(Phys.org) — Gli ingegneri chimici della Rice University e i biofisici della Georg-August Universität Göttingen in Germania e della VU University Amsterdam nei Paesi Bassi hanno tracciato con successo singole molecole all'interno di cellule viventi con nanotubi di carbonio.

Attraverso questo nuovo metodo, i ricercatori hanno scoperto che le cellule si muovono all'interno usando le stesse proteine ​​motorie che servono nella contrazione muscolare.

Lo studio, che getta nuova luce sui meccanismi di trasporto biologico nelle cellule, appare questa settimana in Scienza .

Il team ha collegato nanotubi di carbonio per trasportare molecole note come motori chinesina per visualizzarle e seguirle mentre si muovono attraverso il citoplasma delle cellule viventi.

"Sono stupito di quanto siano versatili i nanotubi di carbonio, " ha detto il coautore Matteo Pasquali, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare e di chimica Rice. "Li usiamo per un'ampia gamma di applicazioni, dall'ingegneria delle fibre conduttrici all'imaging nelle cellule".

I nanotubi di carbonio sono cilindri cavi di carbonio puro con pareti dello spessore di un atomo. Emettono naturalmente fluorescenza con lunghezze d'onda del vicino infrarosso quando esposti alla luce visibile, una proprietà scoperta alla Rice dal professor Rick Smalley una decina di anni fa e poi sfruttata dal professor Bruce Weisman della Rice per visualizzare i nanotubi di carbonio. Quando è attaccato a una molecola, i nanotubi autostop fungono da piccoli fari che possono essere tracciati con precisione per lunghi periodi di tempo per indagare su piccoli, movimenti casuali all'interno delle cellule.

"Qualsiasi sonda che possa raggiungere la lunghezza e la larghezza della cella, ruvida, baraccopoli, lotta contro terribili avversità, vincere e sapere ancora dov'è la sua proteina, è chiaramente una sonda da non sottovalutare, " ha detto l'autore principale Nikta Fakhri, parafrasando "Guida galattica per autostoppisti". Fakhri, che ha conseguito il dottorato Rice nel laboratorio di Pasquali nel 2011, è attualmente Human Frontier Science Program Fellow a Göttingen.

"Infatti, l'eccezionale stabilità di queste sonde ha permesso di osservare movimenti intracellulari da tempi brevi come millisecondi fino a ore, " lei disse.

Per il trasporto a lunga distanza, come lungo gli assoni lunghi delle cellule nervose, le cellule di solito impiegano proteine ​​motorie legate a vescicole lipidiche, i "contenitori di carico" della cella. Questo processo comporta una notevole logistica:il carico deve essere imballato, attaccato ai motori e spedito nella giusta direzione.

"Questa ricerca ha aiutato a scoprire un ulteriore, meccanismo molto più semplice per il trasporto all'interno della cellula, " ha detto il ricercatore principale Christoph Schmidt, professore di fisica a Gottinga. "Le cellule si agitano vigorosamente, proprio come un chimico accelererebbe una reazione agitando una provetta. Questo li aiuterà a spostare gli oggetti nell'ambiente cellulare altamente affollato".

I ricercatori hanno dimostrato che lo stesso tipo di proteina motoria utilizzata per la contrazione muscolare è responsabile dell'agitazione. Hanno raggiunto questa conclusione dopo aver esposto le cellule a farmaci che sopprimevano queste specifiche proteine ​​motorie. I test hanno mostrato che anche l'agitazione è stata soppressa.

Il citoscheletro meccanico delle cellule è costituito da reti di filamenti proteici, come l'actina. All'interno della cellula, la proteina motore miosina forma fasci che contraggono attivamente la rete di actina per brevi periodi. I ricercatori hanno scoperto che il pizzicamento casuale della rete elastica di actina da parte di molti fasci di miosina ha provocato l'agitazione interna globale della cellula. Sia l'actina che la miosina svolgono un ruolo simile nella contrazione muscolare.

Le misurazioni altamente accurate delle fluttuazioni interne nelle cellule sono state spiegate in un modello teorico sviluppato dal coautore della VU Fred MacKintosh, che hanno utilizzato le proprietà elastiche del citoscheletro e le caratteristiche di generazione di forza dei motori.

"La nuova scoperta non solo promuove la nostra comprensione della dinamica cellulare, ma indica anche interessanti possibilità nella progettazione di materiali tecnici "attivi", " disse Fakhri, che presto entrerà a far parte della facoltà del Massachusetts Institute of Technology come assistente professore di fisica. "Immagina un dispositivo biomedico microscopico che mescola piccoli campioni di sangue con reagenti per rilevare malattie o filtri intelligenti che separano i materiali morbidi dai materiali rigidi".