L'Università della California, La Nanofabrication Cleanroom Facility (Nano3) di San Diego è la prima istituzione a ottenere un nuovo microscopio a doppio raggio FEI Scios, con un adattamento per l'uso a temperature criogeniche. Il nuovo microscopio consentirà la ricerca tra una base di utenti molto diversificata, spaziando dalla scienza dei materiali alla biologia strutturale e molecolare.

Come spiega il direttore tecnico di Nano3 Bernd Fruhberger:"C'è un enorme interesse nell'utilizzo di questo strumento tra docenti di più dipartimenti. I dipartimenti di nanoingegneria, Materiali e Ingegneria Aerospaziale, Ingegneria Elettrica e Informatica, Chimica, Fisica e Biologia presso l'UC San Diego hanno tutti progetti che necessitano di questo strumento, e sono stati attivamente coinvolti nel rendere l'approvvigionamento dello strumento una realtà.

"Lo strumento fornisce funzionalità all'avanguardia per la sezione trasversale, preparazione di sezioni per Microscopia Elettronica a Trasmissione e altro, " Aggiunge, "ma ciò che lo differenzia veramente è la nuova capacità criogenica, che consentirà ai biologi cellulari di vedere le strutture delle cellule biologiche con una risoluzione più elevata per comprendere meglio come funzionano le cellule a livello molecolare. Questo potrebbe aprire la strada a nuovi trattamenti e alla scoperta di farmaci".

Elisabetta Villa, un nuovo assistente professore presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'UC San Diego, insieme ai suoi colleghi dell'Istituto di biochimica Max Planck in Germania, ha adattato un microscopio a fascio ionico focalizzato per applicazioni biologiche durante i suoi studi post-dottorato. Il design è stato adottato dalla società olandese FEI in un prototipo unico nel suo genere che Villa svilupperà ulteriormente a UC San Diego in collaborazione con l'azienda.

Villa osserva che l'UC San Diego ha una consolidata tradizione accademica nell'area dell'imaging molecolare, che si riflette in particolare nel lavoro del biochimico Roger Tsien. Tsien ha vinto il Premio Nobel 2008 per la Chimica per la scoperta e lo sviluppo della proteina fluorescente verde, che ha rivoluzionato i campi della biologia cellulare e della neurobiologia consentendo agli scienziati di scrutare all'interno delle cellule viventi e osservare il loro comportamento in tempo reale.

"Quello che sto facendo è simile, " spiega Villa, "Solo io sto usando la microscopia elettronica, che ci dà immagini ad alta risoluzione. L'idea alla base del nostro metodo è quella di riunire persone che fanno biologia strutturale con persone che fanno biologia cellulare utilizzando un nuovo strumento che ci permetterà di vedere le strutture delle cellule, ad alta risoluzione, e capire meglio cosa stanno facendo le molecole."

Per spiegare la differenza tra la microscopia ottica (che ha reso possibile il lavoro di Tsien) e il suo lavoro nella microscopia elettronica, Villa invoca una metafora.

"La microscopia ottica è come dare lanterne a un gruppo di persone in una città. Puoi vedere dove sono quelle persone, ma non puoi vedere cosa succede intorno a loro. Con la microscopia elettronica, puoi vedere le persone con le lanterne (le molecole di una cellula) e puoi anche vedere le mura e gli edifici della città (la struttura della cellula)."

Ma la microscopia elettronica ha il suo rovescio della medaglia. Tradizionalmente, essere visibile, le cellule devono essere preparate in anticipo asciugandole e colorandole con ciò che Villa equivale a uno "spesso strato di vernice". Però, la maggior parte delle cellule sono troppo spesse per essere studiate in questo modo, ed è questo che rende lo strumento Scios un punto di svolta:consente a Villa di bypassare la macchia e nanomacchinare le cellule per ridurle allo spessore richiesto per la microscopia elettronica - circa pochi decimi di micron - senza creare distorsioni del campione e mantenendo la criogenicità temperature (generalmente la temperatura dell'azoto liquido).

Villa aggiunge:"Ci sono persone nel campus, come il professore di neuroscienze Mark Ellisman, che fanno un lavoro magnifico progettando e usando questi tipi di macchie, ma quando l'obiettivo è ottenere un'immagine ad alta risoluzione delle celle in cui la domanda riguarda la determinazione dei dettagli strutturali, vuoi evitare di avere questo strato extra sopra di loro. Sarebbe come avere uno strato di vernice sul viso e poi provare a contare quante ciglia hai. Saresti senza lavoro".

Villa confronta il processo di studio delle cellule (tipicamente cellule eucariotiche, nel suo caso) a temperature criogeniche per "congelare istantaneamente" la "città" cellulare nella sua metafora precedente.

"Tutto nella cella si blocca nella posizione in cui si trovava, così possiamo dare un'occhiata migliore, " dice. "Una cosa che ho studiato è qualcosa noto come il complesso dei pori nucleari, che è il custode del nucleo. Mantiene il DNA all'interno del nucleo e lontano dalle altre parti della cellula. Se dovessimo estrarlo completamente dalla cella per studiarlo, non avrebbe molto senso, ecco perché dobbiamo congelarlo sul posto.

"Con le tecniche di tomografia crioelettronica, possiamo creare immagini 3D delle cellule chiamate tomogrammi, " continua. "Quello che faccio è esattamente equivalente a una TAC (tomografia computerizzata), tranne che le celle sono un milione di volte più piccole. Possiamo prendere quelle immagini 3D e guardarle in StarCAVE o NexCAVE (di Qualcomm Institute) ingrandite e a colori, e avere un'idea ancora migliore di quello che sta succedendo."

Villa aggiunge che un altro vantaggio della microscopia crioelettronica è la capacità di dedurre le dinamiche cellulari nel tempo, "o ciò che in fisica chiamiamo 'ergodicità'. posso guardare 3, 000 pori nucleari congelati in tempi diversi per dedurre la dinamica cellulare, classificare tutte queste informazioni e poi fare previsioni. Possiamo quindi fare un esperimento di microscopia ottica in vivo (con una cellula viva) e correlare ciò che vediamo con i dati precedenti che abbiamo raccolto".

Villa sottolinea che utilizzando il doppio raggio Scios per la nanolavorazione di materiale biologico è in un certo senso, "dirottamento di uno strumento che gli scienziati dei materiali usano continuamente nella nanofabbricazione dei materiali".

Il microscopio Scios faciliterà anche la ricerca pianificata condotta dall'UC San Diego sulle malattie neurodegenerative, dice Villa, così come la ricerca relativa al cancro e alle malattie cardiache.

"Molti tipi di perturbazioni o fenotipi che derivano da malattie o guarigioni da malattie potranno essere esaminati utilizzando il microscopio Scios, " osserva. "È importante notare che questo è un primo passo e che rimane molto lavoro da fare, ma ci pone in un luogo davvero emozionante in cui miriamo a guardare le strutture molecolari nel loro contesto naturale:dalla cellula al livello dell'organismo".