Il virus dell'immunodeficienza umana, o HIV, fa la guerra nei nostri corpi usando una strategia evoluta nel corso di milioni di anni che mette le nostre stesse macchine cellulari contro se stesse. Nonostante gli enormi progressi nella comprensione della malattia, ci sono ancora importanti lacune. Per anni, gli scienziati dell'Università dello Utah desideravano che ci fosse un modo per visualizzare come il virus e le sue molecole interagiscono con le cellule umane in tempo reale. Così, un gruppo di ricerca ne ha sviluppato uno.

Il nuovo metodo utilizza l'interferometria per catturare visualizzazioni ad altissima risoluzione di milioni di molecole che si muovono attraverso gel viscosi o una membrana plasmatica. Ipsita Saha, dottorando in fisica e autore principale dello studio, ha sviluppato un'analisi di correlazione che spiegava teoricamente come il microscopio interferometrico potesse distinguere tra due tipi di movimento - flusso e diffusione - e lei e l'autore senior Saveez Saffarian lo hanno verificato sperimentalmente. Il metodo ci avvicina di un passo alla visualizzazione di come le molecole interagiscono in una cellula vivente reale.

"Esistono già metodi che catturano il modo in cui le molecole scorrono e si diffondono in due dimensioni. Volevamo vedere cosa sta succedendo nell'intero ambiente cellulare. Come funzionano queste molecole? Che tipo di interazioni stanno avvenendo?" ha detto Saha, che è anche affiliato con il Center for Cell and Genome Science (CCGS) presso l'U.

"Finora, siamo stati lasciati solo immaginare queste interazioni. Abbiamo modi molto limitati di entrare effettivamente nella cellula e osservare come tutte queste molecole danzano insieme allo stesso tempo, " ha detto l'autore senior Saffarian, professore associato di fisica, professore a contratto di biologia e affiliato al CCGS. "Avevamo davvero bisogno di generare metodi a risoluzione più elevata in grado di osservare le dinamiche delle molecole biologiche".

Lo studio pubblicato sulla rivista PLOS UNO il 18 dicembre, 2019.

Flusso e diffusione

Le celle funzionano come un ufficio efficiente. Le proteine ​​e le altre molecole svolgono compiti, sviluppare prodotti, comunicare tra loro e muoversi, anche lasciando la loro cella particolare per guadare il mondo più ampio. Il movimento è fondamentale per le molecole per trovare e interagire tra loro e con il loro ambiente. Questo studio mirava a distinguere tra due tipi di movimenti:flusso e diffusione.

Le molecole fluiscono quando tendono a muoversi in una certa direzione. La diffusione è quando le molecole si muovono casualmente. Per capire come funzionano le cellule o i virus, è importante capire i meccanismi di come si muovono.

"Queste molecole trasportano cose diverse da un luogo all'altro, o ci sono altri processi in corso?" ha detto Saha. "Questo metodo in particolare può differenziare tra flusso e diffusione in tre dimensioni".

I ricercatori hanno utilizzato un microscopio interferometrico, che misura la distanza percorsa dalla luce su scala nanometrica. Le molecole emettono fotoni che viaggiano come onde luminose, ciascuno con ampiezze e frequenze specifiche. Per l'esperimento, il microscopio divideva un raggio di luce in due raggi che percorrevano percorsi diversi, alla fine tornano ad incontrarsi. Questi raggi si combinano in un prisma, e tre riflessi separati della loro combinazione vengono ripresi su tre fotocamere. L'interferenza è tale che se una molecola si muove di 80 nanometri, la sua immagine viene spostata su una telecamera diversa. Questa è una risoluzione estremamente alta:un globulo rosso umano è di circa 7, 000 nanometri di diametro. I ricercatori hanno misurato la risoluzione in voxel, che sono pixel in tre dimensioni.

Saha e Saffarian hanno creato un gel di saccarosio iniettato con punti quantici, cristalli artificiali su nanoscala che conducono elettroni. I punti quantici producono un segnale che il microscopio può rilevare. Imparando prima come si muovono i punti quantici nel gel, gli scienziati hanno convalidato la loro tecnica, che potrebbe quindi essere applicato al modo in cui le proteine ​​si muovono all'interno di una cellula. Hanno raffreddato il gel a temperatura ambiente per rallentare la sostanza fino a una velocità che le telecamere potevano catturare.

"Puoi effettivamente vedere se le molecole stanno andando in una particolare direzione o se si muovono in modo casuale. E puoi farlo in modo molto, voxel molto piccoli su un'ampia sezione trasversale del campione, che ha un enorme patrimonio di informazioni, " ha detto Saffarian. Gli scienziati hanno utilizzato il Center for High Performance Computing presso l'U per elaborare le enormi quantità di dati.

I ricercatori hanno misurato per quanto tempo queste onde luminose si sono "ricordate" a vicenda calcolando la probabilità per quanto tempo le onde avrebbero mantenuto la loro ampiezza e frequenza, chiamato coerenza. La luce emessa dalla stessa molecola apparirà nelle telecamere con la stessa coerenza. Hanno usato la funzione di correlazione per capire come si muovevano le molecole e in quale direzione. Se i fasci di luce sdoppiati viaggiano su percorsi separati a meno di 10 micron di distanza l'uno dall'altro, ricordano che provenivano dalla stessa molecola. Quando i raggi di luce si incontrano di nuovo, si ricombineranno con quella conoscenza. Se non si conoscono, hanno una probabilità del 30% di apparire in una qualsiasi delle tre telecamere. Se si ricordano l'un l'altro, hanno una probabilità del 100% di apparire in una telecamera, ma una probabilità dello 0% di apparire negli altri. Questo metodo misura la luce emessa da milioni di molecole contemporaneamente, rendendo questo metodo ideale per studiare il flusso e la diffusione attraverso cellule e tessuti.

Migliorare la tecnologia

Sebbene questo metodo rilevi il movimento attraverso gel viscosi o membrane plasmatiche, non è in grado di creare una mappa di particelle che si muovono attraverso una cellula reale. Però, Saha e Saffarian stanno ora collaborando con i ricercatori di ThermoFisher Scientific (FEI) in Germania per costruire un prototipo di microscopio con rivelatori molto più veloci che saranno in grado di catturare il movimento all'interno delle cellule viventi. Fanno parte di una domanda di brevetto per la tecnologia e analizzeranno i dati degli esperimenti.

"Possiamo già utilizzare questo metodo per processi lenti, ma nel nostro laboratorio, siamo biologi a un certo livello. Vogliamo davvero capire come funziona la biologia, e l'incentivo dietro tutto questo sviluppo del metodo è capire, qual è la folle danza delle molecole all'interno di cellule e tessuti che permette alla biologia davvero esotica di andare avanti? Per arrivarci, abbiamo bisogno di rilevatori molto più veloci, " ha detto Saffarian.