale/rumore e della media d’insieme nei metodi esistenti. Basta con la convenzionale microscopia a fluorescenza, ecco la SRFM Il ricercatore principale del progetto VCSD (Visualising chromatin structure and dynamics), il dott. Jason Otterstrom, grazie al finanziamento derivante da una borsa di studio Marie Curie ha utilizzato la microscopia a fluorescenza a super risoluzione (SRFM) per superare questi limiti. Con un’ampia esperienza nella microscopia a fluorescenza applicata ai sistemi biologici, ha lavorato in due laboratori all’Istituto per le scienza fotoniche di Barcellona, prima con Melike Lakadamyali e negli ultimi tempi con il dott. Loza-Alvarez, entrambi esperti di SRFM. La tecnica utilizzata identifica la posizione 3D di singoli colori fluorescenti e ricostruisce un’immagine utilizzando queste posizioni, simile al puntinismo o ai pittori dell’arte «punteggiata» del diciannovesimo secolo. L’obiettivo complessivo di VCSD era quello di stabilire un nuovo quadro per la caratterizzazione della struttura della cromatina. «Per fare questo, abbiamo dovuto sviluppare una metodologia e un algoritmo per sovrapporre i dati della microscopia a super risoluzione in due colori e in 3D», spiega il dott. Otterstrom. Utilizzando l’algoritmo, i dati con super risoluzione hanno contribuito a visualizzare e quantificare il DNA insieme agli istoni su una scala globale subito dopo la riorganizzazione della cromatina. Il prossimo passo sarebbe quello di prendere di mira un sito del gene definito all’interno del nucleo per studiare l’organizzazione e la riorganizzazione della cromatina su una scala locale, visto che si correla con l’espressione genica. La ricerca dei colori perfetti per immagini multicolore L’utilizzo di diversi colori per la creazione di immagini multicolore ha presentato varie sfide. «Ho scoperto che, anche se alcuni colori sono adatti per la realizzazione di immagini di alcune strutture nella SRFM basata sulla localizzazione di singole molecole, essi non funzionano per altre strutture, come per esempio per gli istoni che intendevo visualizzare», sottolinea il dott. Otterstrom. La risposta è stata quella di effettuare un’ampia ricerca per i colori appropriati insieme con le condizioni necessarie del tampone. Infine, la collaborazione con un altro studente di dottorato ha introdotto l’idea di utilizzare un metodo ortogonale a singola molecola che aveva differenti requisiti per la qualità del colore. «Ho dovuto adattare il mio flusso di lavoro dei dati per mettere assieme le due strategie per la creazione di immagini, ma è stato un successo», riferisce il dott. Otterstrom. Future applicazioni su base personale e molto più ampie L’analisi dei risultati di VCSD prosegue, come anche la registrazione di dati. Si prevede che la metodologia sviluppata venga adottata dai ricercatori nel campo delle cellule staminali e in quello della biologia della cromatina, rafforzando in tal modo la reputazione globale dell’Europa nel settore dell’innovazione scientifica. «La borsa di studio Marie Curie mi ha consentito di dedicarmi alle applicazioni della quantificazione strutturale della cromatina in veste di ricercatore biofisico indipendente, oltre a trovare un lavoro appagante in questo campo», riassume il dott. Otterstrom. Con la crescente importanza delle conoscenze relative alla struttura della cromatina su scala nanometrica in applicazioni delle cellule staminali e dell’epigenetica in generale, VCSD ha accumulato una solida base di conoscenze per un settore biomedico in rapida espansione.
Parole chiave
VCSD, cromatina, microscopia a fluorescenza a super risoluzione (SRFM), cellula staminale, istone, pluripotente, epigenetica, ortogonale a singola molecola
