Le sonde fluorescenti rivelano barriere fluide nei pori nucleari delle cellule umane viventi

Tracciare il movimento delle proteine nei nanocanali viventi

I nuclei delle cellule umane proteggono le loro informazioni genetiche dietro una doppia membrana perforata da migliaia di canali microscopici. Il trasporto attraverso questi cancelli è gestito da una rete proteica interna, ma in precedenza gli scienziati non concordavano se quella rete si comportasse come un polimero esteso, un condensato liquido o un gel rigido. Per testare la struttura in cellule umane intatte grazie a una nuova innovazione metodologica, un gruppo di ricerca guidato dall'Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU), dall'Istituto Max Planck di Biofisica (MPI-BP) di Francoforte sul Meno e dall'Università di Wuhan ha fissato minuscole sonde luminescenti direttamente alle proteine dei pori, come riportato da Phys.org.

Tracciando la mobilità di questi coloranti fluorescenti, i ricercatori hanno potuto registrare direttamente lo stato fisico del canale. I coloranti si muovevano rapidamente all'interno delle cellule attive, confermando che il canale interno funziona come un liquido. Il professor Edward Lemke, docente di biofisica sintetica alla JGU, che ha guidato lo studio insieme al professor Gerhard Hummer dell'MPI-BP, ha spiegato che l'elevata velocità dei marcatori ottici dimostrava un ambiente simile a un fluido all'interno del poro vivente.

«Per la prima volta siamo riusciti a misurare le dinamiche proteiche intrinseche all'interno del nanocanale di una cellula vivente e a dimostrare che l'interno di questo canale è simile a un fluido»

— Il professor Edward Lemke, Università Johannes Gutenberg di Magonza

Perché i filtri cellulari evitano di solidificarsi

Il comportamento dinamico osservato nelle cellule viventi contrastava nettamente con i test condotti in provetta. Quando le proteine dei pori isolate sono state studiate in vitro senza fattori cellulari, il materiale si irrigidiva sistematicamente dopo circa due ore in una struttura densa simile a un orsetto gommoso o agli aggregati proteici osservati nelle malattie di Alzheimer e di Parkinson, secondo quanto riportato da Phys.org.

Per evitare quel collasso, le cellule viventi mettono in campo due specifici meccanismi biochimici. Le proteine della barriera devono essere glicosilate, vale a dire modificate con gruppi zuccherini che impediscono alle singole catene di aderire tra loro in modo troppo stretto. Quando sono combinate con recettori di trasporto attivi, le proteine nei modelli di laboratorio hanno riprodotto il movimento rapido e fluido misurato nelle cellule intatte, secondo i ricercatori.

Simulazioni exascale mappano il corridoio di trasporto

Comprendere lo stato fisico del poro ha permesso ai ricercatori dell'MPI-BP di costruire un modello computazionale dettagliato del processo di filtrazione. I calcoli sono stati eseguiti su JUPITER, il primo supercomputer exascale europeo, situato al Centro di ricerca di Jülich, come riportato da Phys.org. Le simulazioni hanno affrontato un classico enigma biologico: perché il flusso molecolare appare più rapido lungo i margini del canale anziché lungo la sua linea centrale.

Sebbene il gruppo di ricerca non abbia annunciato una domanda di brevetto per tutelare la proprietà intellettuale dell'invenzione, il loro sistema di tracciamento ottico offre un quadro riproducibile per studiare le barriere di trasporto cellulare. Chiarire come le proteine disordinate mantengano confini fluidi senza solidificarsi offre ai ricercatori un punto di riferimento per indagare come i virus entrano nei nuclei e perché l'aggregazione difettosa delle proteine si verifica nelle malattie degenerative.

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