La microscopia intelligente fa luce su come si organizzano le cellule
L’interno delle cellule eucariotiche contiene strutture chiamate organelli(si apre in una nuova finestra), specializzate in una serie di funzioni vitali come la produzione di energia (mitocondri) e la conservazione del materiale genetico (nucleo). Le cellule sono così affollate che le molecole al loro interno, come le proteine e gli acidi nucleici, si urtano regolarmente l’una con l’altra, ispirando il progetto Piko, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra). Come spiega Suliana Manley(si apre in una nuova finestra), coordinatrice del progetto: «Volevamo capire come l’affollamento potesse influire sui processi dinamici, dato che un eccesso di traffico stradale crea colli di bottiglia, rallentando tutto». Piko era particolarmente interessato ai parallelismi tra mitocondri e batteri; i mitocondri si sono evoluti dai batteri e ciascuno di essi trasporta il proprio DNA. Il team ha studiato come l’affollamento influisca sull’organizzazione del DNA durante la sua replicazione (copia) e segregazione (separazione), sia nei batteri che nei mitocondri. «Pur essendo più semplici delle cellule umane, i batteri sono in grado di sopravvivere meglio alle condizioni più difficili, in quanto si trovano tipicamente in uno stato di quiescenza o di bassa attività, per sopportare periodi di inedia», spiega. «Il complesso comportamento del citoplasma batterico è importante per la loro sopravvivenza, ma il modo in cui influisce su processi come l’organizzazione del DNA è poco conosciuto».
La microscopia intelligente offre scoperte biologiche più «delicate»
Per svelare l’organizzazione e la dinamica dell’interno dei batteri e dei mitocondri nelle cellule viventi, il team ha affrontato sfide legate all’imaging. In primo luogo, con un numero ridotto di molecole coinvolte, è difficile individuare i segnali rivelatori. In secondo luogo, i processi sono transitori e si verificano solo per un breve periodo all’interno del ciclo cellulare. In terzo luogo, le caratteristiche di interesse sono spesso troppo piccole per essere rilevate con la classica microscopia ottica. «Le cellule e i mitocondri sono sensibili alla luce, inoltre dovevamo evitare di interrompere la loro funzione mentre guardavamo», aggiunge l’autrice. Il progetto ha adattato diverse forme di microscopia che richiedono meno luce, facendo progredire tre aree: la microscopia intelligente, la super-risoluzione della fotometria di massa e la mappatura multi-parametrica degli oggetti con la nanoscopia ottica (MOON). Mentre le ultime due rimangono allo stadio di dimostrazione del concetto, Piko ha sviluppato in modo significativo la microscopia intelligente, offrendo forme più delicate di microscopia per la scoperta biologica. Il team ha anche addestrato una rete neurale a riconoscere determinate forme mitocondriali che hanno attivato il microscopio. «Abbiamo monitorato le dinamiche cellulari utilizzando una luce bianca delicata, attivando la fluorescenza solo quando la rete neurale rileva una costrizione mitocondriale. Oppure abbiamo usato la microscopia a super-risoluzione ad alta intensità di luce per monitorare l’attività su ampi intervalli di tempo, attivando immagini a breve intervallo di tempo quando inizia la costrizione», osserva la ricercatrice. Le simulazioni hanno aiutato a identificare i modelli confrontando l’organizzazione del citoplasma batterico o della matrice mitocondriale con modelli casuali. Nei batteri, si è scoperto che l’organizzazione del DNA ha implicazioni dirette sulla dinamica del replisoma(si apre in una nuova finestra), la macchina multi-proteica che replica il DNA. Nei mitocondri sono stati scoperti schemi geometrici e molecolari nella divisione che determinano i destini distinti degli organelli. Ad esempio, la divisione al centro porta alla proliferazione, mentre la divisione all’estremità porta alla degradazione. Il team ha anche scoperto come i mitocondri distribuiscono il loro DNA, trasformando l’organello normalmente tubolare in una forma a filo di perle.
Ulteriori vantaggi della ricerca sulla salute
Poiché i ricercatori utilizzano sempre più spesso la microscopia intelligente per un’ampia gamma di applicazioni, come lo studio delle infezioni, i vantaggi dei progressi di Piko potrebbero essere rivoluzionari. E con i mitocondri che svolgono molti ruoli importanti nella salute e nelle malattie umane, i ricercatori stanno già utilizzando i risultati del progetto per comprendere un’ampia gamma di patologie, tra cui la neurodegenerazione e il cancro. Nel frattempo: «Ci sono ancora dei misteri su come emergono alcuni dei modelli che abbiamo scoperto e su come interagiscono tra loro, che mi piacerebbe risolvere», dice l’esperta. «Vogliamo anche capire meglio come i mitocondri si coordinano con gli organelli partner, o tra loro, all’interno delle cellule per decidere quali funzioni svolgere e quando».
