Osservare un neurone mentre trasmette un segnale elettrico significa cercare di seguire un evento estremamente piccolo e veloce.
Gli scienziati hanno sviluppato proteine fluorescenti capaci di modificare la propria luminosità quando cambia il voltaggio della membrana cellulare, trasformando così l’attività elettrica in qualcosa che può essere osservato con un microscopio.
Il problema è che questi segnali possono essere troppo deboli o troppo lenti per seguire alcuni dei processi più rapidi che avvengono nel cervello.
Un gruppo di ricercatori della Delft University of Technology e dell’Erasmus MC ha provato allora una strada diversa: invece di modificare ancora una volta geneticamente le proteine, ha posizionato vicino a esse delle minuscole nano-antenne d’oro.
Il risultato è sorprendente.
Le proteine fluorescenti utilizzate negli esperimenti sono diventate fino a sei volte più luminose e hanno risposto più rapidamente alle variazioni elettriche della membrana, mentre le cellule di mammifero sono rimaste vive e funzionanti.
La ricerca apre una nuova possibilità per osservare quello che succede nelle cellule e, in prospettiva, nei punti in cui i neuroni comunicano tra loro.
Cosa sono davvero queste nano-antenne
Il nome può trarre in inganno.
Non si tratta di piccole antenne radio inserite nelle cellule.
Sono nanoparticelle metalliche realizzate in modo da interagire intensamente con la luce. Nel caso dello studio hanno una forma simile a una stella e per questo vengono chiamate gold nanostars, nanostelle d’oro.
Le loro dimensioni e la loro geometria permettono di sfruttare un fenomeno chiamato risonanza plasmonica.
Quando la luce colpisce una nanoparticella metallica opportunamente progettata, gli elettroni presenti sulla sua superficie possono oscillare collettivamente.
Questo crea un campo elettromagnetico estremamente intenso proprio nelle immediate vicinanze della particella.
Se una molecola fluorescente si trova abbastanza vicina, la sua emissione luminosa può essere modificata e amplificata.
Il principio era già conosciuto nella nanofotonica.
La vera difficoltà era riuscire a farlo dentro un sistema biologico vivo, senza danneggiare la cellula e posizionando contemporaneamente la nanoparticella abbastanza vicino alla proteina da ottenere l’effetto desiderato.
Bisognava mettere la nano-antenna esattamente nel posto giusto
Qui si trova una delle parti più delicate dell’esperimento.
La nanoparticella non può semplicemente essere introdotta nella cellula e lasciata libera.
Per funzionare deve trovarsi molto vicino alla proteina fluorescente.
Se è troppo lontana, l’interazione diventa debole.
Se forma, dimensione o distanza non sono corrette, il metallo può perfino ridurre la fluorescenza invece di amplificarla.
I ricercatori hanno quindi progettato nanostelle d’oro capaci di avvicinarsi a proteine localizzate sulla membrana cellulare.
È stata necessaria una combinazione di simulazioni, chimica, nanofotonica e biologia cellulare per trovare una configurazione sufficientemente stabile.
Il risultato è descritto nello studio pubblicato su Advanced Materials
Le cellule sono diventate fino a sei volte più luminose
Le proteine utilizzate appartengono alla famiglia delle Archaerhodopsin, molecole sensibili alla luce che possono essere modificate geneticamente per funzionare come indicatori del voltaggio.
Una delle varianti analizzate nello studio è QuasAr6a.
Quando cambia il potenziale elettrico attraverso la membrana della cellula, cambia anche il comportamento fluorescente della proteina.
Misurando la luce è quindi possibile dedurre cosa sta succedendo elettricamente alla cellula.
Avvicinando le nanostelle d’oro, i ricercatori hanno ottenuto un incremento della fluorescenza che, nelle condizioni migliori, ha raggiunto circa sei volte il segnale originale.
Questo significa una quantità molto maggiore di luce disponibile per effettuare una misurazione.
Ed è importante soprattutto quando si cercano segnali estremamente piccoli.
Non è aumentata soltanto la luminosità
La scoperta ha però riservato una seconda sorpresa.
I ricercatori si aspettavano che le nano-antenne potessero rendere più brillante la fluorescenza.
Hanno osservato anche una modifica della velocità con cui la proteina rispondeva ai cambiamenti di voltaggio.
Le nanostelle non stavano quindi semplicemente funzionando come una sorta di lente di ingrandimento luminosa.
Il campo ottico prodotto dalla nanoparticella sembrava influenzare anche la dinamica del ciclo molecolare della proteina.
Gli autori hanno analizzato il fenomeno attraverso un modello che descrive i differenti stati attraversati dalla proteina durante il suo ciclo fotochimico.
I risultati indicano che l’interazione plasmonica può modificare alcune delle velocità con cui la proteina passa da uno stato all’altro.
In altre parole, una struttura artificiale collocata accanto alla proteina può modificarne il comportamento funzionale senza modificare ulteriormente il suo DNA.
È probabilmente l’aspetto più interessante della ricerca.
Perché vedere più velocemente un neurone è così importante?
Un neurone comunica attraverso variazioni rapidissime del proprio potenziale elettrico.
Questi eventi possono durare pochi millisecondi.
Quando vogliamo osservare contemporaneamente moltissimi neuroni, servono strumenti capaci di rilevare variazioni estremamente rapide e con un segnale sufficientemente forte.
Una delle difficoltà delle tecniche basate sulla fluorescenza è proprio il compromesso tra luminosità, velocità e sensibilità.
Un indicatore può essere molto luminoso ma reagire troppo lentamente.
Oppure può essere velocissimo, ma emettere una quantità di luce difficile da distinguere dal rumore.
Aumentare contemporaneamente intensità e rapidità della risposta potrebbe quindi permettere misurazioni oggi molto difficili.
Su Tech abbiamo già visto quanto la luce sia diventata importante nelle neuroscienze parlando dell’optogenetica utilizzata per controllare l’attività dei neuroni e studiare come il cervello apprende
In quel caso la luce viene utilizzata principalmente per modificare l’attività neuronale.
Qui può diventare invece uno strumento ancora più preciso per osservarla.
L’obiettivo più ambizioso sono le sinapsi
Il punto nel quale questa tecnologia potrebbe diventare particolarmente utile sono le sinapsi.
Le sinapsi sono le minuscole giunzioni attraverso le quali i neuroni comunicano.
È a questa scala che avvengono molti dei processi fondamentali alla base dell’elaborazione delle informazioni, dell’apprendimento e della memoria.
Ma osservare direttamente i segnali elettrici di singole sinapsi è estremamente complicato.
Sono strutture minuscole e gli eventi elettrici che avvengono al loro interno possono essere molto rapidi.
Un indicatore fluorescente più brillante e veloce potrebbe rendere più semplice distinguere questi eventi.
Questo non significa che gli scienziati possano già guardare in tempo reale ogni pensiero mentre si forma.
La ricerca attuale è un esperimento su cellule vive e rappresenta soprattutto una dimostrazione del principio.
Ma il salto tecnologico potrebbe essere importante.
Potremmo vedere come nasce un ricordo?
È una delle possibili applicazioni future, ma siamo ancora lontani.
La formazione dei ricordi coinvolge cambiamenti nella forza e nella struttura delle connessioni tra neuroni.
Osservare simultaneamente l’attività elettrica a livello delle singole sinapsi potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere con maggiore precisione come queste connessioni cambiano durante l’apprendimento.
Su Tech abbiamo raccontato anche come la proteina tau patologica possa propagarsi seguendo le connessioni tra neuroni, mostrando quanto lo studio delle reti e delle sinapsi sia importante anche per comprendere ciò che accade quando il cervello viene colpito da una malattia.
La nuova tecnologia non è però una terapia contro Alzheimer, Parkinson o altre patologie neurologiche.
Potrebbe diventare uno strumento di ricerca con cui studiare meglio i processi cellulari coinvolti.
La distinzione è importante.
Le nano-antenne non sono state impiantate nel cervello umano
Un altro punto da chiarire riguarda il tipo di esperimento.
Lo studio dimostra il funzionamento della tecnica in cellule di mammifero vive.
Non significa che nanostelle d’oro siano già state inserite nel cervello di persone per registrare l’attività neuronale.
Prima di arrivare a eventuali applicazioni di questo tipo dovrebbero essere risolti numerosi problemi, dalla distribuzione controllata delle nanoparticelle alla stabilità a lungo termine, dalla biocompatibilità alla capacità di raggiungere soltanto le cellule desiderate.
Le potenziali applicazioni cliniche sono quindi ancora lontane.
Il risultato attuale riguarda soprattutto la possibilità di costruire nuovi strumenti per la ricerca biologica.
Il metodo potrebbe servire anche fuori dal cervello
Il principio non è necessariamente limitato ai neuroni.
Se una determinata proteina fluorescente può essere posizionata vicino a una nano-antenna, la stessa strategia potrebbe essere adattata per studiare differenti processi cellulari.
I ricercatori citano, per esempio, proteine coinvolte nella segnalazione dell’occhio o molecole progettate per trasportare sostanze all’interno delle cellule.
In prospettiva potrebbero nascere biosensori fluorescenti più sensibili e più rapidi.
L’interesse è quindi molto più ampio della sola neuroscienza.
Nanotecnologia e biologia stanno iniziando a fondersi
Tradizionalmente, per migliorare una proteina utilizzata come sensore biologico gli scienziati cercano nuove mutazioni genetiche.
Si modifica la sequenza della proteina, si testa il risultato e si selezionano le varianti migliori.
Questo studio suggerisce una seconda strada.
Potremmo migliorare una funzione biologica anche intervenendo sull’ambiente fisico immediatamente attorno alla proteina.
Una nano-antenna può modificare il campo elettromagnetico locale e, attraverso questa interazione, influenzare il comportamento della molecola.
È un concetto che avvicina nanofotonica, ingegneria genetica e biologia cellulare.
Ed è proprio qui che la ricerca diventa più interessante della semplice immagine di una cellula che “brilla di più”.
Gli scienziati non hanno soltanto aumentato la quantità di luce prodotta da una proteina.
Hanno mostrato che una struttura artificiale grande pochi nanometri può cambiare il modo in cui una proteina viva risponde a un segnale elettrico.
Se il metodo riuscirà a essere esteso alle sinapsi e a sistemi biologici più complessi, potremmo ottenere una finestra molto più precisa su alcuni degli eventi più piccoli e veloci che avvengono nel cervello.
