Gli scienziati hanno sviluppato una nuova tecnica utilizzando strumenti fatti di DNA luminescente, accesi come lucciole, per visualizzare le forze meccaniche delle cellule a livello molecolare. Metodi della natura pubblicato il lavoro, guidato da chimici della Emory University, che hanno dimostrato la loro tecnica sulle piastrine del sangue umano in esperimenti di laboratorio.

"Normalmente, un microscopio ottico non può produrre immagini che risolvono oggetti più piccoli della lunghezza di un'onda luminosa, che è di circa 500 nanometri, "dice Khalid Salaita, Emory professore di chimica e autore senior dello studio. "Abbiamo trovato un modo per sfruttare i recenti progressi nell'imaging ottico insieme ai nostri sensori di DNA molecolare per catturare forze a 25 nanometri. Quella risoluzione è simile a essere sulla luna e vedere le increspature causate dalle gocce di pioggia che colpiscono la superficie di un lago sulla Terra ."

Quasi ogni processo biologico coinvolge un componente meccanico, dalla divisione cellulare alla coagulazione del sangue al montaggio di una risposta immunitaria. "Capire come le cellule applicano le forze e le forze di senso può aiutare nello sviluppo di nuove terapie per molti disturbi diversi, "dice Salaita, il cui laboratorio è leader nell'ideazione di modi per visualizzare e mappare le forze biomeccaniche.

I primi autori dell'articolo, Joshua Brockman e Hanquan Su, ha fatto il lavoro come studenti laureati Emory nel laboratorio Salaita. Entrambi hanno recentemente conseguito il dottorato di ricerca.

I ricercatori hanno trasformato filamenti di DNA sintetico in sonde di tensione molecolare che contengono tasche nascoste. Le sonde sono attaccate ai recettori sulla superficie di una cellula. Pezzi di DNA fluttuanti contrassegnati con fluorescenza fungono da imager. Mentre i pezzi di DNA non ancorati sfrecciano, creano strisce di luce nei video di microscopia.

Quando la cellula applica forza su un particolare sito recettore, le sonde attaccate si allungano provocando l'apertura delle loro tasche nascoste e il rilascio di viticci di DNA che sono immagazzinati all'interno. I pezzi di DNA fluttuanti sono progettati per agganciarsi a questi viticci di DNA. Quando i frammenti di DNA fluorescenti attraccano, sono brevemente smobilitati, mostrando come punti di luce fermi nei video di microscopia.

Ore di microscopia video sono prese del processo, poi accelerato per mostrare come i punti luce cambiano nel tempo, fornendo la vista a livello molecolare delle forze meccaniche della cellula.

I ricercatori usano un'analogia con la lucciola per descrivere il processo.

"Immagina di essere in un campo in una notte senza luna e c'è un albero che non puoi vedere perché è buio pesto, "dice Brockman, che si è laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica di Wallace H. Coulter, un programma congiunto di Georgia Tech ed Emory, ed è ora un borsista post-dottorato ad Harvard. "Per qualche ragione, alle lucciole piace molto quell'albero. Mentre atterrano su tutti i rami e lungo il tronco dell'albero, potresti costruire lentamente un'immagine del contorno dell'albero. E se tu fossi davvero paziente, potresti persino rilevare i rami dell'albero che ondeggiano al vento registrando come le lucciole cambiano i loro punti di atterraggio nel tempo."

"È estremamente difficile immaginare le forze di una cellula vivente ad alta risoluzione, " dice Su, che si è laureato presso il Dipartimento di Chimica di Emory ed è ora borsista post-dottorato nel laboratorio Salaita. "Un grande vantaggio della nostra tecnica è che non interferisce con il normale comportamento o la salute di una cellula".

Un altro vantaggio, Aggiunge, è che le basi del DNA di A, G, T e C, che naturalmente si legano tra loro in modi particolari, può essere progettato all'interno del sistema sonda e immagine per controllare la specificità e mappare più forze contemporaneamente all'interno di una cellula.

"In definitiva, potremmo essere in grado di collegare varie attività meccaniche di una cellula a proteine ​​specifiche o ad altre parti del macchinario cellulare, " dice Brockman. "Questo potrebbe permetterci di determinare come alterare la cellula per cambiare e controllare le sue forze".

Utilizzando la tecnica per visualizzare e mappare le forze meccaniche delle piastrine, le cellule che controllano la coagulazione del sangue nel sito di una ferita, i ricercatori hanno scoperto che le piastrine hanno un nucleo concentrato di tensione meccanica e un bordo sottile che si contrae continuamente. "Non potevamo vedere questo schema prima, ma ora ne abbiamo un'immagine nitida, "Dice Salaita. "Come fanno queste forze meccaniche a controllare la trombosi e la coagulazione? Vorremmo studiarli di più per vedere se possono servire come un modo per prevedere un disturbo della coagulazione".

Proprio come telescopi sempre più potenti ci permettono di scoprire i pianeti, le stelle e le forze dell'universo, la microscopia più potente ci consente di fare scoperte sulla nostra biologia.

"Spero che questa nuova tecnica porti a modi migliori per visualizzare non solo l'attività delle singole cellule in un piatto di laboratorio, ma per conoscere le interazioni cellula-cellula in condizioni fisiologiche reali, " Dice Su. "È come aprire una nuova porta su un regno in gran parte inesplorato:le forze dentro di noi".