Molte strutture biomolecolari affollate nelle cellule e nei tessuti sono inaccessibili alla marcatura degli anticorpi. Comprendere come le proteine all'interno di queste strutture sono disposte con precisione su scala nanometrica richiede che queste strutture vengano rimosse prima dell'etichettatura.
A volte queste strutture possono essere difficili da immaginare perché le etichette fluorescenti utilizzate per renderle visibili non riescono a incastrarsi tra le molecole. Per superare questa limitazione, CON gli scienziati hanno sviluppato una nuova tecnica che rende visibili le molecole invisibili. Il metodo aiuta gli scienziati a ridurre l'affollamento delle molecole espandendo un campione di cellula o tessuto prima di etichettare le molecole. Ciò consente alle molecole di essere più accessibili ai tag fluorescenti.
Edward Boyden, professore di neurotecnologia Y. Eva Tan, professore di ingegneria biologica e scienze del cervello e cognitive al MIT, ha affermato: “Sta diventando chiaro che il processo di espansione rivelerà molte nuove scoperte biologiche. Supponiamo che biologi e medici abbiano studiato una proteina nel cervello o un altro campione biologico e lo etichettano normalmente. In tal caso, potrebbero mancare intere categorie di fenomeni”.
Come hanno notato gli scienziati, questo metodo consente agli scienziati di visualizzare molecole e strutture cellulari mai viste prima. Nel loro studio, gli scienziati hanno potuto immaginare una nanostruttura trovata nelle sinapsi di neuroni. Hanno anche immaginato la struttura di Alzheimer-placche di beta-amiloide nel maggior dettaglio possibile.
Deblina Sarkar, assistente professore del Media Lab e uno degli autori principali dello studio, ha affermato: “La nostra tecnologia, che abbiamo chiamato “rivelazione dell’espansione”, consente la visualizzazione di queste nanostrutture, che prima rimanevano nascoste, utilizzando hardware facilmente disponibile nei laboratori accademici”.
Prima di espandere il tessuto, gli scienziati nella versione originale della microscopia ad espansione applicavano marcatori fluorescenti alle molecole di interesse. La marcatura è stata effettuata per prima, in parte perché le proteine del campione dovevano essere scomposte da un enzima prima che il tessuto potesse essere ingrandito. Ciò significava che una volta allungato il tessuto era impossibile marcare le proteine.
Per superare questo problema, gli scienziati cercano di trovare un modo per espandere il tessuto lasciando intatte le proteine. Invece degli enzimi, hanno usato il calore per ammorbidire il tessuto. Ciò ha consentito al tessuto di espandersi di 20 volte senza essere distrutto. Hanno poi separato le proteine che potevano essere etichettate con tag fluorescenti dopo l'espansione.
Poiché gli scienziati potevano accedere a numerose proteine per la marcatura, potevano identificare minuscole strutture cellulari all'interno delle sinapsi. Si ritiene che queste nanocolonne contribuiscano a rendere la comunicazione sinaptica più efficiente.
Jinyoung Kang, un postdoc del MIT, ha detto: “Questa tecnologia può essere utilizzata per rispondere a molte domande biologiche sulla disfunzione delle proteine sinaptiche, nelle quali sono coinvolte malattie neurodegenerative. Non esisteva alcuno strumento per visualizzare molto bene le sinapsi”.
Usando la loro nuova tecnica, gli scienziati hanno ripreso le immagini beta-amiloide, il peptide che forma la placca nell'AD. Hanno usato tessuto cerebrale di topi e hanno scoperto che l’amiloide-beta forma nanocluster periodici. Questo non è stato visto prima.
Sorprendentemente, hanno trovato anche canali del potassio nei cluster di beta-amiloide. Inoltre, le molecole di beta-amiloide generano strutture elicoidali assoni.
Margaret Schroeder, una studentessa laureata del MIT che è anche autrice dell'articolo, ha detto: “In questo articolo non faremo ipotesi su cosa potrebbe significare questa biologia, ma dimostreremo che esiste. Questo è solo un esempio dei nuovi modelli che possiamo vedere”.
Sarkar ha detto: “Sono affascinato dai modelli biomolecolari su scala nanometrica che questa tecnologia svela. Con un background in nanoelettronica, ho sviluppato chip elettronici che richiedono un allineamento esatto nella nanofabbrica. Ma quando vedo che Madre Natura ha disposto le biomolecole con una precisione così nanometrica nel nostro cervello, rimango a bocca aperta”.
Riferimento della Gazzetta:
- Sarkar, D., Kang, J., Wassie, AT et al. Rivelazione di nanostrutture nel tessuto cerebrale tramite deaffollamento proteico mediante microscopia ad espansione iterativa. Nat. Biomed. Ing (2022). DOI: 10.1038/s41551-022-00912-3
