Un’innovativa tecnica laser per il modellamento cellulare

La costruzione di assemblaggi cellulari di ordine superiore è caratterizzata da un grandissimo potenziale applicativo che spazia dalla chimica dei biosensori alla biologia sintetica. Questo potenziale deriva principalmente dalla capacità di compartimentare e ordinare le cellule nello spazio secondo strutture anche non esistenti in natura. Per far ciò è però necessario mettere a punto tecnologie che siano in grado non solo di spostare a proprio piacimento le cellule nello spazio senza danneggiarle, ma anche di creare interazioni tra le cellule al fine di realizzare strutture sovra-cellulari come ad esempio i tessuti.

I ricercatori dell’Imperial College di Londra e della Loughborough University, tra cui l’italiano Dr. Guido Bolognesi, hanno sviluppato una tecnologia laser in grado di creare dei nuovi livelli di complessità strutturale con cellule artificiali, disponendole in strutture tissutali di base dotate di diverse tipologie di connessioni (Fig. 1).

Figura 1 – Serie di strutture cellulari sintetiche bidimensionali avvicinate e collegate mediante un’innovativa tecnologia laser.

Vista dall’esterno, una cellula sintetica ha le stesse caratteristiche di una cellula naturale. Possiede infatti una membrana plasmatica che, analogamente a quella naturale, permette alla cellula di scambiare materiale fra il suo ambiente interno e l’esterno attraverso minuscoli canali e proteine di trasporto. Mentre le cellule esistenti in natura formano da sole questi collegamenti, quelle artificiale vengono aiutate da questa innovativa tecnologia laser in grado di spostarle e connetterle tra loro.

Le strutture realizzate potrebbero essere utilizzate per eseguire differenti funzioni come, ad esempio, l’avvio di reazioni chimiche in volumi estremamente piccoli, il trasporto di sostanze chimiche intorno e all’interno di network di cellule naturali o sintetiche, lo studio dei meccanismi attraverso i quali le cellule comunicano tra loro e lo sviluppo di una nuova generazione di biomateriali intelligenti.

Tutte le membrane cellulari sintetiche realizzate finora si rimbalzavano l’un l’altra dopo il contatto, mentre le cellule artificiali realizzate da Bolognesi e colleghi possiedono sulla parte esterna della loro membrana cellulare uno strato particolare, costituito da lipidi, proteine (es. streptavidina) e nanoparticelle di oro, che i ricercatori hanno progettato al fine di consentire l’adesione tra cellule portate in contatto via laser (Fig. 2). Una volta collegate in questo modo, le cellule possono essere spostate come un’unica unità sovra-cellulare. I risultati ottenuti dal team di ricerca inglese sono stati pubblicati recentemente su Nature Communications.

Figura 2 – Immagine tratta dal video diffuso dall’Imperial College London in cui una cellula fluorescente (contorno bianco più luminoso) viene trascinata verso una cellula non fluorescente con la formazione di una protuberanza di membrana adibita alla fusione delle membrane delle due cellule sintetiche. Successivamente, le due cellule costituenti un’unica struttura sovra-cellulare vengono trascinate insieme dal laser per favore l’adesione ad altre cellule, creando così strutture complesse 3D.

Una volta perfezionato il processo di adesione delle cellule, il team è stato in grado di costruire strutture più complesse, sia 2D, come linee e quadrati, sia 3D come piramidi (Fig. 3). Una volta che le cellule sono “incollate” insieme, possono essere trainate e riorganizzate dal raggio laser restando unite tra loro.

Figura 3 – Strutture cellulari 2D e 3D realizzate mediante tecnologia laser.

Il prossimo obiettivo, secondo il Dr. Bolognesi, sarà quello di implementare tale tecnologia passando dalla capacità di manipolare poche cellule a quella di lavorare su un gran numero di cellule, paragonabili a quelle costituenti i tessuti umani. La sfida sarà riuscire a mantenere la capacità di posizionarle con la grande arbitrarietà con cui è possibile farlo adesso.

 

Sitografia

Bibliografia

  • Guido Bolognesi, Mark S. Friddin, Ali Salehi-Reyhani, Nathan E. Barlow, Nicholas J. Brooks, Oscar Ces, Yuval Elani. Sculpting and fusing biomimetic vesicle networks using optical tweezers. Nature Communications, volume 9, Article number: 1882, 2018. doi:10.1038/s41467-018-04282-w

Crediti video

  • https://www.youtube.com/watch?v=czTnH6UCZpI#action=share

Crediti immagini

  • https://www.imperial.ac.uk/news/186211/mini-tractor-beams-help-arrange-artificial/
  • Guido Bolognesi, Mark S. Friddin, Ali Salehi-Reyhani, Nathan E. Barlow, Nicholas J. Brooks, Oscar Ces, Yuval Elani. Sculpting and fusing biomimetic vesicle networks using optical tweezers. Nature Communications, volume 9, Article number: 1882, 2018. doi:10.1038/s41467-018-04282-w

Nicola Di Fidio, Ph.D. student
Department of Chemistry and Industrial Chemistry – University of Pisa
Via G. Moruzzi 13 – 56124 Pisa
MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies
Mob: +39 3299740251
Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com
Secondary e-mail: n.difidio@studenti.unipi.it

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2 Commenti

  1. Non capisco l’utilità pratica. Penso che se veramente una certa ne fosse stata in Natura, l’Evoluzione l’avrebbe già trovata. Oppure no? Da considerare anche l’ipotesi che l’evoluzione abbia scartato una simile ipotesi di assemblaggio cellulare. Sono molto scettico su queste invenzioni

    • Caro Carlo,
      grazie del tuo feedback. Come emerge dall’articolo si tratta di una tecnologia ancora in fase di sviluppo volta a ricreare strutture biologiche (es. tessuti) semplificate caratterizzate da un potenziale applicativo in diverse discipline scientifiche, come:
      – ottenere informazioni su precisi meccanismi cellulari non ancora ben noti (nel caso della citologia o dell’istologia ad esempio) usando cellule sintetiche semplificate;
      – nel caso della chimica dei biosensori, ottenere cellule con un design strutturale definito ad hoc dal bioingegnere al fine di massimizzare la risposta cellulare e quindi la performance del biosensore;
      – nel campo della biocatalisi, studiare in dettaglio ed in micro-volumi (minor consumo di reagenti e minor impatto ambientale) reazioni catalizzate da diverse attività enzimatiche presenti nella medesima cellula o in cellule differenti appartenenti però alla stessa struttura sovra-cellulare creata ad hoc;
      – nel campo delle biotecnologie industriali, poter studiare con più accuratezza sinergie metaboliche tra specie microbiche differenti coinvolte nello stesso processo fermentativo ad esempio;
      e molto altro ancora.

      Si tratta di una tecnologia, volta a modificare/semplificare/ricreare ciò che già esiste in natura per un fine applicativo. Un po’ come il concetto di biotecnologia!

      Spero di aver chiarito il tuo dubbio e resto a disposizione per qualsiasi altro chiarimento o confronto.

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