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
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