Manipolare il comportamento delle cellule


Manipolare il comportamento delle cellule

Cristalli proteici ricchi di ferro potrebbero in futuro essere utilizzati dagli scienziati per manipolare il comportamento delle cellule.

La magnetogenetica è un nuovo campo che sfrutta proteine geneticamente codificate e gruppi di proteine sensibili ai campi magnetici per studiare e manipolare il comportamento cellulare. Studi teorici mostrano che molte proteine magnetogenetiche proposte non contengono abbastanza ferro per generare forze magnetiche sostanziali.

Controllare le persone con i magneti suona un po' inverosimile, ma gli scienziati ora hanno fatto qualcosa di simile. Hanno ingegnerizzato le cellule per creare lunghi cristalli aghiformi ricchi di ferro. I ricercatori possono quindi utilizzare i magneti per controllare le cellule contenenti questi cristalli.

Le registrazioni video mostrano questi cristalli ricchi di ferro che si muovono verso un potente magnete. I cristalli trascinano con sé l'intera cellula.

«È quasi alieno», dice la dottoressa Bianxiao Cui, professoressa di chimica e membro del Wu Tsai Stanford Neuroscience Institute presso la Stanford University.

La dottoressa Bianxiao Cui (1) e i suoi colleghi non avevano intenzione di dare agli scienziati superpoteri come quello di Magneto. Invece, i loro nuovi cristalli proteici, descritti su Nano Letters, (2) sono stati progettati per aiutare gli scienziati a studiare quali neuroni controllano i movimenti e i sensi di un animale. I cristalli forniscono qualcosa all'interno di una cellula che i magneti possono attrarre. Questa innovazione colma una lacuna nel campo in erba della magnetogenetica (Mag-NEE-toh-jeh-NET-iks).

Gli scienziati in questo campo ingegnerizzano geneticamente programmano le cellule in modo che rispondano ai campi magnetici. Ora i ricercatori possono controllare a distanza neuroni specifici nel corpo usando i magneti. Quei neuroni potrebbero essere quelli che controllano la fame di un animale. Oppure potrebbero essere neuroni che controllano i muscoli delle gambe in modo che un topo inizi a correre quando un magnete si trova nelle vicinanze.

Ottenere il controllo magnetico

Un campo magnetico può attivare i neuroni che contengono proteine ricche di ferro. Il campo lo fa riscaldando o dando una spinta meccanica a quelle proteine.

I ricercatori in passato hanno già controllato i neuroni con la luce. Questo processo è chiamato optogenetica. Per usarlo, gli scienziati inseriscono molecole sensibili alla luce nei neuroni degli animali viventi. Gli scienziati possono quindi attivare o disattivare i neuroni semplicemente illuminandoli con una luce. Con questa tecnica, i neuroscienziati hanno eseguito cose incredibili. Ad esempio, hanno fatto correre i topi in cerchio; hanno persino ripristinato il movimento della gamba paralizzata di un animale.

Ma l'optogenetica ha i suoi lati negativi. La luce, ad esempio, non può penetrare in profondità nel corpo perché è ostacolata dalle ossa, muscoli e altri tessuti. Quindi i ricercatori possono impiantare fibre ottiche nell'animale per fornire luce ai neuroni profondi. Ciò rende il metodo ingombrante e persino potenzialmente pericoloso.

Secondo il dottor Jacob Robinson, che non è stato coinvolto nello studio, un neuroingegnere della Rice University di Houston, in Texas «L'idea alla base della magnetogenetica è che non devi impiantare nulla».

Le cellule in profondità all'interno del corpo potrebbero essere attivate solo con un campo magnetico. Non sarebbero necessarie fibre o interventi chirurgici.

Ma c'è un intoppo. L'unica proteina presente naturalmente nelle cellule animali che è anche lontanamente magnetica è la ferritina (FAIR-ih-tin). Ogni molecola può avere fino a 4.500 atomi di ferro. Potrebbe sembrare molto, ma non lo è. La forza generata da un magnete che agisce sulla ferritina sarebbe solo un miliardesimo di quella necessaria per accendere un neurone. Quindi il team della dottoressa Cui ha sviluppato cristalli proteici che potrebbero trasportare abbastanza ferro per rendere le loro cellule sensibili ai magneti.

Per quanto promettenti siano i risultati, sia la dottoressa Bianxiao Cui che il dottor Jacob T. Robinson, (3) un neuroingegnere non coinvolto nello studio che lavora alla Rice University di Houston, in Texas, hanno sottolineato che questi non rappresentano il traguardo.

«Non abbiamo ancora raggiunto l'obiettivo», afferma Bianxiao Cui.

Il gruppo della professoressa Cui ha provato tre modi diversi per ottenere il ferro nelle sue cellule. Hanno persino inzuppato le cellule in una soluzione ricca di ferro. Niente ha funzionato.

Le cellule in genere mantengono bassi i livelli di ferro. Si stima che le cellule contengano naturalmente solo il 3% della quantità di ferro necessaria ai cristalli per essere efficaci.

«Probabilmente dovremo alterare le membrane esterne della cellula», sospetta Cui. «Quindi», dice, «potrebbero essere in grado di trasportare più ferro in una cellula». Tuttavia, questi cristalli magnetici rappresentano un importante balzo in avanti nel campo giovane della magnetogenetica. I ricercatori sono fiduciosi che ulteriori studi supereranno questo ostacolo all'arricchimento del ferro.

Riferimenti:

(1) Bianxiao Cui

(2) Engineering a Genetically Encoded Magnetic Protein Crystal

(3) Jacob T. Robinson

Descrizione foto: Gli scienziati hanno progettato cristalli simili a spine che sono i cristalli contenenti ferro più lunghi mai realizzati in laboratorio o in natura. Molti, compresi quelli in questa immagine microscopica, sono più grandi delle cellule in cui sono cresciuti. - Credit: Bianxiao Cui.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Like Magneto? Microcrystals give magnets superpower over living cells