Un team del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard ha ricevuto una sovvenzione speciale di 3,5 milioni di dollari dal National Institutes of Health (NIH) per sviluppare un nuovo metodo di microscopia economico e facile da usare per individuare contemporaneamente molti piccoli componenti di cellule.

La concessione, chiamato Transformative Research Award, fa parte di un'iniziativa NIH per finanziare ad alto rischio, ricerca ad alto rendimento, e nel 2013 l'agenzia ha finanziato solo 10 di questi progetti a livello nazionale.

Il metodo della microscopia basata sul DNA potrebbe potenzialmente portare a nuovi modi di diagnosticare la malattia distinguendo le cellule sane e malate sulla base di sofisticati dettagli molecolari. Potrebbe anche aiutare gli scienziati a scoprire come i componenti della cellula svolgono il loro lavoro all'interno della cellula.

"Se vuoi studiare fisiologia e malattia, vuoi vedere come funzionano le molecole, ed è importante vederli nei loro ambienti nativi, " disse Peng Yin, dottorato di ricerca, un membro del corpo docente presso il Wyss Institute e Assistant Professor di Systems Biology presso la Harvard Medical School. Yin guiderà il progetto, e collaborerà con Samie Jaffrey, M.D., dottorato di ricerca, un professore di farmacologia al Weill Cornell Medical College, e Ralf Jungmann, dottorato di ricerca, uno studioso post-dottorato nel laboratorio del Wyss Institute di Yin, tra gli altri.

I biologi hanno usato i microscopi per rivelare come minuscole strutture all'interno delle cellule le sostengano e le aiutino a muoversi, riprodurre, attivare i geni, e altro ancora. Ma sebbene i produttori di microscopi abbiano affinato la tecnologia per secoli per ottenere immagini sempre più chiare, sono stati limitati dalle leggi della fisica. Quando due oggetti sono più vicini di circa 0,2 micrometri, o circa un cinquecentesimo della larghezza di un capello umano, gli scienziati non sono più in grado di distinguerli utilizzando i tradizionali microscopi ottici. Di conseguenza, lo spettatore vede un blob sfocato dove in realtà ci sono due oggetti. Ciò si verifica a causa del modo in cui i raggi di luce si piegano attorno agli oggetti, ed è noto come limite di diffrazione.

Molecole come enzimi, recettori, L'RNA e il DNA che svolgono la maggior parte del lavoro della cellula sono in genere molto più piccoli di 0,2 micrometri, e per visualizzarli, i microscopisti hanno lottato per superare il limite di diffrazione. Hanno sviluppato diversi metodi intelligenti che realizzano questo, ma alcuni richiedono microscopi speciali che tendono ad essere molto costosi, e altri richiedono procedure ingombranti. Cosa c'è di più, i metodi odierni possono rivelare solo una manciata di specie molecolari distinte alla volta, e le immagini rimangono più sfocate di quanto molti scienziati vorrebbero.

Il team guidato dal Wyss Institute prevede di superare queste sfide combinando metodi di imaging a singola molecola con strumenti molecolari della nanotecnologia del DNA. Utilizzando un metodo di imaging chiamato DNA-PAINT, hanno creato i cosiddetti "filamenti di imager" etichettando piccoli pezzi di DNA con un colorante fluorescente. Ciascuno di questi filamenti di imager si lega transitoriamente a un filamento di DNA corrispondente che è attaccato a una molecola bersaglio, che fa sembrare il bersaglio lampeggiare. Tale lampeggiamento, quando fatto bene, consente agli scienziati di superare il limite di diffrazione e di ottenere immagini dei bersagli più nitide di quanto altrimenti possibile.

"La cosa potente dell'uso del DNA risiede nella sua straordinaria programmabilità, Yin ha detto. "Abbiamo in programma di utilizzare questa capacità per far lampeggiare le molecole nelle cellule in modo programmabile e autonomo. Questo ci permetterà di vedere cose che prima erano invisibili".

Il team di Yin è specializzato nell'uso del DNA per creare nanostrutture sintetiche programmabili. Due settimane fa, la National Science Foundation ha assegnato al team e ai loro colleghi un prestigioso premio Expedition in Computing per progettare sistemi di DNA sintetico con funzioni e comportamenti molecolari programmabili. Il NIH Transformative Research Award consentirà loro di utilizzare il DNA per programmare la luce intermittente per produrre immagini molecolari e cellulari ultra nitide per la ricerca biomedica.

"Fino a quando non saremo in grado di visualizzare molti componenti molecolari delle cellule in modo chiaro e simultaneo, possiamo solo fare ipotesi plausibili su come si alleano per svolgere le loro complesse funzioni biologiche, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute Don Ingber, M.D., dottorato di ricerca "Sono fiducioso che il nuovo approccio economico di Peng alla microscopia a super risoluzione trasformerà il panorama della ricerca biomedica, e portare a nuove diagnosi che individuano la malattia prima e con maggiore precisione".