Microscopia dei grassi: imaging dei lipidi nelle cellule
"Sapevamo di essere sulla buona strada"
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Le molecole lipidiche, o grassi, sono fondamentali per tutte le forme di vita. Le cellule hanno bisogno di lipidi per costruire le membrane, separare e organizzare le reazioni biochimiche, immagazzinare energia e trasmettere informazioni. Ogni cellula può creare migliaia di lipidi diversi e, quando non sono in equilibrio, possono insorgere malattie metaboliche e neurodegenerative. Non è ancora ben chiaro come le cellule smistino i diversi tipi di lipidi tra gli organelli cellulari per mantenere la composizione di ciascuna membrana. Uno dei motivi principali è che i lipidi sono difficili da studiare, poiché finora sono mancate le tecniche di microscopia per tracciare con precisione la loro posizione all'interno delle cellule.
In una collaborazione di lunga data, André Nadler, biologo chimico presso l'Istituto Max Planck di Biologia Molecolare Cellulare e Genetica (MPI-CBG) di Dresda, Germania, ha collaborato con Alf Honigmann, specialista in bioimmagini presso il Centro di Biotecnologia (BIOTEC) dell'Università di Tecnologia TUD di Dresda, per sviluppare un metodo che consente di visualizzare i lipidi nelle cellule utilizzando la microscopia a fluorescenza standard. Dopo il successo della prima prova di concetto, il duo ha coinvolto l'esperto di spettrometria di massa Andrej Shevchenko (MPI-CBG), Björn Drobot dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e il gruppo di Martin Hof dell'Istituto di Chimica Fisica J. Heyrovsky di Praga per studiare come i lipidi vengono trasportati tra gli organelli cellulari.
Lipidi artificiali sotto il sole
"Abbiamo iniziato il nostro progetto sintetizzando una serie di lipidi minimamente modificati che rappresentano i principali lipidi presenti nelle membrane degli organelli. Questi lipidi modificati sono essenzialmente identici alle loro controparti native, con solo alcuni atomi diversi che ci hanno permesso di tracciarli al microscopio", spiega Kristin Böhlig, dottoranda del gruppo Nadler e chimica incaricata di creare i lipidi modificati.
I lipidi modificati imitano i lipidi naturali e sono "bifunzionali", il che significa che possono essere attivati dalla luce UV, inducendo il lipide a legarsi o a reticolare con le proteine vicine. I lipidi modificati sono stati caricati nella membrana di cellule viventi e, nel tempo, trasportati nelle membrane degli organelli. I ricercatori hanno lavorato con cellule umane in coltura, come quelle ossee o intestinali, in quanto ideali per l'imaging.
"Dopo il trattamento con la luce UV, siamo stati in grado di monitorare i lipidi con la microscopia a fluorescenza e di catturare la loro posizione nel tempo. Questo ci ha fornito un quadro completo dello scambio di lipidi tra la membrana cellulare e le membrane degli organelli", conclude Kristin.
Per comprendere i dati della microscopia, il team aveva bisogno di una pipeline di analisi delle immagini personalizzata. "Per rispondere alle nostre esigenze specifiche, ho sviluppato una pipeline di analisi delle immagini con segmentazione automatica delle immagini assistita dall'intelligenza artificiale per quantificare il flusso di lipidi attraverso il sistema di organelli cellulari", afferma Juan Iglesias-Artola, che si è occupato dell'analisi delle immagini.
Trasporto rapido dei lipidi da parte delle proteine
Combinando l'analisi delle immagini con la modellazione matematica, eseguita da Björn Drobot presso l'HZDR, il team di ricerca ha scoperto che tra l'85% e il 95% del trasporto di lipidi tra le membrane degli organelli cellulari è organizzato da proteine trasportatrici che spostano i lipidi, piuttosto che da vescicole. Questo trasporto non vescicolare è molto più specifico per quanto riguarda le singole specie di lipidi e il loro smistamento ai diversi organelli della cellula. I ricercatori hanno anche scoperto che il trasporto dei lipidi da parte delle proteine è dieci volte più veloce rispetto alle vescicole. Questi risultati implicano che le composizioni lipidiche delle membrane degli organelli sono mantenute principalmente attraverso un trasporto lipidico rapido, specie-specifico e non vescicolare.
In una serie di esperimenti paralleli, il gruppo di Andrej Shevchenko del MPI-CBG ha utilizzato la spettrometria di massa ad altissima risoluzione per vedere come i diversi lipidi cambiano la loro struttura durante il trasporto dalla membrana cellulare alla membrana dell'organello.
Una spinta per i lipidi nella biologia cellulare e nelle malattie
Questo nuovo approccio fornisce la prima mappa quantitativa del modo in cui i lipidi si spostano attraverso la cellula verso i diversi organelli. I risultati suggeriscono che il trasporto lipidico non-vescicolare ha un ruolo chiave nel mantenimento della composizione della membrana di ciascun organello.
Alf Honigmann, leader del gruppo di ricerca presso il BIOTEC, afferma: "La nostra tecnica di imaging dei lipidi consente di analizzare meccanicamente il trasporto e la funzione dei lipidi direttamente nelle cellule, cosa finora impossibile. Pensiamo che il nostro lavoro apra le porte a una nuova era di studio del ruolo dei lipidi all'interno della cellula".
L'imaging dei lipidi consentirà ulteriori scoperte e aiuterà a rivelare i meccanismi alla base delle malattie causate da squilibri lipidici. La nuova tecnica potrebbe aiutare a sviluppare nuovi bersagli farmacologici e approcci terapeutici per le malattie associate ai lipidi, come la malattia del fegato grasso non alcolica.
"Sapevamo di essere sulla buona strada".
André Nadler, leader del gruppo di ricerca presso l'MPI-CBG, ripensa all'inizio dello studio: "L'imaging dei lipidi nelle cellule è sempre stato uno degli aspetti più impegnativi della microscopia. Il nostro progetto non era diverso. Alf Honigmann e io abbiamo iniziato a discutere di come risolvere il problema dell'imaging dei lipidi non appena siamo stati assunti in stretta successione al MPI-CBG nel 2014/15 e abbiamo subito deciso di farlo. Ci sono voluti comunque quasi cinque anni dall'inizio del progetto al momento in cui, nell'autunno del 2019, abbiamo finalmente prodotto un campione con una bella macchia della membrana plasmatica. In quel momento abbiamo capito che eravamo su qualcosa di grande. Come ricompensa, alcuni eventi globali ben noti ci hanno imposto di chiudere i nostri laboratori pochi mesi dopo. Alla fine, il ritardo è stato il migliore. Prima della rivoluzione nell'uso dell'intelligenza artificiale nella segmentazione delle immagini, non saremmo stati in grado di quantificare correttamente i dati di imaging, quindi le nostre conclusioni sarebbero state molto più limitate".
I ricercatori devono ancora determinare quali proteine di trasferimento dei lipidi guidano il trasporto selettivo delle diverse specie lipidiche. Devono inoltre identificare le fonti di energia che alimentano il trasporto dei lipidi e garantire che ogni organello mantenga la propria composizione di membrana.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Juan M. Iglesias-Artola, Kristin Böhlig, Kai Schuhmann, Katelyn C. Cook, H. Mathilda Lennartz, Milena Schuhmacher, Pavel Barahtjan, Cristina Jiménez López, Radek Šachl, Vannuruswamy Garikapati, Karina Pombo-Garcia, Annett Lohmann, Petra Riegerová, Martin Hof, Björn Drobot, Andrej Shevchenko, Alf Honigmann, André Nadler; "Quantitative imaging of lipid transport in mammalian cells"; Nature, 2025-8-20
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