Misurazioni della massa e del ciclo cellulare di singole cellule figlie di S. cerevisiae in erba. a, b Singole cellule di lievito che esprimono le proteine marcatori del ciclo cellulare marcate in modo fluorescente (Myo1-mKate2 (3 ×) e Whi5-mKOκ (1 ×)), sono state riprese mediante contrasto di interferenza differenziale (DIC) e microscopia a fluorescenza ogni 2 minuti (pannelli superiori ). Una curva di fase e ampiezza del microcantilever è stata registrata su intervalli ≈50 s per misurare la massa cellulare utilizzando la modalità di scansione (filmato supplementare 4). Tra misurazioni di massa consecutive, i laser a infrarossi e blu del picobalance sono stati spenti per ≈ 20 s per ridurre lo sbiancamento dei fluorofori e per ridurre il potenziale disturbo della crescita del lievito. I valori di massa cellulare derivati da insiemi di curve di ampiezza singola vengono visualizzati come punti grigi. I dati grezzi medi (finestra mobile di 350 secondi, linea rossa) mostrano la tendenza. Le barre ciano sull'asse del tempo indicano la fase S/G2/M del ciclo cellulare del lievito e le barre magenta indicano la fase G1. La stella (*) in b indica il (parziale) distacco della cellula figlia dopo la citochinesi, che fa cadere la massa totale. Barre di scala (bianche), 10 µm. c Curve di crescita di (n =19) singole cellule di lievito che progrediscono attraverso la fase S/G2/M (crescita delle gemme) misurata dal picobalance utilizzando la modalità sweep in (n =19) esperimenti indipendenti. I tassi di crescita complessivi tra massa iniziale e finale variano tra 0,1 e 2,0 pg min –1 , con una media di 0,7 ± 0,5 pg min –1 (media ± DS). La durata della fase S/G2/M varia da 57 a 184 min, con una media di 96 ± 35 min. Credito:Comunicazioni sulla natura (2022). DOI:10.1038/s41467-022-30781-y
Le cellule, le unità più elementari della vita che formano tutti gli organismi viventi, hanno a lungo custodito i loro segreti, ma ora un team internazionale dell'Università di Sydney, dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Basilea ha scoperto alcuni dei loro segreti attraverso lo sviluppo di un mondo -prima tecnica.
Gli scienziati sanno che le cellule crescono, ma si pensava comunemente che crescessero in modo lineare o esponenziale prima di dividersi.
Ora, in un articolo pubblicato su Nature Communications co-guidati dal fisico dell'Università di Sydney, il dottor David Martinez-Martin, utilizzando una tecnica nanotecnologica chiamata "picobilanciamento inerziale", gli scienziati hanno identificato che a livello di singola cellula, il lievito cresce in intervalli sequenziali o segmenti di crescita lineare (tasso di crescita costante) . Ad ogni intervallo, le cellule di lievito passano a una crescita più rapida o più lenta, una tendenza "simile a un ingranaggio".
La ricerca è stata condotta con il saccharomyces cerevisiae, un organismo unicellulare di lievito fondamentale nella produzione di pane, birra, vino e prodotti farmaceutici. I geni codificanti per le proteine di molti tipi di lievito rispecchiano i geni nelle cellule animali, rendendone il comportamento la chiave per comprendere le malattie umane.
Notably, the behavior found in yeast differs significantly from that of animal cells (including human). It was not until 2017 that Dr. Martinez-Martin and colleagues, also using picobalance, first observed that the mass of living mammalian cells fluctuate intrinsically—they "yo-yo" in size.
"We have uncovered processes that challenge models in biology that have been central for decades," said Dr. Martinez-Martin. "The behaviors we have identified in cells from fungus and animal kingdoms provide strong evidence that cells have different strategies to regulate their mass and size, paving the way to better understand how they can accurately form and reform complex structures such as the eyes, brain and fingers in our bodies."
A recent mathematical model published in Journal of Biological Research—Thessaloniki by Dr. Martinez-Martin also offers fresh insight into the meaning of this once-secretive cellular flux.
"Another of our recent studies has found that while cell mass fluctuations have been detected in single mammalian cells, they can be perfectly viable in organisms comprised of many mammalian cells, including humans. Our modeling suggests that the body's cells don't all swell and decrease at the same time—instead they give and take from each other, maintaining an adequate distribution of the body's mass and volume.
"Mass fluctuations may be used by cells to regulate cellular functions such as metabolism, gene expression, proliferation and cell death, by means of altering the concentration and crowdedness of chemical cellular components."
The model also suggests that mass fluctuations allow cells to communicate, both by acting as biomechanical signals through volume fluctuations, and through the exchange of water and molecules.
"I believe this could be a fundamental mechanism which may help cells locate and communicate their position within an organism," Dr. Martinez-Martin said. "Therefore, it could be incredibly important, because it could allow cells to identify and serve their distinct role and purpose in the body."
"Researchers believe that a better understanding of how cells change their mass and size over time, as well as dysregulation of this process (when cells change their size atypically), could be the key to developing the next generation of diagnostics and treatments for a range of diseases, such as cancer, diabetes and cardiovascular disease."
About inertial picobalance:The technique used in the discovery
Dr. Martinez-Martin, who has been recently distinguished by the World Intellectual Property Organization as a young change maker, is the principal inventor of inertial picobalance, a new technology that measures the mass of single or multiple living cells in real-time, enhancing the understanding of cell physiology. The technology is currently being commercialized by the Swiss nanotech company, Nanosurf AG.
In a Nature paper published in 2017, using inertial picoblance, Dr. Martinez-Martin and his colleagues discovered that the mass of living mammalian cells fluctuates intrinsically by one to four percent over seconds, largely due to water entering and exiting cells.
Using this technique, they were also able to observe cells infected with the vaccinia virus (a virus from the poxvirus family). The infected cells showed different mass behavior over time than non-infected cells, potentially enabling a new way of detecting viral infections. + Esplora ulteriormente
