Il rilevamento delle forze fisiche è una delle sfide più complesse che la scienza deve affrontare. Sebbene Newton abbia risolto il problema della gravità molto tempo fa, l'imaging delle forze fisiche che agiscono all'interno delle cellule viventi rimane uno dei principali misteri della biologia attuale. Considerato giocare un ruolo decisivo in molti processi biologici, gli strumenti chimici per visualizzare le forze fisiche in azione non esistono. Ma oggi, ricercatori dell'Università di Ginevra (UNIGE) e del Centro nazionale di competenza nella ricerca (NCCR) in biologia chimica, Svizzera, hanno sviluppato sonde che possono entrare nelle cellule e visualizzare le forze fisiche dal vivo. Questi risultati, una svolta nello studio delle scienze della vita, può essere trovato in Giornale della Società Chimica Americana .

Dalla sua creazione nel 2010, uno degli obiettivi centrali del NCCR Chemical Biology è stato quello di risolvere il problema della rilevazione delle forze fisiche cellulari. "Il nostro approccio alla creazione di sonde di tensione è stato ispirato dal cambiamento di colore dei gamberetti, granchi o aragoste durante la cottura, " dice Stefano Matile, professore ordinario nel Dipartimento di Chimica Organica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE e membro del NCCR.

Nei gamberi vivi, le forze fisiche delle proteine ​​circostanti appiattiscono e polarizzano il pigmento carotenoide, chiamata astaxantina, finché non diventa blu. "Durante la cottura, queste proteine ​​vengono dispiegate e il pigmento dell'aragosta può ritrovare il suo naturale colore arancione scuro, "continua il chimico ginevrino. Incuriosito da questi crostacei, lo sviluppo di sonde fluorescenti funzionanti sullo stesso principio di planarizzazione e polarizzazione ha richiesto circa otto anni di ricerca.

L'anno scorso, le squadre dell'NCCR hanno finalmente prodotto la prima sonda fluorescente in grado di visualizzare le forze che agiscono sulla membrana esterna, chiamata membrana plasmatica, delle cellule viventi. Le richieste di campioni da più di 50 laboratori in tutto il mondo sono arrivate in risposta immediata al rilascio di questi risultati, dimostrando l'importanza di questa svolta per le scienze della vita. Per soddisfare questa richiesta, Le sonde di forza di UNIGE sono state lanciate con il marchio Flipper-TR alla fine dello scorso anno.

E le forze interne delle cellule?

Lo studio delle forze che si applicano all'esterno delle cellule non si limita agli strumenti chimici per l'imaging a fluorescenza. Le superfici cellulari sono accessibili a strumenti fisici come micropipette, morsetti ottici, cantilever di microscopi a forza atomica, ecc. "Ma questi strumenti fisici ovviamente non sono applicabili allo studio delle forze all'interno delle cellule, "dice Aurélien Roux, professore nel Dipartimento di Biochimica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. "Organelli come i mitocondri, responsabile della produzione di energia; il reticolo endoplasmatico, responsabile della sintesi proteica; endosomi, responsabile del traffico di materiale verso e all'interno delle cellule; o il nucleo, che memorizza le informazioni genetiche, sono semplicemente al di fuori della portata di strumenti fisici dall'esterno." Fino ad oggi, la visualizzazione delle forze che operano e controllano questi organelli all'interno delle cellule era ancora impossibile, anche se essenziale per comprendere la loro funzione.

Questa sfida fondamentale nelle scienze della vita è stata ora affrontata. La squadra dell'NCCR, guidato da Stefano Matile, Aurélien Roux e Suliana Manley, professore all'Istituto di Fisica EPFL, anche membro del NCCR, trasportavano le loro sonde di forza nelle cellule e negli organelli cellulari marcati selettivamente. Ora sono in grado di mostrare, Per esempio, come aumenta la tensione nei mitocondri che stanno iniziando a dividersi. "Per la prima volta, le forze fisiche possono essere visualizzate dal vivo all'interno delle cellule, " afferma Aurélien Roux. Questo nuovo strumento di chimica consente finalmente agli scienziati di ottenere ciò che desideravano fare da molto tempo. "Queste nuove sonde ora ci offrono l'opportunità di affrontare la meccanobiologia e rivoluzionare lo studio delle scienze della vita, " dice Stefano Matile.