Nuove osservazioni in neuroscienze con la microscopia a super risoluzione

 

 

ROBERTO COLONNA

 

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XV – 01 dicembre 2018.

Testi pubblicati sul sito www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind & Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di studio dei soci componenti lo staff dei recensori della Commissione Scientifica della Società.

 

 

[Tipologia del testo: RECENSIONE]

 

Consacrata dal Premio Nobel per la Chimica del 2014 a Stefan Hell, William Moerner ed Eric Betzig, la microscopia a super risoluzione ha rivoluzionato l’osservazione cellulare e molecolare, assurgendo a metodica simbolo del ventunesimo secolo. Le nuove tecniche consentono di andare oltre i convenzionali limiti ottici, e numerose nuove osservazioni condotte con questi straordinari strumenti di analisi morfologica già annunciano uno straordinario impatto sulle neuroscienze di base per i prossimi anni.

Fra le nuove tecniche di super risoluzione, si impiegano attualmente la SIM (structured illumination microscopy), la STED (stimulated emission depletion microscopy), la PALM (photoactivated localization microscopy) e la STORM (stochastic optical reconstruction microscopy). Igarasci e colleghi di vari istituti internazionali hanno fatto il punto su queste nuove tecnologie e sulle scoperte dovute alla super risoluzione, in particolare nello studio del sistema nervoso.

(Igarashi M., et al., New observations in neuroscience using superresolution microscopy. Journal of the Neuroscience 38 (44): 9459-9467, 2018).

La provenienza degli autori è la seguente: Department of Neurochemistry and Molecular Cell Biology, Niigata University Graduate School of Medicine, Niigata (Giappone); National Institute of Neurological Disorders and Stroke, Bethesda, Maryland (USA); Department of Nanophysics, Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia, Genova (Italia); Department of Molecular and Developmental Neurobiology, Hungarian Academy of Sciences, Budapest (Ungheria); Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing (Cina); Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, Massachusetts (USA).

Il potere di risoluzione in microscopia ottica, ossia la massima capacità di rilevare la separazione fra due punti del preparato focalizzati dalla lente, fu definito da Ernst Abbe nel 1873 con l’enunciazione della sua celebre legge: il potere di risoluzione, espresso come distinzione tra due punti, è pari a circa la metà della lunghezza d’onda della luce. Tale limite non consente di visualizzare strutture molecolari di diametro inferiore a 200 nm. Per superare la legge di Abbe, Hell ha ideato la microscopia STED in cui due raggi di luce illuminano il campione: il primo eccita tutte le molecole fluorescenti nel campo, il secondo è molto più potente e le “spegne” ovunque tranne in un piccolo anello centrale. Più piccolo è il volume che è lasciato “acceso” in ogni campo illuminato, maggiore sarà la risoluzione finale dell’immagine, che si compone spostandosi man mano lungo il campione.

Moerner e Betzig hanno invece contribuito indipendentemente alla microscopia della singola molecola, sempre lavorando sulla proprietà della fluorescenza. Moerner ha studiato la GFP (green fluorescent protein), la cui scoperta è valsa il Nobel per la Chimica del 2008, ed ha scoperto che alcune varianti di questo polipeptide possono esse accese o spente con luce di un’appropriata lunghezza d’onda (photo-switchable). Basandosi su questa proprietà, Betzig ha esplorato la possibilità che la distinzione fra due molecole si possa ottenere per “accensione”, modulando la potenza della luce. Eseguendo questa operazione su poche molecole per volta e ripetendola numerose volte si hanno le informazioni necessarie alla costruzione dell’immagine del campione. Tale procedura è stata denominata PALM (photoactivated localization microscopy), poi seguita da altre versioni tecniche, quali la STORM o la PAINT.

Microscopi e nanoscopi a super risoluzione superano il limite di diffrazione della luce e permettono lo studio di strutture subcellulari a risoluzioni non visibili con i microscopi confocali standard. Con la STED, che consente risoluzioni fino a 30 nm, e la subcellulare dinamica un campione può realmente essere studiato in scala nanometrica.

Igarashi e colleghi riferiscono del loro “Minisimposio” in cui esperti dei vari tipi di microscopia a super risoluzione sono convenuti per illustrare e discutere i nuovi dati che è stato possibile acquisire e le informazioni che sono state dedotte esaminando, con la microscopia a super risoluzione, molecole specifiche e rilevanti per le neuroscienze.

Ad esempio, grazie al potere di risoluzione di queste nuove tecniche, gli autori dello studio qui recensito sono riusciti a scoprire nuovi meccanismi di endocitosi nella crescita neurale e nella dinamica del poro di fusione. La tecnologia di super risoluzione ha poi consentito a Igarashi e colleghi di descrivere nuove proprietà quantitative di sinapsi eccitatorie e inibitorie.

Nell’incontro sono state poi presentate altre due nuove metodiche di osservazione, che possono essere adoperate sia singolarmente che in combinazione con la super risoluzione. Le potenzialità di questi nuovi strumenti di analisi morfologica sembrano essere straordinarie e, con ogni probabilità, il loro impiego si diffonderà presto, fornendo un importante strumento per la scoperta di strutture e la comprensione di configurazioni molecolari fino ad oggi ritenute submicroscopiche.

 

L’autore della nota ringrazia la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).

 

Roberto Colonna

BM&L-01 dicembre 2018

www.brainmindlife.org

 

 

 

 

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