Un team di ricerca dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha eseguito il primo esame diretto su nanoscala di una membrana cellulare vivente. Così facendo, ha anche risolto un dibattito di lunga data identificando piccoli raggruppamenti di molecole lipidiche che sono probabilmente fondamentali per il funzionamento della cellula.

I metodi sviluppati forniscono una nuova piattaforma sperimentale per gli studi biofisici delle membrane e, potenzialmente, altri componenti cellulari. Potrebbe rivelarsi utile per la ricerca futura su importanti interazioni come farmaco-membrana, membrana per biocarburanti, e persino interazioni antibiotico-membrana.

Il progetto multidisciplinare, guidato dal biofisico John Katsaras, il chimico Bob Standaert e il microbiologo James Elkins, è stato eseguito presso il reattore di isotopi ad alto flusso del laboratorio e la sorgente di neutroni di spallazione utilizzando il batterio Bacillus subtilis . Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Biologia PLoS .

La membrana di una cellula è un sottile doppio strato di molecole lipidiche tra le quali risiedono altre biomolecole come le proteine. I ricercatori sono stati incerti sul fatto che i lipidi di membrana a volte si organizzino in gruppi chiamati domini, noto anche come "zattere, " o se sono distribuiti casualmente nella membrana. Si pensa che l'organizzazione dei lipidi in domini distinti all'interno della membrana cellulare consenta funzioni come la segnalazione tra le cellule.

"È diventato un dibattito, " Katsaras ha detto. "Alcune persone credevano che esistessero, mentre altri credevano di no. C'erano molte prove circostanziali che potevano supportare entrambe le parti".

Il problema era che le tecniche esistenti non erano in grado di risolvere inequivocabilmente questa domanda.

L'analisi della diffusione dei neutroni è stata la chiave del successo del progetto. I domini lipidici sono troppo piccoli per essere visti da microscopi ottici che utilizzano la luce per sondare campioni come le cellule biologiche. Però, i neutroni non hanno tale limitazione e possono essere utilizzati per fornire una vista su nanoscala di una cellula. Inoltre, a differenza di altri strumenti su scala nanometrica, i neutroni possono essere usati per esaminare una cellula viva senza danneggiarla.

Mentre l'analisi della diffusione dei neutroni ha superato i limiti delle altre tecnologie, ha presentato alcune sfide scoraggianti di per sé. Il primo era sviluppare un esperimento in cui i neutroni si disperdevano dalle molecole lipidiche nella membrana senza interagire con altri componenti della cellula, come proteine, RNA, DNA e carboidrati. La sfida successiva è stata quella di distinguere un tipo di molecola lipidica da un altro.

La soluzione a entrambe queste sfide risiede nell'uso del deuterio, un isotopo dell'idrogeno il cui nucleo contiene un neutrone e un protone. Al contrario, nuclei di idrogeno comuni contengono un protone ma nessun neutrone. Mentre una cellula biologica stessa percepisce poca differenza tra idrogeno normale e deuterio, i due isotopi appaiono molto diversi se osservati utilizzando lo scattering di neutroni.

Il team dell'ORNL ha creato un ceppo del batterio contenente abbastanza deuterio da rendere le strutture cellulari essenzialmente invisibili ai neutroni. Hanno quindi assicurato che le molecole lipidiche all'interno della membrana fossero costituite interamente da due acidi grassi contenenti proporzioni specifiche di deuterio e idrogeno.

Successivamente hanno introdotto i due tipi di acidi grassi con differenti rapporti isotopici. La membrana cellulare era libera di creare e incorporare nella sua membrana molecole lipidiche da esse, con ciascun tipo lipidico contenente quindi una specifica miscela dei due isotopi. Se i lipidi fossero distribuiti casualmente in tutta la membrana, allora la membrana apparirebbe uniforme quando esposta ai neutroni, simile a uno sfondo ottico che era grigio medio.

Se, però, i lipidi raccolti con altri del loro tipo, lo sfondo cesserebbe di essere uniforme e mostrerebbe l'equivalente di aree grigie più chiare e più scure. Questo è infatti ciò che la squadra ha trovato. Le macchie grigie rilevate utilizzando neutroni misuravano meno di 40 nanometri. La membrana stessa aveva uno spessore di circa 2,4 nanometri.

I ricercatori dell'ORNL hanno sottolineato che il loro approccio alla creazione di contrasto interno all'interno delle cellule viventi utilizzando isotopi era promettente anche per altre ricerche, aprendo la tecnica della deuterazione mirata ad altre tecniche fisiche (es. spettroscopia di risonanza magnetica nucleare).

"Le persone che studiano queste cose tendono ad usare particolari tipi di sonde, " Katsaras ha osservato. "Non hanno usato la diffusione di neutroni perché non era nella timoneria del biologo. Il nostro nuovo approccio sperimentale apre nuove aree di ricerca.

"Per esempio, potresti usare i batteri modificati come piattaforma per studiare gli antibiotici, perché molti di questi antibiotici stanno davvero parlando con la membrana".