Dentro una cella, vescicole tentacolate navetta cargo per lo smistamento. Il DNA si riorganizza nel nucleo mentre le cellule staminali si differenziano in neuroni. I neuroni vicini si aggrappano l'uno all'altro attraverso un'interfaccia simile al web. E una nuova tecnica di microscopia mostra tutto, in squisito dettaglio.
La tecnica, chiamato crio-SR/EM, fonde immagini catturate da microscopi elettronici e microscopi ottici a super-risoluzione, risultando brillante, chiare viste dettagliate dell'interno delle celle, in 3-D.
Per anni, gli scienziati hanno sondato il mondo microscopico all'interno delle cellule, sviluppare nuovi strumenti per visualizzare queste unità di base della vita. Ma ogni strumento ha un compromesso. La microscopia ottica semplifica l'identificazione di strutture cellulari specifiche contrassegnandole con molecole fluorescenti facili da vedere. Con lo sviluppo della microscopia a fluorescenza a super risoluzione (SR), queste strutture possono essere visualizzate con ancora maggiore chiarezza. Ma la fluorescenza può rivelare solo alcuni degli oltre 10, 000 proteine in una cellula in un dato momento, rendendo difficile capire come questi pochi si relazionano con tutto il resto. Microscopia elettronica (EM), d'altra parte, rivela tutte le strutture cellulari in immagini ad alta risoluzione, ma delineare una caratteristica da tutte le altre con il solo EM può essere difficile perché lo spazio all'interno delle cellule è così affollato.
La combinazione delle due tecniche offre agli scienziati un quadro chiaro di come le caratteristiche cellulari specifiche si relazionano con l'ambiente circostante, dice Harald Hess, un capo gruppo senior presso il Janelia Research Campus dell'Howard Hughes Medical Institute. "Questo è un metodo molto potente."
Il ricercatore di Janelia David Hoffman e lo scienziato senior Gleb Shtengel hanno guidato il progetto sotto la guida di Hess e del collega senior di Janelia Eric Betzig, un investigatore HHMI presso l'Università della California, Berkeley. Il lavoro è descritto il 16 gennaio 2020 sulla rivista Scienza .
Primo, gli scienziati congelano le cellule ad alta pressione. Ciò interrompe rapidamente l'attività delle cellule e previene la formazione di cristalli di ghiaccio che possono danneggiare le cellule e distruggere le strutture sottoposte a imaging. Prossimo, i ricercatori mettono i campioni in una camera criogenica, dove vengono ripresi in 3-D mediante microscopia a fluorescenza a super risoluzione a temperature inferiori a dieci gradi sopra lo zero assoluto. Quindi, vengono rimossi, incastonato nella resina, e ripreso in un potente microscopio elettronico sviluppato dal laboratorio Hess. Questo cannocchiale spara un raggio di ioni sulla superficie delle cellule, fresando a poco a poco mentre si scattano foto di ogni strato appena esposto. Un programma per computer unisce quindi le immagini in una ricostruzione 3D.
Finalmente, i ricercatori sovrappongono i dati dell'immagine 3D da entrambi i microscopi. Il risultato:immagini straordinarie che rivelano i dettagli interni delle cellule con incredibile chiarezza.
Insieme a questo comunicato stampa sono inclusi alcuni video che illustrano come gli scienziati stanno usando la tecnica. "C'è già stato molto interesse, " dice Hess. "Ci sono tanti altri esperimenti da fare, un intero mondo di cellule là fuori da studiare."
1. Organizzazione della cromatina
Il nucleo di un neurone ha un aspetto drammaticamente diverso prima (a sinistra) e dopo (a destra) che la cellula cominci ad assumere il suo ruolo adulto finale. Man mano che la cellula matura, Il DNA viene riconfezionato all'interno del nucleo per attivare un nuovo set di geni. Questi cambiamenti si riflettono nei diversi modelli di screziature grigie e fluorescenza colorata all'interno delle due cellule. "La tecnica ha fornito un'istantanea incredibilmente dettagliata dello stato del nucleo prima e dopo la differenziazione, " dice David Solecki del St. Jude Children's Research Hospital, che ha collaborato al progetto.
2. Adesioni neurali
I neuroni in via di sviluppo restano uniti. Questo video mostra esattamente come queste cellule aderiscono l'una all'altra, rivelando legami simili al formaggio svizzero che aiutano i giovani neuroni a migrare correttamente verso i loro posti finali nel sistema nervoso. Le immagini di fluorescenza a super risoluzione viola e verde delle proteine di adesione a questi collegamenti sono correlate con le immagini di microscopia elettronica (arancione) che mostrano la struttura della membrana in dettaglio.
3. Endosomi
Le cellule sono piene di piccole vescicole - sacchi legati alla membrana che aiutano le cellule a immagazzinare proteine, abbattere i rifiuti cellulari, e trasportare merci. Queste molte varietà di vescicole sono indistinguibili l'una dall'altra al solo microscopio elettronico. Ma con la crio-SR/EM, le loro caratteristiche distinte diventano chiare. Questa clip ingrandisce gli endosomi, che trasportano il carico in diverse regioni all'interno della cella.
