Fluorescenza e nuovi metodi per la biofisica molecolare

Fluorescenza e nuovi metodi per la biofisica molecolare

I ricercatori del Center for Nanotechnology Innovation (CNI) di IIT a Pisa hanno elaborato nuovi metodi di studio delle immagini ottenuti da microscopia a fluorescenza, dando alla comunità dei biofisici molecolari un nuovo strumento di indagine.

Innovazione.

Cardarelli cellula fluorescenza

I risultati dei ricercatori del CNI  sono stati commentati in un editoriale su Biophysical Journal da Katharina Gaus, ricercatrice all’European Molecular Biology Lab (EMBL) in Australia, come una delle ricerche in grado di portare “a un cambio di prospettiva che potrebbe condurre a scoperte sorprendenti”. Il cambio di prospettiva non è solo simbolico, ma reale, e riguarda i metodi di analisi delle immagini che Carmine Di Rienzo e Francesco Cardarelli del CNI di Pisa, in stretta collaborazione con i colleghi della Scuola Normale Superiore e del Laboratory for Fluorescence Dynamics dell’Università della California a Irvine, hanno messo a punto e presentato in due lavori:  “Diffusion Tensor Analysis by Two-Dimensional Pair Correlation of Fluorescence Fluctuations in Cells” e “Spatiotemporal Fluctuation Analysis: A Powerful Tool for the Future Nanoscopy of Molecular Processes (Biophysical Journal; 23 August 2016).

La microscopia a fluorescenza tradizionale si basa sullo studio del comportamento delle molecole fluorescenti (usate come marcatori) all’interno delle cellule, che emettono tracce di luce dal campione biologico a cui sono state ancorate, sia esso la membrana cellulare, proteine, o strutture interne del nucleo. La fluorescenza, cioè, permette di registrare in immagini l’esistenza di strutture altrimenti non visibili. E’ lo studio di queste immagini che rende comprensibile il comportamento del campione biologico nello spazio e nel tempo, e la sua funzione. Cardarelli e Di Rienzo hanno esteso gli strumenti (matematici e sperimentali) di analisi e interpretazione di queste immagini, trasformando semplici sequenze di immagini in mappe che ci rivelano quanto le molecole si muovono, come esplorano lo spazio che le circonda, e come da questo sono influenzate -  è come se si potesse guardare il mondo dal punto di vista della molecola fluorescente in studio. I ricercatori sono partiti dell’analisi delle fluttuazioni spontanee (nello spazio e nel tempo) del segnale di fluorescenza che proviene dalle molecole, un parametro abitualmente registarto in ogni esperimento, ma spesso sottovalutato. Queste fluttuazioni contengono traccia di come le molecole si muovono, del dove vanno, del con cosa interagiscono, in altre parole contengono traccia della loro funzione. I nuovi strumenti matematici permettono di passare da un’immagine statica del campione biologico a una mappa dinamica, da cui è possibile prevedere il comportamento delle molecole all’interno della cellula.

Gli autori, inoltre, riflettono sulla risoluzione spaziale alla quale ci si può spingere con i metodi proposti. Un limite invalicabile, fino ad oggi, era dettato dall’utilizzo della luce come strumento di indagine (limite della diffrazione). Gli autori ci dimostrano che possiamo ricostruire la dinamica dei processi molecolari ben al di sotto di tale limite, fin giù alla nanoscala, la scala delle molecole, ottenendo cioè una "super risoluzione", ma senza la necessità di un microscopio a super-risoluzione.

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