Prima o poi, molti di noi hanno giocato con un libro sfogliabile, usando i pollici per sfogliare rapidamente una serie di immagini per creare un’illusione di movimento.
Gli scienziati utilizzano una tecnica simile per studiare i processi molecolari ultraveloci all’interno delle cellule. Mettendo insieme immagini ad alta risoluzione di molecole in diversi momenti, i ricercatori possono creare un flipbook molecolare per vedere il loro movimento, una parte fondamentale per comprendere come funzionano le cellule.
Nel corso degli anni, sempre più pagine di questi libri sfogliabili sono state compilate per diverse molecole, ma mancano ancora molte pagine, fornendo una visione incompleta di come le molecole si muovono all’interno delle cellule.
Ora, una nuova tecnica sviluppata presso il Janelia Research Campus dell’HHMI sta consentendo agli scienziati di riempire queste pagine mancanti e rivelare il movimento delle molecole all’interno delle cellule come mai prima d’ora. Un team guidato dal Lippincott-Schwartz Lab di Janelia ha utilizzato la tecnica, chiamata corrispondenza del modello ad alta risoluzione, o HRTM, per scoprire con dettagli senza precedenti il movimento dei ribosomi, le strutture molecolari che sintetizzano le proteine all’interno delle cellule.
I ribosomi subiscono cambiamenti nello stato conformazionale, assumendo pose diverse e ben orchestrate che consentono ai filamenti di RNA di essere alimentati attraverso le due subunità della struttura dove le istruzioni trasportate dall’RNA vengono lette e tradotte in proteine - un processo chiamato allungamento.
Utilizzando HRTM, i ricercatori sono stati in grado di rilevare ribosomi in 41 diversi stati conformazionali che coprono l’intero ciclo di allungamento. Combinando queste sequenze in un flipbook, i ricercatori hanno creato un film in 3D che ha permesso loro di vedere il ribosoma muoversi attraverso il processo di allungamento, rivelando movimenti mai visti prima che forniscono indizi su come avviene l’allungamento.
“Quello che stiamo vedendo è il movimento del ribosoma e dei suoi partner leganti con un dettaglio quasi atomico”, afferma Jennifer Lippincott-Schwartz, leader del gruppo senior di Janelia, capo dell’area di ricerca di fisiologia cellulare 4D di Janelia e autrice senior della nuova ricerca.
Ottenere un quadro completo
HRTM è stato sviluppato nel 2017 dal ricercatore Janelia Peter Rickgauer, dall’ex Janelia Senior Fellow Winfried Denk e dall’ex Janelia Group Leader e attuale investigatore HHMI Nikolaus Grigorieff.
Sebbene le attuali tecniche di imaging abbiano consentito ai ricercatori di ottenere immagini 3D delle molecole, questi metodi hanno catturato molecole all’esterno delle cellule o non sono stati in grado di rilevare caratteristiche molecolari molto piccole. Per ricostruire i diversi stati conformazionali dei ribosomi, i ricercatori hanno dovuto fare la media di molte immagini, che avrebbero mancato le configurazioni più veloci e più rare. Di conseguenza, questi metodi hanno permesso ai ricercatori di vedere solo una manciata di stati conformazionali dei ribosomi, anche se sapevano che ce n’erano di più.
“Non sei riuscito ad avere un quadro completo”, dice Rickgauer, che ha anche condotto la nuova ricerca. “È come se avessi ogni decima pagina del flipbook.”
Come questi altri metodi, HRTM utilizza immagini al microscopio elettronico di cellule congelate intatte. Ma invece di cercare di catturare immagini 3D delle molecole all’interno di queste cellule, l’HRTM rileva le caratteristiche molecolari nelle immagini 2D di diverse regioni della cellula.
Per trovare le molecole di interesse in ciascuna immagine, i ricercatori creano bersagli simulati di ciò che stanno cercando, sulla base di informazioni note sulla struttura 3D della molecola. Quindi utilizzano un computer per cercare questi obiettivi nelle immagini 2D, in qualsiasi posizione o con qualsiasi orientamento.
Quando viene trovata una corrispondenza, vengono registrati la struttura, la sua posizione e il suo orientamento. I ricercatori iniziano quindi a mettere insieme queste corrispondenze. Nella nuova ricerca, queste corrispondenze sono state utilizzate per costruire ribosomi in diverse configurazioni. Alla fine, i ricercatori hanno combinato queste immagini per creare un film 3D senza soluzione di continuità del ribosoma che si muove attraverso tutte le diverse conformazioni nel ciclo di allungamento.
Il filmato del ciclo di allungamento ha permesso ai ricercatori di tracciare i movimenti del ribosoma e dei suoi ligandi legati. Sono stati in grado di osservare il movimento di flessione regolare delle proteine del ponte inter-subunità e le transizioni a molla del tRNA tra i siti di legame dei ribosomi, che non erano stati precedentemente osservati nelle cellule e potrebbero rivelare indizi sui meccanismi molecolari dietro l’allungamento.
Oltre ad aiutare i ricercatori a comprendere meglio come funzionano i ribosomi, la nuova ricerca fornisce anche un primo test sull’utilizzo dell’HRTM per rilevare il movimento molecolare all’interno delle cellule. La tecnica potrebbe essere utilizzata per tracciare altri tipi di movimenti molecolari e per studiare interazioni come il legame di bersagli farmaceutici in un ambiente cellulare.
“Penso che questo sia davvero entusiasmante perché fornisce una tabella di marcia per studiare la dinamica strutturale di una varietà di complessi molecolari nelle cellule”, afferma Lippincott-Schwartz.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com