Nanodispositivi che registrano i processi delle cellule

Per la prima volta, gli scienziati hanno introdotto nanodispositivi di localizzazione direttamente all'interno delle cellule di mammifero con lo scopo di monitorare i processi che regolano l'inizio del loro sviluppo.

Questo lavoro sugli embrioni a una cellula è destinato a spostare la nostra comprensione dei meccanismi che sono alla base del comportamento cellulare in generale e, in ultima analisi, può fornire informazioni su ciò che non va nell'invecchiamento e nella malattia.

La ricerca, condotta dal professor Tony Perry (1) del Dipartimento di Biologia e Biochimica dell'Università di Bath, (2) ha comportato l'iniezione di un nanodispositivo a base di silicio insieme allo sperma nella cellula uovo di un topo. Il risultato è stato un uovo sano e fecondato contenente un dispositivo di localizzazione.

I piccoli dispositivi sono un po' come i ragni, completi di otto “gambe” altamente flessibili. Le gambe misurano le forze di “tirare e spingere” esercitate all'interno della cellula con un livello di precisione molto elevato, rivelando così le forze cellulari in gioco e mostrando come la materia intracellulare si è riorganizzata nel tempo.

I nanodispositivi sono incredibilmente sottili - simili ad alcuni componenti strutturali della cellula e misurano 22 nanometri, rendendoli circa 100.000 volte più sottili di una moneta da una sterlina. Ciò significa che hanno la flessibilità di registrare il movimento del citoplasma della cellula mentre l'embrione a una cellula intraprende il suo viaggio per diventare un embrione a due cellule.

«Questo è il primo assaggio della fisica di qualsiasi cellula su questa scala dall'interno», ha detto il professor Tony Perry. «È la prima volta che qualcuno vede dall'interno come il materiale cellulare si muove e si organizza da solo».

perché sondare il comportamento meccanico di una cella?

L'attività all'interno di una cellula determina il funzionamento di quella cellula, spiega il professor Perry. «Il comportamento della materia intracellulare è probabilmente tanto influente al comportamento delle cellule quanto l'espressione genica», ha detto lo scienziato.

Fino ad ora, tuttavia, questa complessa danza di materiale cellulare è rimasta in gran parte non studiata. Di conseguenza, gli scienziati sono stati in grado di identificare gli elementi che compongono una cellula, ma non il modo in cui l'interno della cellula si comporta nel suo insieme.

«Dagli studi di biologia ed embriologia, conosciamo alcune molecole e fenomeni cellulari e abbiamo intrecciato queste informazioni in una narrativa riduzionista di come funzionano le cose, ma ora questa narrazione sta cambiando», ha affermato il professor Perry. La narrazione è stata scritta in gran parte dai biologi, che hanno portato con sé le domande e gli strumenti della biologia. Ciò che mancava era la fisica. La fisica chiede delle forze che guidano il comportamento di una cellula e fornisce un approccio dall'alto verso il basso per trovare la risposta.

Gli embrioni di topo sono stati scelti per lo studio a causa delle loro dimensioni relativamente grandi ( misurano 100 micron, o 100 milionesimi di metro di diametro, rispetto a una cellula normale che ha solo 10 micron di diametro [10 milionesimi di metro] di diametro ). Ciò significava che all'interno di ogni embrione c'era spazio per un dispositivo di localizzazione.

I ricercatori hanno effettuato le loro misurazioni esaminando le registrazioni video prese al microscopio mentre l'embrione si sviluppava. «A volte i dispositivi sono stati potenziati e distorti da forze persino maggiori di quelle all'interno delle cellule muscolari», ha affermato il professor Perry. «Altre volte, i dispositivi si muovevano molto poco, mostrando che l'interno della cellula era diventato calmo. Non c'era nulla di casuale in questi processi - dal momento in cui hai un embrione a una cellula, tutto è fatto in modo prevedibile. La fisica è programmata».

I risultati si aggiungono a un quadro emergente della biologia che suggerisce che il materiale all'interno di una cellula vivente non è statico, ma cambia invece le sue proprietà in un modo prestabilito mentre la cellula svolge la sua funzione o risponde all'ambiente. Il lavoro potrebbe un giorno avere implicazioni per la nostra comprensione di come le cellule invecchiano o smettono di funzionare come dovrebbero, che è ciò che accade nella malattia.

Lo studio è stato pubblicato su Nature Materials (3) e ha coinvolto una partnership transdisciplinare tra biologi, scienziati dei materiali e fisici con sede nel Regno Unito, in Spagna e negli Stati Uniti.

Riferimenti:

(1) Tony Perry

(2) Department of Biology & Biochemistry

(3) Tracking intracellular forces and mechanical property changes in mouse one-cell embryo development

Descrizione foto: a questo punto nello sviluppo, i cromosomi embrionali (che appaiono rossi al centro) si preparano a separarsi durante la prima divisione cellulare. I poli del dispositivo possono essere visti in verde fluorescente, con actina fluorescente verde intorno alla periferia. - Credit: Professor Tony Perry.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Nanodevices show how cells change with time, by tracking from the inside