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Super-resolution visualisation and manipulation of metaphase chromosomes

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Una nuova era nella ricerca dei cromosomi

In molti stati patologici, quali il cancro, la ridotta fertilità e i disturbi neurologici, si riscontrano anomalie cromosomiche. Per comprendere appieno come errori nella divisione cellulare possano portare a malattia, è necessario, per gli scienziati, studiare cromosomi sani e malati in tutta la loro complessità.

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Tradizionalmente, l’indagine cromosomica comporta l’isolamento e la preparazione di cromosomi in metafase da cellule mitotiche. Questo processo non è tuttavia adatto per gli esperimenti in vitro, in quanto i cromosomi sono fissi, cosa che ne impedisce lo studio delle dinamiche.

Un dispositivo microfluidico per isolare e studiare i cromosomi

Per affrontare questo problema, il progetto CHROMAVISION, finanziato dall’UE, ha sviluppato una piattaforma pionieristica di immaginografia e manipolazione dei cromosomi che consente lo studio di singoli cromosomi provenienti da campioni cellulari utilizzando un microscopio a super risoluzione. «Il nostro strumento consente per la prima volta lo studio dettagliato in tempo reale della struttura dei cromosomi in metafase e delle loro proteine​associate», spiega il prof. Gijs Wuite, coordinatore del progetto. Lo strumento CHROMAVISION combina microfluidica lab-on-a-chip, pinzette ottiche multi-trap e microscopia a fluorescenza a super risoluzione. I singoli cromosomi possono essere catturati attaccando piccole perline di dimensioni micrometriche alle estremità del cromosoma in metafase e trattenendo queste perline in due pinzette ottiche. Queste perline servono a trattenere il cromosoma in una posizione fissa nella camera del dispositivo microfluidico e possono persino allungare i cromosomi allontanando le perline tra di loro. Lo strumento offre inoltre la possibilità di utilizzare raggi laser per scansionare i cromosomi, fornendo così informazioni sulla posizione delle proteine associate che sono state etichettate con fluorofori. Combinando immagini delle posizioni di diverse proteine chiave che costruiscono l’impalcatura di un cromosoma in metafase, gli scienziati possono ottenere una mappa 3D di come è costruito il cromosoma. I partner del progetto hanno generato un prototipo pronto per la produzione, inviato a vari laboratori a scopo di test. Il prototipo consente l’imaging molecolare a super risoluzione del DNA nel cromosoma con la possibilità di testare l’elasticità di un cromosoma in metafase e di visualizzare proteine specifiche al suo interno.

Vantaggi di CHROMAVISION e prospettive future

Secondo il prof. Wuite, il più grande risultato del progetto è stato «lo sviluppo di un singolo strumento in grado di isolare, trattenere ed eseguire l’imaging di cromosomi in metafase in cellule con super risoluzione». Lo stesso sottolinea che ciò non sarebbe stato possibile senza il duro lavoro e la proficua collaborazione dei cinque diversi team di ricerca di tre paesi. Il più grande vantaggio dello strumento CHROMAVISION rispetto alle soluzioni esistenti è la sua capacità di utilizzare cromosomi in metafase non fissi per studi di immaginografia e manipolazione. Ciò consente ai ricercatori di esaminare gli aspetti dinamici dei cromosomi quali il movimento delle proteine e/o l’allungamento dei cromosomi. Esso agevola inoltre l’immaginografia delle interazioni delle proteine del DNA a livello molecolare in tempo reale in condizioni quasi fisiologiche. Il prof. Wuite è fiducioso che la piattaforma CHROMAVISION spingerà i confini di ciò che è attualmente possibile in microfluidica e microscopia a super risoluzione e alimenterà i prossimi decenni di studi sui cromosomi. Lo strumento aiuterà ad affrontare le sfide chiave nella ricerca cromosomica clinica e fondamentale, portando potenzialmente a scoperte rivoluzionarie. Una migliore immaginografia e una migliore comprensione dei meccanismi cromosomici contribuiranno alla conoscenza dell’eziologia delle malattie umane e favoriranno la scoperta di farmaci. Dal punto di vista clinico, lo strumento CHROMAVISION dovrebbe agevolare la diagnosi e il monitoraggio dell’eterogeneità del cancro. I partner hanno ottenuto finanziamenti futuri per migliorare i risultati dell’analisi cromosomica adatta per l’analisi dei campioni dei pazienti.

Parole chiave

CHROMAVISION, cromosoma metafase, microfluidico, perline, super risoluzione, microscopia, cancro, dinamica, pinzette ottiche, prototipo, fluoroforo

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