Il potente microscopio cattura le proteine ​​motrici con un dettaglio senza precedenti

Amanda Heidt è una scrittrice ed editrice freelance a Moab, Utah.

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Illustrazione di motori molecolari chiamati chinesine su un microtubulo.Credito: Graham Johnson, Ron Vale/HHMI

Quasi non appena sono comparsi i microscopi a super risoluzione, gli scienziati li hanno puntati verso motori molecolari chiamati chinesine. Queste proteine, alimentate dal carburante molecolare ATP, guidano processi cruciali tra cui la divisione cellulare, la segnalazione cellulare e il trasporto intracellulare spostando il carico lungo le autostrade proteiche chiamate microtubuli. I ricercatori desideravano da tempo capire come funzionano questi motori, ma per visualizzarli, gli scienziati hanno dovuto rallentarli o isolarli in sistemi in vitro semplificati.

Ora, in articoli pubblicati contemporaneamente su Science, due team che lavorano in modo indipendente hanno utilizzato uno strumento ad alta risoluzione chiamato MINFLUX per studiare il motore in tempo quasi reale a concentrazioni fisiologicamente rilevanti di ATP. Il primo articolo, condotto dall'inventore di MINFLUX, Stefan Hell, che ha un incarico congiunto presso il Max Planck Institute (MPI) per le scienze multidisciplinari di Göttingen e l'MPI per la ricerca medica a Heidelberg, entrambi in Germania, ha utilizzato un nuovo design dello strumento per tracciare la proteina in 3D, rivelando dettagli sul suo movimento1. Il secondo, condotto dal biofisico Jonas Ries presso il Laboratorio europeo di biologia molecolare di Heidelberg, ha dimostrato per la prima volta che MINFLUX è in grado di monitorare la chinesina anche nel trambusto delle cellule viventi2.

"Questa tecnologia richiede molte cose diverse per funzionare, ed è divertente vedere tutte queste cose unirsi", afferma Michelle Digman, ingegnere biomedico presso l'Università della California, Irvine, che sviluppa strategie di imaging ma non è stata coinvolta in nessuna delle due. studio. "Sembrava una prova di concetto per dimostrare che sono in grado di tracciare la chinesina in modo molto preciso. E quando hai il sistema di cellule vive, è ancora più spettacolare."

I ricercatori hanno iniziato a studiare le basi del movimento della chinesina poco dopo la scoperta della proteina nel 1985, ma l'avvento degli strumenti ad alta risoluzione ha portato un nuovo livello di dettaglio. Nel 2004, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata FIONA (imaging a fluorescenza con precisione di un nanometro) per dimostrare che la chinesina, che assomiglia a un gambo alto e contorto che indossa scarpe sovradimensionate, cammina "mano nella mano" sul suo percorso di microtubuli, spostando i suoi piedi con un movimento simile alle mani di un bambino mentre attraversano una serie di barre3. Ma, sebbene FIONA fornisse una risoluzione spaziale eccezionale, gli scienziati hanno dovuto razionare l’ATP per rallentare la proteina abbastanza da poterla studiare. Negli ultimi dieci anni, i ricercatori hanno etichettato la chinesina con sfere di germanio4 o oro5 per tracciarla, ma questi tag relativamente voluminosi lasciano dubbi sulla capacità dei metodi di ricapitolare l'intera gamma di movimento della proteina.

Quando Hell e il suo team hanno introdotto6 MINFLUX nel 2016, lo hanno visto come un progresso rispetto al suo predecessore, la microscopia a deplezione di emissioni stimolate (STED), per la quale Hell ha condiviso il Premio Nobel per la Chimica nel 2014. STED utilizza un laser a "deplezione" a forma di ciambella sovrapposto a un laser di eccitazione per ridurre efficacemente l'area di fluorescenza al di sotto del limite di diffrazione convenzionale della luce (circa 250 nanometri). MINFLUX, al contrario, utilizza un laser a forma di ciambella per creare un punto di intensità di fluorescenza pari a zero al suo centro. Muovendo questo laser, i ricercatori possono individuare la posizione di una molecola fluorescente a velocità quasi fisiologiche.

I microscopi intelligenti individuano la biologia fugace

Nel nuovo studio1, pubblicato a marzo, il gruppo di Hell ha testato una versione di MINFLUX che pulsa laser lineari in due direzioni nel piano focale in rapida successione, localizzando la proteina trovando dove le intensità di fluorescenza sovrapposte sono più basse. Combinando più misurazioni, i ricercatori sono stati in grado di produrre tracce che mostrano dove la molecola si sta muovendo lungo il microtubulo, come un'app che traccia il percorso di un corridore.