Il misuratore molecolare potrebbe far avanzare la microscopia a super risoluzione

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Immagine che mostra bastoncini di misurazione raggruppati in un triangolo e circondati da molecole ondulate — Il PicoRuler: i righelli molecolari basati su proteine consentono di testare la risoluzione ottica dei più recenti metodi di microscopia a super risoluzione su biomolecole nella gamma inferiore a 10 nanometri in condizioni realistiche. (Per gentile concessione: Gerti Beliu, DALL-E 3 / Università di Würzburg)

Se vuoi misurare un oggetto di uso quotidiano, potresti utilizzare un righello, un pezzo di materiale con una lunghezza fissa e divisioni regolarmente contrassegnate. Grazie a un nuovo dispositivo chiamato PicoRuler, lo stesso principio di misurazione può ora essere applicato a oggetti minuscoli come cellule e molecole. Sviluppato dai ricercatori della Julius-Maximilians Universität (JMU) di Würzburg in Germania, il minuscolo metro funziona in ambienti biologici e potrebbe essere utilizzato per testare la capacità delle tecniche di microscopia a super risoluzione di acquisire immagini di oggetti lunghi meno di 10 nm.

La microscopia a super risoluzione basata sull'imaging a fluorescenza si è sviluppata rapidamente negli ultimi 20 anni. Ora è prassi comune che tali metodi risolvano strutture piccole fino a pochi nanometri, molto al di sotto del limite di diffrazione per la microscopia convenzionale a luce visibile.

Per spingere ulteriormente queste tecniche, i ricercatori hanno bisogno di strutture di riferimento per calibrare le prestazioni dei loro microscopi. Il principale metodo di calibrazione attualmente in uso si basa su strutture di origami di DNA artificiale. Questi possono essere sintetizzati per trasportare diversi fluorofori in posizioni ben definite a meno di 10 nm di distanza, consentendo loro di agire come righelli per l'imaging inferiore a 10 nm. Il problema è che gli origami di DNA hanno una carica altamente negativa e quindi non possono essere utilizzati nei supporti di imaging cellulare biologico del mondo reale.

Scattando in posizione

Guidati da biotecnologi Markus Sauer ed Gerti Beliu, il team della JMU ha sviluppato un'alternativa biocompatibile basata su una proteina in tre parti chiamata antigene nucleare delle cellule proliferanti (PCNA). Introducendo amminoacidi sintetici su questa proteina in posizioni precisamente definite distanziate di 6 nm l'una dall'altra, hanno reso possibile alle molecole di colorante fluorescente di "cliccarsi" chimicamente su di essa in modo efficiente. Questa nuova struttura ha permesso loro di testare la risoluzione di una tecnica nota come accumulo di punti basati sul DNA per l'imaging in topografia su scala nanometrica (DNA-PAINT) fino a 6 nm. Sauer afferma che potrebbe essere importante anche per altre tecniche come la microscopia di ricostruzione ottica stocastica diretta (dSTORM), MINFLUX o MINSTED.

"Queste tecniche avanzate di microscopia possono raggiungere risoluzioni spaziali nell'ordine di pochi nanometri e il nuovo righello servirà come strumento di calibrazione per verificare e migliorare la loro precisione", afferma.

Esplorare la struttura cellulare dall'interno

I ricercatori stanno ora cercando di ottimizzare il loro righello per l’uso in vari ambienti biologici, comprese le cellule viventi. Un’altra direzione di sviluppo, dice Sauer, potrebbe essere quella di fornire PicoRulers direttamente nelle cellule stesse attraverso tecniche come la microiniezione o la funzionalizzazione con peptidi che penetrano nelle cellule. I dispositivi potrebbero quindi essere utilizzati per esplorare la struttura di una cellula dall’interno, acquisendo conoscenze che potrebbero far avanzare la biologia cellulare e portare a una migliore comprensione delle malattie e dei percorsi verso lo sviluppo di farmaci.

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"Il nostro team si sta concentrando anche sull'espansione della gamma di biomolecole che possono essere utilizzate come PicoRulers", spiega Sauer Mondo della fisica. “A tal fine esamineremo diverse proteine e altri complessi biologici. Siamo convinti che lo sviluppo del nostro PicoRuler segni un significativo passo avanti nel campo della microscopia a super risoluzione, offrendo uno strumento prezioso per esplorare strutture cellulari e molecolari a risoluzioni senza precedenti”.

Il PicoRuler è descritto in Materiale avanzato.