Immagine: una tecnica di microscopia a super risoluzione denominata STORM rivela la mesh reticolare bidimensionale della proteina che sta alla base della membrana dei globuli rossi ed è fondamentale per la sua flessibilità.Credit:Ke Xu, UC Berkeley.
Un nuovo studio spiega la straordinaria flessibilità dei globuli rossi.
Uno degli strumenti di imaging più potenti di oggi, la microscopia a super risoluzione, produce immagini scintillanti di ciò che fino ad oggi è stato l’interno sfocato delle cellule, descrivendo non solo gli organi interni e lo scheletro della cellula, ma fornendo anche la visione della incredibile flessibilità delle cellule.
Nell’attuale numero della rivista Cell Reports, Ke Xu e suoi colleghi dell’UC Berkeley hanno usato questa tecnica per fornire una visione nitida della mesh geodetica (una copertura costituita da una serie di triangoli equilateri tutti aventi la stessa dimensione) che supporta la membrana esterna di un globulo rosso, rivelando il motivo per cui tali cellule sono robuste ma sufficientemente flessibili da spremersi attraverso i capillari stretti mentre trasportano l’ossigeno ai nostri tessuti.
La scoperta potrebbe aiutare a scoprire come il parassita della malaria dirotta questa rete, chiamata citoscheletro della sub-membrana, quando invade e alla fine distrugge i globuli rossi.
“La gente sa che il parassita interagisce con il citoscheletro, ma come funziona non è chiaro perché non c’è stato un buon modo di osservare la struttura”, ha detto Xu, un assistente Professore di chimica. “Ora che abbiamo risolto ciò che sta realmente accadendo in una normale cellula sana, possiamo individuare i cambiamenti che si verificano in seguito all’infezione da parassiti e in che modo i farmaci influenzano l’interazione”.
( Vedi anche:I globuli rossi hanno bisogno di ossido nitrico per fornire ossigeno ai tessuti).
Le tipiche cellule umane hanno uno scheletro bidimensionale che supporta la membrana esterna e uno scheletro interno tridimensionale che supporta tutti gli organelli all’interno e funge da sistema di trasporto in tutta la cellula.
I globuli rossi, tuttavia, hanno solo i supporti di membrana e nessun ponteggio interno, quindi sono fondamentalmente un palloncino pieno di molecole di emoglobina che trasporta ossigeno. A causa della loro struttura più semplice, i globuli rossi sono ideali per studiare lo scheletro che supporta la membrana in tutte le cellule.
Le immagini del microscopio elettronico in precedenza hanno dimostrato che il citoscheletro della sub-membrana nei globuli rossi è una maglia triangolare di proteine, che ricorda una cupola geodetica. Ma le misure delle dimensioni delle subunità triangolari sono state prese appiattendo la membrana a cupola di una cellula morta e secca, che distorce tuttavia la struttura.
Xu era un postdottorando nel laboratorio dell’Università di Harvard di uno degli inventori della microscopia a super risoluzione, Xiaowei Zhuang ed è un esperto della versione chiamata STORM (microscopia stocastica per ricostruzione ottica). La microscopia a risoluzione super fornisce una risoluzione 10 volte migliore rispetto alla microscopia ottica standard e funziona bene con le cellule vive e umide.
Usando STORM, Xu, ex della Berkeley Leiting Pan e lo studente laureato Rui Yan sono stati in grado di visualizzare l’intero citoscheletro sub-membrana di nuovi globuli rossi e hanno scoperto che i triangoli della rete sono circa la metà di quelli trovati in precedenti misurazioni fatte con microscopia elettronica: ogni lato è lungo 80 nanometri, invece di 190 nanometri.
La distinzione è fondamentale: i blocchi costitutivi della rete sono composti da una proteina chiamata spettrina che può essere allungata fino a un massimo di circa 190 nanometri di lunghezza. Se la maglia della rete fosse fatta di spettrina allungata, sarebbe rigida, ma poiché la sua lunghezza normale è di 80 nanometri in fase di rilassamento, si comporta come una molla. “È più simile a una molla nel suo stato rilassato, dove ha molta flessibilità sotto compressione o stretching, in modo da dare ai globuli rossi molta elasticità in diverse condizioni fisiologiche, come la spremitura attraverso un capillare stretto”, ha detto Yan.
Ai vertici della mesh, dove si riuniscono da cinque a sei proteine, c’è una diversa proteina: l’actina che è una parte standard del citoscheletro della sub-membrana e uno dei principali componenti strutturali della cellula.
È interessante notare che STORM ha rivelato fori mai visti prima nella rete del citoscheletro che possono anche essere fondamentali per la sua flessibilità.
“Questi fori sembrerebbero un difetto della rete, ma potrebbe esserci un motivo della loro esistenza”, ha detto Xu che è anche un ricercatore del Chan Zuckerberg Biohub. “La cellula potrebbe dover cambiare rapidamente struttura mentre attraversa i capillari e avere questi fori è utile per riorganizzare la sua forma senza rompere la rete. Possono fungere da punto debole mentre i globuli rossi cercano di spremersi per viaggiare attraverso i capillari e possono iniziare a piegarsi proprio intorno a quei fori”.
Xu ha effettivamente scoperto il ruolo strutturale chiave della spettrina. Mentre era ancora ad Harvard, ha usato la STORM per osservare la struttura scheletrica dei neuroni e ha scoperto che le proteine dell’actina formano anelli distanziati con precisione lungo l’intera lunghezza dell’assone, proprio come le costole di un serpente. Questi anelli sono separati esattamente da 190 nanometri e quando ha esaminato i libri di testo per le proteine con quella lunghezza, si è imbattuto nella spettrina. Successivamente ha usato STORM per confermare che nel suo stato allungato, le proteine chiamate spettrina sono gli spaziatori tra gli anelli, mantenendoli separati con precisione.
“Lo scheletro ad anelli rende l’assone una struttura molto stabile ma pieghevole”, ha detto Xu, “mentre la spaziatura regolare può essere la chiave per la sua conduttività elettrica”.
La microscopia a super risoluzione impiega un trucco per superare il limite di diffrazione della microscopia ottica che impedisce ai microscopi ottici convenzionali di risolvere cose inferiori alla metà della dimensione della lunghezza d’onda della luce, che per la luce visibile è di circa 300 nanometri.
STORM comporta l’associazione di una sorgente di luce lampeggiante a singole molecole e quindi l’isolamento di ciascuna posizione della luce indipendentemente dalle altre, creando un’immagine completa simile a quella degli artisti del 1880 che hanno sviluppato il puntinismo, producendo cioè immagini da singoli punti di vernice.
” La migliore risoluzione di oggi è di circa 10 nanometri”, ha detto Xu, “che è circa la dimensione di una singola proteina o molecola”.
Fonte: EurekAlert
