Nelle cellule viventi si verificano simultaneamente un gran numero di eventi transitori, ciascuno dei quali è importante per una determinata cellula nello svolgimento della sua funzione. La registrazione fedele di queste attività transitorie è un prerequisito per una comprensione molecolare della vita, ma ottenere tali registrazioni è estremamente impegnativo.
Gli scienziati del Max Planck Institute for Medical Research di Heidelberg e i loro partner di collaborazione hanno creato una nuova tecnologia che consente di registrare eventi cellulari attraverso l’etichettatura chimica con coloranti fluorescenti per analisi successive, aprendo modi completamente nuovi per studiare la fisiologia cellulare. Il nuovo metodo è stato ora pubblicato su Science .
La registrazione di eventi cellulari transitori svolge un ruolo decisivo nell'esame e nella comprensione dei processi biologici, ma presenta sfide tecniche significative. Un metodo di registrazione ideale osserverebbe simultaneamente grandi popolazioni di cellule, funzionerebbe in provetta e su animali vivi e consentirebbe di recuperare e analizzare le osservazioni registrate in un secondo momento. Finora, i metodi che soddisfano questi criteri sono stati in gran parte carenti:un divario che la nuova tecnologia potrebbe ora colmare.
"La nostra tecnologia si basa su una proteina registratrice che viene marcata in modo irreversibile con un colorante fluorescente quando si verifica un evento interessante nelle sue vicinanze", spiega Magnus-Carsten Huppertz, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Biologia Chimica dell'MPI per la Ricerca Medica. "Ciò consente agli scienziati di studiare un gran numero di cellule in parallelo ̶ in vivo o in vitro."
Il team, guidato da Kai Johnsson e Julien Hiblot, ha progettato proteine che vengono etichettate quando sono presenti contemporaneamente un'attività cellulare specifica e un substrato fluorescente. L'introduzione e il dilavamento del substrato definiscono il periodo di registrazione, mentre l'attività cellulare determina il grado di marcatura. Inoltre, utilizzando substrati distinguibili, è possibile registrare diverse fasi all'interno di un periodo di attività.
Nei loro studi, hanno costruito registratori per tre diversi processi di interesse centrale:attivazione del recettore, interazioni proteina-proteina e cambiamenti nello ione calcio (Ca 2+ ) concentrazione. Quest'ultimo è stato impiegato per studiare l'eterogeneità del Ca 2+ cambiamenti nelle reti cellulari derivate dal glioblastoma, un tumore cerebrale aggressivo.
In stretta collaborazione con i gruppi di Lisa Fenk e Herwig Baier presso l'Istituto Max Planck per l'intelligenza biologica di Martinsried, gli autori hanno registrato con successo modelli di attività neuronale nelle mosche e nei pesci zebra.
"Alla fine, abbiamo sviluppato una piattaforma di registrazione così versatile per l'analisi parallela di numerosi eventi cellulari transitori simultanei in vitro e in vivo", conclude Jonas Wilhelm, ricercatore post-dottorato presso lo stesso dipartimento.
La sfida principale che gli scienziati hanno dovuto affrontare durante il loro lavoro è stata quella di perfezionare la piattaforma di registrazione appena sviluppata per garantirne la robustezza e le prestazioni efficienti in una gamma di sistemi modello biologico. Per esplorare l'uso di questa nuova tecnologia in varie condizioni, hanno creato una serie di soluzioni sperimentali composite.
"Siamo entusiasti di fornire nuovi strumenti molecolari con il potenziale per consentire nuovi tipi di esperimenti e accelerare la ricerca in diversi campi come la neurobiologia e l'oncologia", affermano Magnus-Carsten Huppertz e Jonas Wilhelm. "Siamo stati fortunati a poter collaborare con scienziati di diverse discipline per rendere possibile questa nuova tecnologia."
Oltre all'Istituto Max Planck per l'intelligenza biologica, scienziati del Centro tedesco per la ricerca sul cancro (DKFZ), del Centro nazionale per le malattie tumorali (NCT), dell'Università di Heidelberg, del Janelia Research Campus, Virginia, USA, e dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne ( EPFL), la Svizzera ha contribuito ai lavori.
Ulteriori informazioni: Magnus-Carsten Huppertz et al, Registrazione della storia fisiologica delle cellule con etichettatura chimica, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adg0812
Fornito dal Max-Planck-Institut für medizinische Forschung
