Sulla superficie dei nostri trilioni di cellule c'è una complessa folla di molecole che si muovono, parlando tra di loro, di tanto in tanto segregandosi, e l'attivazione di funzioni di base che vanno dalla sensazione di dolore al rilascio di insulina.

Le strutture che organizzano questo microscopico ingorgo non sono più invisibili, grazie ai ricercatori della Colorado State University. Un team multidisciplinare di biofisici e biochimici a singola molecola ha fatto luce su un processo cellulare a lungo oscurato:la relazione di una membrana cellulare di mammifero con un'impalcatura sottostante, il citoscheletro di actina corticale. Per la prima volta, il team della CSU ha effettuato osservazioni in tempo reale di questo citoscheletro che agisce come una barriera che organizza le proteine ​​sulla superficie della cellula, svolgere efficacemente il ruolo di sbirro sulle attività della membrana cellulare.

La visualizzazione e l'analisi rivoluzionarie di questo processo biologico fondamentale - come una membrana cellulare interagisce con il suo ambiente intracellulare e controlla le funzioni cellulari - è stata raggiunta congiuntamente dai laboratori di Diego Krapf, professore associato di ingegneria elettrica e informatica e ingegneria biomedica, e Michael Tamkun, professore di scienze biomediche presso il College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences, e di biochimica, presso la Facoltà di Scienze Naturali. Lo studio dei ricercatori apparirà in una prossima edizione di Revisione fisica X , con il primo autore Sanaz Sadegh, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Krapf.

Nel loro studio, i ricercatori hanno utilizzato una potente tecnologia di imaging a superrisoluzione chiamata microscopia di localizzazione fotoattivata (PALM), quale, aggirando il limite di diffrazione naturale della luce, consente agli scienziati di scattare foto e video nitidi di processi biologici su scala nanometrica. La microscopia a superrisoluzione è stata oggetto del Premio Nobel 2014 per la Chimica.

I ricercatori della CSU si sono concentrati sui movimenti dei canali ionici del potassio, un tipo di proteina fondamentale per le funzioni cellulari sulla superficie cellulare, e come questi canali ionici interagiscono con il citoscheletro di actina corticale. Il citoscheletro è una rete di filamenti simile a una ragnatela appena sotto la membrana cellulare che conferisce alla cellula parte della sua forma e struttura. Gli scienziati avevano precedentemente ipotizzato che il citoscheletro svolgesse un ruolo fondamentale nell'aiutare le proteine ​​di membrana che studiano la superficie cellulare ad organizzarsi e trasmettere segnali per mantenere la cellula sana e funzionante. Ma catturare visivamente questa interazione actina-proteina nelle cellule vive era stato impossibile.

"Proteine ​​sulla superficie cellulare, come i canali ionici, hanno molta massa che pende nella cellula, " ha spiegato Tamkun. "È quella massa intracellulare che si scontra con la rete di actina".

Utilizzando un microscopio a superrisoluzione progettato su misura, i ricercatori hanno realizzato filmati che hanno catturato i momenti esatti in cui i canali ionici si sono scontrati con la rete di actina. Cosa c'è di più, hanno eseguito analisi statistiche su questi movimenti per fornire prove degli elementi strutturali chiave dell'actina. La rete corticale di actina in una cellula è un frattale, il che significa che è strutturalmente simile a scale di lunghezza variabili.

"La natura frattale della rete di actina spiega le nostre misurazioni, " Ha detto Sadegh. "Ci porta a chiederci perché vediamo così tanti frattali in natura. È un modo efficiente per organizzare le funzioni? È una domanda interessante per studi futuri".

L'analisi dei ricercatori della CSU ha mostrato che i movimenti casuali delle proteine ​​della membrana cellulare mostrano schemi sofisticati. Tra le loro osservazioni c'era che le proteine ​​tendevano a rimbalzare nei luoghi che avevano precedentemente visitato. Per la prima volta, i ricercatori della CSU hanno offerto prove statistiche e visive che questo rimbalzo è causato direttamente dalla natura frattale dell'actina.

La principale sfida tecnica è stata ottenere immagini ad alta risoluzione in tempi brevissimi, secondo Krapf. "Se aspettiamo 10 secondi, il citoscheletro cellulare cambia, quindi dobbiamo immaginarlo velocemente. Stavamo impiegando intervalli di due secondi, e in quei secondi avevamo bisogno di ottenere una risoluzione spaziale abbastanza alta da vedere le collisioni tra le singole proteine ​​di membrana e la struttura dell'actina".

I ricercatori vogliono capire tutto sulla membrana cellulare, perché è così che la cellula comunica con il suo ambiente esterno, e può contenere la chiave per la progressione della malattia e altri aspetti della salute umana. "È importante per noi capire come la cellula organizza la sua membrana per mantenere le cose nei luoghi in cui devono essere, " Ha detto Sadegh. Ha suggerito che gli studi futuri potrebbero concentrarsi su siti specifici sulla membrana - ad esempio, dove avviene l'endocitosi e come la rete di actina regola l'attività localizzata.