Scoperti “binari” interni lungo cui si muovono le proteine. Ricerca IIT-NEST

Cover Art-01Pisa, 19 febbraio 2015. I ricercatori del Center for Nanotechnology Innovation (CNI) dell’Istituto Italiano di Tecnologia, in collaborazione con il Laboratorio NEST della Scuola Normale Superiore e l’Università della California di Irvine hanno recentemente pubblicato un lavoro su Nature Communications, una delle riviste scientifiche più prestigiose al mondo, che potrebbe rivoluzionare la biologia cellulare.

Coordinato da Francesco Cardarelli, ricercatore CNI, lo studio, a cui ha lavorato Carmine DI Rienzo, perfezionando Scuola Normale, descrive una nuova tecnica di osservazione ad alta risoluzione spaziale e temporale, in grado di svelare il movimento di molecole, quali proteine, acidi nucleici e perfino ioni, all’interno della cellula. La nuova tecnica ha permesso per la prima volta l’identificazione di nanocavità contenenti acqua all’interno del citoplasma, che le molecole usano come “binari” lungo i quali spostarsi in modo più efficace per attraversare l’ambiente cellulare per raggiungere la loro meta.

La nuova tecnica si basa sull’utilizzo di proteine fluorescenti che esplorano liberamente l’ambiente cellulare e vengono fotografate durante il loro movimento. I risultati prodotti mostrano la diffusione delle proteine con una risoluzione temporale di 1 microsecondo (1 milionesimo di secondo, 100 volte più veloce di quanto possibile con le tecniche attuali) e su scala nanometrica (un miliardesimo di metro).

“Grazie a questa risoluzione senza precedenti abbiamo potuto svelare come è organizzata la vita all’interno della cellula. È un po’ come essere al posto della proteina e vedere ciò che lei vede mentre si sposta all’interno della cellula” spiega Cardarelli. “Abbiamo potuto osservare, così, che la cellula possiede delle nanocavità contenenti acqua mai osservate prima d’ora, dentro cui la proteina diffonde liberamente, facilitando il raggiungimento del suo obiettivo”.

La tecnica sviluppata, oltre ad aprire una nuova frontiera per la comprensione dei meccanismi fondamentali che regolano la vita della cellula stessa, permetterà di studiare a e capire a fondo le interazioni di cellule viventi con farmaci, nanoparticelle ma anche con i patogeni naturali.

“Saremo in grado di seguire il percorso di un virus, ad esempio, all’interno della cellula” – afferma Cardarelli – “ma potremo anche seguire e prevedere il percorso di un farmaco così da ottimizzare le terapie”.

In particolare, il tipo di movimento osservato per le proteine nelle cavità d’acqua è lo stesso che Einstein dimostrò nel 1905 per le molecole in soluzioni diluite: il moto Browniano. Questo paradigma universale non era stato applicato, fino ad oggi, alle cellule viventi per le quali è sempre stata osservata una fenomenologia diversa (es: una diffucine più lenta), per la mancanza di metodi di indagine del nanomondo appropriati. Questo studio ha dimostrato per la prima volta che nel nanomondo cellulare, al di sotto dei 100 nanometri, le molecole seguono il comportamento descritto per le soluzini diluite, come l’acqua, dalle leggi di Einstein.

L’organizzazione strutturale e funzionale della cellula potrà essere ora approfondita ulteriormente, comportando, a lungo termine, la possibilità di ingegnerizzare strumenti di intervento, a scopo diagnostico o tereapeutico, più idonei ed efficaci.

Per approfondimenti:

Carmine Di Rienzo, Vincenzo Piazza, Enrico Gratton, Fabio Beltram, Francesco Cardarelli – Probing short-range protein Brownian motionin the cytoplasm of living cells http://www.nature.com/ncomms/2014/141223/ncomms6891/full/ncomms6891.html