Le conversazioni con il fisico Ralf Jungmann richiedono una grande concentrazione. Ne prende uno a un ritmo sfrigolante attraverso un mondo che è inconcepibilmente minuto, un mondo che, secondo le leggi dell'ottica, non è direttamente accessibile nemmeno ai migliori microscopi ottici. È anche il microcosmo in cui i processi biologici sono di casa. I suoi abitanti sono i metaboliti e le macromolecole le cui interazioni determinano il corso e i limiti della nostra vita – e ne sappiamo ancora molto poco.

Ma l'ambizione di Ralf Jungmann è di portare ogni macchina molecolare nella cellula nell'ambito della microscopia ottica, un compito che inevitabilmente lo porta alle frontiere del fisicamente fattibile. Insieme al suo team di 11 membri, Jungmann, che è stato appena nominato a una cattedra alla LMU, sta sviluppando un cosiddetto microscopio a super risoluzione per applicazioni biomediche, che è progettato per l'immagine delle strutture cellulari con l'ausilio di tecniche di etichettatura basate sul DNA. Il progetto ha ricevuto finanziamenti da programmi di sovvenzione altamente selettivi gestiti dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) e dal Consiglio europeo della ricerca (ERC).

Il campo della microscopia a super risoluzione è diventato piuttosto affollato negli ultimi anni, e molto è stato raggiunto che sembrava impossibile non molto tempo fa. Jungmann (35) snocciola gli acronimi delle nuove tecniche che sono emerse, da STED, Microscopia STORM e PALM all'affascinante microscopio Lattice Light Sheet, che scansiona sistematicamente le cellule livello per livello. Mentre l'ascoltatore si chiede come differiscono questi vari approcci, Jungmann osserva con una risata:"In linea di principio, sono tutti molto simili tra loro." In momenti come questo, ci si rende conto che questa familiarità disinvolta è il prodotto di duro lavoro e duro pensiero, dato che si ha a che fare con metodi che si trovano ai margini della tecnologia attuale. Meno di 2 anni fa, nel 2014, il fisico Stefan Hell a Göttingen ha condiviso il premio Nobel per la chimica con gli americani Eric Betzig e William E. Moerner. Tutti e tre avevano trovato modi per aggirare il limite di diffrazione classico e migliorare il livello di risoluzione della microscopia ottica fino a 10 volte. Da allora, hanno esteso ulteriormente il limite, nella regione dei nanometri.

L'arte di creare modelli

"Il mio obiettivo è aumentare la risoluzione della microscopia a fluorescenza combinandola con strumenti del mondo della nanotecnologia del DNA, come l'origami del DNA, per preparare sonde fluorescenti altamente specifiche, " spiega Jungmann. In questo modo, si può raggiungere un livello di risoluzione che permette di visualizzare le strutture a livello molecolare. 'DNA origami' è un altro termine che continua a comparire nelle nanoscienze. Per analogia con la parola giapponese che prende in prestito, si riferisce all'arte di creare modelli e strutture tridimensionali, non da un foglio di carta ma da un insieme di filamenti di DNA.

Per comprendere sistemi biologici complessi, bisogna essere in grado di esplorare il nanomondo. Però, i microscopi ottici convenzionali non possono penetrare in questo regno, perché la legge della diffrazione ottica limita la risoluzione a strutture con dimensioni di circa 200 nanometri (nm). Ciò preclude la localizzazione subcellulare delle proteine ​​che forniscono i catalizzatori, recettori e impalcature strutturali essenziali per la funzione cellulare, poiché molte proteine ​​sono larghe solo pochi nm. "Voglio sviluppare tecnologie che ci aiutino a risolvere problemi biologici, " dice Jungmann. "Il mio obiettivo è visualizzare alla massima risoluzione possibile centinaia - no, migliaia – dei componenti nelle cellule, se proteine, geni o molecole di RNA. E voglio rendere la tecnica così semplice che un normale laboratorio in qualsiasi parte del mondo possa usarla."

Questi sono obiettivi alti, ma Jungmann ha compiuto notevoli progressi verso la loro realizzazione. Come studente e post-dottorato, ha ricevuto diversi premi e borse di studio, dal German Academic Exchange Service e dalla Fondazione Humboldt. Ha sviluppato un interesse per il nanomondo mentre scriveva la sua tesi di diploma (sugli effetti dello sforzo sulla struttura fine dell'osso umano) presso l'Università della California a Santa Barbara, quando si imbatté in un articolo del ricercatore americano Paul Rothemund. Lo studio ha descritto come i filamenti di DNA con sequenze definite potrebbero essere utilizzati per autoassemblarsi in modelli e figure di dimensioni nanometriche, compresa l'iconica faccina. "L'ho trovato assolutamente affascinante." Jungmann tornò in Germania e si unì al DNA Nanotechnology Laboratory guidato da Friedrich Simmel, Professore di Bioelettronica presso l'Università Tecnica di Monaco di Baviera (TUM). "Siamo stati pionieri della tecnica dell'origami del DNA in Germania, " dice. Jungmann si rese presto conto che gli strumenti del mondo degli origami potevano essere utilizzati per la microscopia. Con la sua esperienza appena acquisita, è tornato negli Stati Uniti per unirsi ad Harvard.

breadboard molecolari

L'origami del DNA fornisce un metodo per costruire nanostrutture che possono fungere da docking station – un po' come i fori in una breadboard elettronica – per molecole come agenti fluorescenti che possono essere visualizzati al microscopio. Jungmann si sta ora concentrando sullo sviluppo di nuovi tag fluorescenti, le cui caratteristiche di emissione possono essere strettamente controllate e differenziate, il tutto al servizio di una maggiore risoluzione ottica. "La decisione di tornare a Monaco e in particolare alla LMU è stata facile, " dice. "Le università e gli Istituti Max Planck (MPI) offrono le condizioni ideali per la ricerca". Il suo CV si legge come un modello di attenta pianificazione, e racconta una storia di successo. È co-fondatore di una società negli Stati Uniti, e detiene una dozzina di brevetti, un record impressionante per un 35enne. "Sembra una navigazione tranquilla in retrospettiva, ma in realtà molto dipendeva da incontri accidentali e decisioni basate sull'istinto." Ma poi, seguendo il proprio istinto nella scelta di laboratori dove imparare qualcosa di nuovo, e riconoscere le tendenze che promettono di diventare "scienza missilistica" o semplicemente di offrire un ambiente stimolante per il lavoro di squadra è di per sé una sorta di piano.

Jungmann attualmente dirige un Emmy Noether Junior Research Group presso la Facoltà di Fisica della LMU, e l'MPI per la biochimica a Martinsried. Ha recentemente vinto una delle sovvenzioni di partenza altamente dotate dell'ERC, e una sovvenzione di un milione di euro dalla Fondazione Max Planck. Una visita al suo laboratorio presso l'MPI suggerisce che questi soldi sono stati ben spesi. Qui si trova il microscopio ottico con la più alta risoluzione – 5 nm – attualmente raggiungibile in qualsiasi parte del mondo. È fondamentalmente un classico microscopio a fluorescenza, ma con modifiche innovative progettate e realizzate dal gruppo Jungmann. Laser, specchi, obiettivi e fotocamere provengono da fonti commerciali, ma i suoi collaboratori sono responsabili della concezione complessiva dello strumento. Questo è uno dei motivi per cui è così importante la collaborazione interdisciplinare in team ben integrati. "Possiamo muoverci più velocemente perché la comunicazione è più semplice e il coordinamento più facile - e facciamo meno errori perché abbiamo esperti per tutti i dettagli, " spiega Jungmann. Fattori come questi aiutano a spiegare come si possono fare progressi così rapidi:le idee vengono scambiate liberamente e possono essere rapidamente valutate e implementate. Jungmann appartiene a una nuova generazione di ricercatori in Germania che hanno imparato a lavorare come membri di reti Queste strutture trasparenti e cooperative hanno sostituito i sistemi gerarchicamente organizzati e introspettivi del passato.

Jungmann ha imparato quanto possa essere produttivo questo approccio quando si è unito al laboratorio guidato da William Shih e Peng Yin presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering presso la Harvard Medical School di Boston. L'Istituto impiega specialisti in tutte le discipline pertinenti, dagli ingegneri meccanici ai biologi e agli informatici. Ed è questo il modello che lui stesso pone ai suoi studenti di dottorato e di master. Per esempio, ha speso 30, 000 euro su una versione più semplice del suo microscopio da record esclusivamente per il loro uso, progettato da uno dei suoi studenti di dottorato. "Scende a 20 nm, " dice. "Non male per un lavoro fai-da-te".

Dopo aver attraversato il mulino di Harvard

Tre dei suoi studenti di dottorato hanno conseguito il Master sotto la sua supervisione quando era ancora ad Harvard. Che estende la loro rete di contatti internazionali, "e aver superato con successo il mulino di Harvard è una raccomandazione in sé, " aggiunge. Questi studenti laureati ora costituiscono il nucleo esperto della sua squadra, qualcosa di cui anche il miglior capogruppo non può fare a meno. Significa anche che le idee per i progetti non mancano mai. Jungmann nutre grandi speranze per i suoi codici a barre del DNA, che può essere mirato a una pletora di proteine ​​​​specifiche e sequenze di RNA, fungendo da indicatori inequivocabili per ciascuno. Questi marcatori sono dotati di coloranti fotocommutabili che, a seconda della loro precisa struttura, lampeggio acceso e spento per periodi più o meno lunghi, e con intensità sintonizzabili. "Il nostro metodo è più semplice di tutte le altre modalità di microscopia a super risoluzione, " afferma Jungmann – e qui sta pensando non solo all'imaging di singole cellule, ma anche a gruppi di cellule nei tessuti. Infatti, è possibile osservare e analizzare centinaia di cellule alla volta utilizzando brevi, filamenti di DNA marcati con coloranti come segnali altamente specifici.

I fondi messi a disposizione dall'Emmy Noether Program e dall'ERC Starting Grant, insieme per un valore di circa 3,5 milioni di euro, fornirgli la possibilità di perseguire il suo sogno per i prossimi anni. Inoltre, LMU ora offre agli ERC Starting Grants cattedre di ruolo (W2) e Jungmann è tra i primi a trarre profitto dal programma. Il 1° agosto è diventato Professore di Imaging Molecolare e Bionanotecnologia. "Questo mi dà un certo grado di sicurezza, anche se non garantisce che in seguito otterrò una cattedra accademica, " dice. Il suo lavoro sarà rivisto tra 5 anni. "E questo è ovviamente un ulteriore incentivo per me, "aggiunge – con un sorriso.