Catturati segnali metabolici in strutture sub-cellulari dinamiche

Pisa, 17 gennaio 2019. I compartimenti subcellulari, nanoscopici e dinamici (es: vescicole di trasporto, organelli o intere protrusioni cellulari) sono effettori chiave della regolazione della vita cellulare. Tuttavia, la nostra capacità di studiare la loro biochimica nelle cellule viventi è seriamente limitata dal loro naturale, incessante e rapido movimento nell’ambiente tridimensionale della cellula.

Il team coordinato dal Prof. Francesco Cardarelli della Scuola Normale è stato in grado, per la prima volta, di portare i più moderni strumenti di imaging e di analisi nel sistema di riferimento di un sistema subcellulare mobile e nanoscopico. Questo risultato si ottiene focalizzando un fascio luminoso in un’orbita periodica attorno alla nanostruttura di interesse. Il segnale registrato (ad esempio fluorescenza) viene utilizzato come feedback per localizzare la posizione della nanostruttura con una risoluzione spaziale (nanometrica) e temporale (micro-millisecondo) senza precedenti. L’inviluppo luminoso formato attorno alla struttura di interesse (vedi figura) diventa un punto di osservazione privilegiato per spingere le indagini biofisiche a un livello completamente nuovo, finora inesplorato.

La ricerca è stata eseguita presso il laboratorio NEST della Scuola Normale, da Filippo Begarani (perfezionando SNS), Giovanni Signore e Fabio Beltram, in stretta collaborazione con le persone dell’IIT-CNI @ NEST (Francesca D’Autilia), del CNR-Nano @NEST (Marco Cecchini e Ambra Del Grosso), e del Laboratory for Fluorescence Dynamics di UCI, US (Enrico Gratton). I risultati sono pubblicati sulla prestigiosa rivista dell’American Chemical Society, ACS Nano.

Più in dettaglio, gli autori hanno selezionato il lisosoma come organello intracellulare bersaglio. Utilizzando l’approccio di tracciamento orbitale e sfruttando il segnale di una sonda ambientale specifica per il lisosoma, sono stati in grado di osservare l’ “impronta digitale” delle reazioni metaboliche in corso all’interno del lisosoma, durante il suo naturale movimento. Questa impronta appare come una fluttuazione nel tempo della polarità all’interno del lisosoma, una proprietà fisico-chimica cruciale di ogni ambiente intracellualre. Begarani e collaboratori hanno dimostrato che le fluttuazioni di polarità sono caratteristiche delle cellule viventi, dipendono dal pH dell’organello e dall’energia metabolica e sono alterate in un modello cellulare di disturbo da accumulo lisosomiale (LSD).

“La rivoluzione fisica del raggio luminoso attorno ad un singolo compartimento cellulare qui proposta – dice Cardarelli – promette di guidare una rivoluzione nel modo in cui affrontiamo il comportamento naturale, ma finora elusivo, della materia vivente a livello sub-cellulare”.