Utilizzando un microscopio a forza atomica a scansione ultra rapida, un team di ricercatori dell'Università di Basilea ha filmato per la prima volta complessi di pori nucleari "vivi" al lavoro. I pori nucleari sono macchine molecolari che controllano il traffico in entrata o in uscita dal nucleo cellulare. Nel loro articolo pubblicato su Nanotecnologia della natura , i ricercatori spiegano come viene impedito il passaggio di molecole indesiderate spostando rapidamente i "tentacoli" molecolari all'interno del poro.

Il microscopio a forza atomica (AFM) non è un microscopio attraverso il quale guardare. Come un cieco usa le dita, "sente" una superficie con una punta finissima per risolvere minuscole strutture cellulari di soli milionesimi di millimetro di dimensione, come i pori dell'involucro nucleare. Però, questo processo è normalmente lento e può richiedere fino a un minuto per catturare un'immagine. In confronto, i moderni AFM ad alta velocità sono in grado di registrare filmati di molecole in azione catturando diverse centinaia di immagini al minuto.

Utilizzando AFM ad alta velocità, Roderick Lim, Professore Argovia al Biozentrum e allo Swiss Nanoscience Institute dell'Università di Basilea, non solo ha visualizzato direttamente la barriera selettiva del poro nucleare, ma anche il suo comportamento dinamico per risolvere un mistero di vecchia data su come si impedisce alle molecole indesiderate di entrare nel nucleo.

I complessi dei pori nucleari regolano il trasporto delle molecole

La struttura complessiva dei pori nucleari è generalmente nota. Questi non sono semplici buchi, ma sono enormi snodi di trasporto che si incorporano a migliaia nella membrana nucleare. Hanno una struttura a forma di ciambella composta da una trentina di proteine ​​diverse, chiamate nucleoporine, e un canale di trasporto centrale. All'interno del poro, diverse proteine ​​disordinate (FG Nups) formano una barriera o filtro di selettività. Mentre le piccole molecole possono facilmente superare questa barriera, grandi molecole come le proteine ​​non possono entrare nel poro nucleare. Un'eccezione a questo sono le proteine ​​necessarie nel nucleo cellulare, Per esempio, per la riparazione o la replicazione del materiale genetico. La loro traslocazione dal citoplasma al nucleo è assistita da recettori di trasporto che riconoscono una specifica "etichetta di indirizzo" trasportata da queste proteine.

L'AFM ad alta velocità rivela processi dinamici

"Con l'AFM ad alta velocità abbiamo potuto per la prima volta, scrutare all'interno di complessi di pori nucleari nativi, solo quaranta nanometri di dimensione", dice Lime. "Questo metodo è un vero punto di svolta. Abbiamo potuto vedere i singoli FG Nups e filmarli in azione. Finora non era possibile!"

Inoltre, Yusuke Sakiyama, il dottorando che ha eseguito gli esperimenti, dovuto far crescere nanofibre di carbonio super affilate su ciascuna sonda ad alta velocità per raggiungere l'interno dell'NPC. Questo genera quindi una sequenza video da più immagini che consente al ricercatore di osservare le dinamiche "realistiche" dei processi biologici a livello nanometrico.

Una barriera di "tentacoli" molecolari ondulati

A causa dell'elevata risoluzione spaziale e temporale, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare che i filamenti FG Nup sono altamente flessibili. "Non sono setole rigide ma al contrario. Come i tentacoli più sottili, i FG Nups fluttuano rapidamente, allungare e ritrarre, e talvolta si mescolano anche brevemente all'interno del poro", dice Lime. La velocità del loro movimento determina quali molecole possono passare attraverso il poro. "Le particelle di grandi dimensioni si muovono molto più lentamente delle FG Nups e sono quindi ostacolate dall'entrare nell'NPC da collisioni ripetute", spiega Lime. "Piccole molecole, però, subiscono una rapida diffusione e hanno un'alta probabilità di superare la barriera FG Nup."

Comprendendo come gli NPC funzionano come hub di trasporto nelle cellule viventi, Lim, membro dell'NCCR Molecular Systems Engineering, sta ora studiando come i filtri selettivi ispirati agli NPC potrebbero regolare il traffico molecolare nei sistemi non biologici.