Vedere ciò che l'occhio nudo non può vedere: 4 letture essenziali su come gli scienziati mettono in bella vista il mondo microscopico

Redattore associato in materia di salute e biomedicina

Professore e Direttore del Programma di Neuroscienze, Northern Kentucky University

Professore di biologia computazionale e dei sistemi, vicerettore senior associato per la strategia e la pianificazione scientifica, Università di Pittsburgh

Responsabile del programma scientifico presso i Gladstone Institutes, Università della California, San Francisco

Professore associato di scienze neurali e comportamentali, Penn State

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Il microscopio è un simbolo iconico delle scienze della vita – e per una buona ragione. Dalla scoperta dell'esistenza delle cellule alla struttura del DNA, la microscopia è stata uno strumento per eccellenza in questo campo, aprendo nuove dimensioni del mondo vivente non solo per gli scienziati ma anche per il grande pubblico.

Per le scienze della vita, dove comprendere la funzione di un essere vivente spesso richiede l’interpretazione della sua forma, l’imaging è vitale per confermare le teorie e rivelare ciò che è ancora sconosciuto.

Questa selezione di storie dall'archivio di The Conversation presenta alcuni modi in cui la microscopia ha contribuito a diverse forme di conoscenza scientifica, comprese le tecniche che portano la visualizzazione oltre la vista.

Negli ultimi secoli il microscopio ha subito una graduale ma significativa evoluzione. Ogni progresso ha consentito ai ricercatori di vedere strutture e biomolecole sempre più piccole e fragili con una risoluzione sempre più elevata: dalle cellule, alle strutture all’interno delle cellule, alle strutture all’interno delle strutture all’interno delle cellule, fino agli atomi.

Ma esiste ancora un divario di risoluzione tra le strutture più piccole e quelle più grandi della cellula. Il biofisico Jeremy Berg ha fatto un'analogia con Google Maps: sebbene gli scienziati potessero vedere la città nel suo insieme e le singole case, non riuscivano a distinguere i quartieri.

"Vedere questi dettagli a livello di quartiere è essenziale per poter capire come i singoli componenti lavorano insieme nell'ambiente di una cellula", scrive.

Gli scienziati stanno lavorando per colmare questo divario risolutivo. I miglioramenti apportati alla microscopia a superrisoluzione, vincitrice del Premio Nobel nel 2014, ad esempio, hanno migliorato lo studio di processi lunghi come la divisione cellulare acquisendo immagini su una gamma di dimensioni e scale temporali simultaneamente, portando chiarezza ai dettagli che i microscopi tradizionali tendono a sfocare.

Un’altra tecnica, la microscopia crioelettronica, o crio-EM, ha vinto un premio Nobel nel 2017 per aver reso visibili molecole ancora più complesse e dinamiche congelandole rapidamente. Questo crea un guscio protettivo simile al vetro attorno ai campioni mentre vengono bombardati da un raggio di elettroni per creare la loro foto. Cryo-ET, un tipo specializzato di cryo-EM, può costruire immagini 3D di strutture molecolari nei loro ambienti naturali.

Queste tecniche non solo generano immagini con una risoluzione atomica o prossima, ma preservano anche la forma naturale delle biomolecole di interesse difficili da catturare. I ricercatori sono stati in grado di utilizzare la crio-EM, ad esempio, per catturare la struttura sfuggente della proteina sulla superficie del virus dell’epatite C mutaforma, fornendo informazioni chiave per un futuro vaccino.

Ulteriori miglioramenti all'acuità visiva della scienza riveleranno maggiori dettagli sugli elementi costitutivi della vita.

"Prevedo di vedere nuove teorie su come comprendiamo le cellule, passando da sacchi di molecole disorganizzati a sistemi dinamici e organizzati in modo complesso", scrive Berg.

Per saperne di più: Visualizzare l'interno delle cellule a risoluzioni precedentemente impossibili fornisce informazioni vivide su come funzionano

Le immagini al microscopio sono spesso inquadrate come istantanee: parti circoscritte di un insieme che sono state ingrandite per rivelarne le caratteristiche nascoste. Ma nulla in un organismo funziona in modo isolato. Dopo aver individuato i singoli componenti, gli scienziati hanno il compito di tracciare il modo in cui interagiscono tra loro nel macrosistema del corpo. Per capirlo è necessario non solo identificare ogni componente che costituisce una particolare cellula, tessuto e organo, ma anche metterli in relazione tra loro – in altre parole, creare una mappa.