Quanto pesa la vita?

Che si tratti di un lombrico, di un girasole o di un essere umano, siamo tutti costituiti da cellule. Non c'è quindi da stupirsi che i ricercatori stiano studiando intensamente questi mattoni fondamentali della vita. Hanno già svelato molti dei loro segreti. Tuttavia, non è stato ancora possibile misurare con precisione il peso delle cellule viventi e le sue variazioni in tempo reale. Semplicemente, non esisteva un metodo di misurazione adeguato.

Nuova scala cellulare ad alta risoluzione

Ora è diverso: gli scienziati del gruppo di ricerca di Biofisica guidato dal professor Daniel J. Müller dell'ETH hanno sviluppato un nuovo tipo di bilancia cellulare in collaborazione con Christoph Gerber dell'Università di Basilea e Jason Mercer dell'University College di Londra. In questo modo è possibile non solo determinare la massa delle cellule viventi in un tempo molto breve, ma anche seguire le variazioni del loro peso nel tempo. E con una risoluzione di millisecondi e trilionesimi di grammo.

Le cellule, che normalmente pesano circa due o tre nanogrammi, vengono pesate in condizioni controllate in una camera di coltura cellulare. Il braccio di pesatura, una minuscola piastra di silicio trasparente e sottile come un wafer, rivestita di collagene o fibronectina, viene abbassato sul fondo della camera, dove sfiora una cellula e la raccoglie. "Per le misurazioni, la cellula è appesa a testa in giù sulla parte inferiore di una minuscola barra elastica", spiega Gotthold Fläschner, una delle persone principali coinvolte nello sviluppo della nuova bilancia.

Monitorare contemporaneamente il peso e l'attività cellulare

Sul lato a cui è attaccato il microscopico fascio di molle, questo viene minimamente eccitato a oscillare con l'aiuto di un laser blu a impulsi. Un secondo laser a infrarossi, molto debole, misura le vibrazioni nella parte anteriore, dove la cellula è appesa, prima senza e poi con la cellula. "La massa delle cellule può essere calcolata dalla differenza tra le due vibrazioni", spiega David Martínez-Martín, che ha sviluppato e costruito la bilancia cellulare.

Il peso e la sua variazione vengono visualizzati come una curva sullo schermo del computer e possono essere letti per tutto il periodo della misurazione, che si tratti di millisecondi o di giorni. Poiché l'apparecchiatura di misurazione, compresa la coltura cellulare, è montata direttamente sul palcoscenico di un potente microscopio a fluorescenza, oltre alla misurazione del peso è possibile filmare e osservare tutto ciò che accade all'interno delle cellule pesate.

Il peso delle cellule viventi fluttua

Ad esempio, è possibile seguire come cambia il peso durante il ciclo cellulare e la divisione cellulare, quale influenza hanno varie sostanze sulla massa delle cellule o cosa succede quando un virus le attacca. Martínez-Martín e Fläschner hanno condotto diversi esperimenti di questo tipo.

Un'osservazione particolarmente degna di nota: "Abbiamo scoperto che il peso delle cellule viventi fluttua continuamente dall'uno al quattro per cento mentre regolano il loro peso complessivo", spiega Martínez-Martín. I biofisici sono riusciti a dimostrare che le cellule morte non mostrano queste fluttuazioni nell'ordine dei secondi. I ricercatori sono entusiasti. Fläschner: "Stiamo vedendo cose che nessuno ha mai osservato prima".

Grande interesse per le bilance cellulari

Ovunque gli scienziati dell'ETH riferiscano del loro nuovo sviluppo, sono accolti con grande interesse. "La massa della cellula è un ottimo indicatore della sua fisiologia", afferma Martínez-Martín, spiegando l'entusiasmo. È quindi logico che biologi di tutte le discipline siano interessati al nuovo metodo di misurazione. Potrebbe essere interessante anche per la medicina e l'industria farmaceutica. Potrebbe essere utilizzato per studiare la crescita patologica delle cellule e testare l'influenza dei farmaci su di esse.

L'aspetto più sorprendente è che anche gli scienziati dei materiali sono interessati al dispositivo. "L'attenzione principale è rivolta alla cosiddetta funzionalizzazione delle nanoparticelle, cioè alla modifica delle superfici di particelle molto piccole", spiega Martínez-Martín.

In questi giorni, gli scienziati coinvolti stanno presentando la loro invenzione sulla rivista specializzata "pagina esternaLa natura" per la prima volta a un vasto pubblico scientifico. Il nuovo metodo di pesatura è ora protetto da brevetto. Tuttavia, c'è una buona probabilità che gli scienziati di diverse discipline possano presto utilizzare loro stessi la nuova promettente bilancia cellulare: l'azienda svizzera pagina esternaNanosurf AG sta già lavorando su un dispositivo pronto per la produzione come titolare di una licenza.