Gli scienziati aprono nuovi orizzonti per la microscopia criogenica

7 giugno 2023

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di Sandrine Perroud, Ecole Polytechnique Federale di Losanna

Gli scienziati dell'EPFL hanno sviluppato un nuovo strumento di ricerca per osservare campioni di tessuti biologici preparati secondo un metodo scoperto circa quarant'anni fa dal premio Nobel Jacques Dubochet, professore emerito dell'Università di Losanna. Il loro strumento, l’unico del suo genere al mondo, apre nuove e promettenti strade di ricerca.

Ci sono voluti quasi 10 anni e diversi prototipi prima che il Prof. Anders Meibom e il suo gruppo di ricerca riuscissero finalmente a realizzarlo. Ora sono riusciti a migliorare un metodo di analisi noto come spettrometria di massa di ioni secondari su scala nanometrica (NanoSIMS) costruendo una macchina CryoNanoSIMS, uno strumento in grado di analizzare la composizione chimica e isotopica di campioni di tessuto vetrificato.

Il processo di preparazione dei campioni da loro utilizzato è stato sviluppato negli anni '80 dal noto biofisico vodese Jacques Dubochet, che ha vinto il Premio Nobel per la chimica nel 2017 per questa svolta. Questo processo, che costituisce la base della moderna microscopia elettronica criogenica, preserva tutti i costituenti di un campione biologico nel loro stato post mortem più incontaminato. La macchina CryoNanoSIMS del gruppo di ricerca e i potenziali benefici sono descritti in un articolo pubblicato su BMC Biology.

"Ora siamo in grado di generare immagini precise di dove in un campione di cellule o tessuti viene immagazzinato o utilizzato uno specifico nutriente, o dove un dato farmaco entra o non entra. Non c'è altro modo per ottenere queste informazioni", afferma Meibom. , che dirige il Laboratorio di Geochimica Biologica presso la Scuola di Architettura, Ingegneria Civile e Ambientale dell'EPFL e che è anche professore all'Università di Losanna (UNIL).

Con la macchina CryoNanoSIMS, gli scienziati possono prelevare campioni di tessuto biologico preparati criogenicamente – in cui nessuna molecola è andata persa o addirittura spostata – e osservare direttamente l’esatta distribuzione subcellulare dei composti essenziali per il trattamento delle infezioni batteriche e del cancro, ad esempio. Gli scienziati possono anche utilizzare la macchina per visualizzare la distribuzione degli oligoelementi nel tessuto vegetale, che è di fondamentale importanza per migliorare la crescita delle piante e la produzione agricola e per tracciare i contaminanti ambientali nel suolo e nei biofilm. E tutto questo può essere fatto ad una risoluzione spaziale sub-cellulare. "Il nostro strumento CryoNanoSIMS crea opportunità di ricerca completamente nuove", afferma Meibom.

"Nel mio laboratorio siamo in pieno svolgimento sviluppando un intenso programma di ricerca attorno a questa capacità unica." Il laboratorio CryoNanoSIMS di Meibom è ospitato presso l'UNIL, dove fa parte del Center for Advanced Surface Analysis, un consorzio di laboratori dell'UNIL e dell'EPFL che utilizzano apparecchiature all'avanguardia per condurre analisi superficiali elementari e isotopiche per un'ampia gamma di temi di ricerca che spaziano dalla geologia alla biologia. Commentando il nuovo strumento, Dubochet lo annuncia come "un'importante espansione nel campo della chimica biologica".

La tecnologia NanoSIMS ha già rivoluzionato il campo dell’imaging quando è stata introdotta circa 20 anni fa. Consiste nel dirigere un fascio di ioni su un campione e produce immagini con una risoluzione di 100 nm. Ma tutti i metodi di preparazione del campione associati comportano un certo grado di distorsione della morfologia dei tessuti e perdita di composti solubili. Per superare questi ostacoli, Meibom e il suo team hanno sviluppato un processo criogenico per la preparazione dei campioni e hanno aggiunto nuovi componenti fisici, tra cui un serbatoio di azoto liquido, a una macchina NanoSIMS in modo che possa ospitare campioni criogenici.