Concanavalin A as a pan-eukaryotic nuclear envelope marker for expansion microscopy
Questo studio stabilisce la Concanavalina A combinata con la microscopia di espansione come uno strumento universale, privo di anticorpi, per visualizzare l'integrità dell'involucro nucleare attraverso diversi eucarioti, rivelando nuove strategie mitotiche e supportando l'ipotesi che i cicli vitali multinucleati favoriscano una mitosi chiusa o intermedia per proteggere i cromosomi.
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Ogni essere vivente che non sia un batterio o un archeo è costruito da cellule che mantengono le proprie istruzioni genetiche racchiuse in una stanza speciale chiamata nucleo. Questa stanza è circondata da una parete a doppio strato nota come involucro nucleare, che funge da guardiano, decidendo cosa entra e cosa esce. Quando una cellula si prepara a dividersi, deve aprire questa stanza per separare il proprio materiale genetico in due nuovi set. In alcuni organismi, l'intera parete si dissolve completamente, lasciando il materiale genetico esposto al resto della cellula prima che venga costruita una nuova parete intorno ad esso. In altri, la parete rimane perfettamente intatta e il macchinario che separa il materiale genetico lavora dall'interno. Tra questi due estremi si trova una via di mezzo, dove la parete sviluppa piccoli fori controllati, appena sufficienti a far passare il macchinario della divisione. Comprendere quale strategia utilizzi uno specifico organismo è fondamentale per mappare la storia della vita sulla Terra, ma vedere queste minuscole pareti è stato incredibilmente difficile. Le pareti sono così sottili e le strutture così complesse che i microscopi standard spesso le confondono, mentre i microscopi più potenti sono lenti e richiedono che i campioni vengano congelati in modi che possono distorcere proprio le caratteristiche che gli scienziati stanno cercando di studiare.
Un team di ricercatori ha ora trovato un modo semplice ed elegante per vedere chiaramente queste pareti in un'ampia gamma di forme di vita, dalle cellule umane ai microbi unicellulari presenti negli oceani e nel suolo. Hanno scoperto che una sostanza chiamata Concanavalina A, che si trova naturalmente nei fagioli di jack, agisce come un evidenziatore universale per queste pareti nucleari quando utilizzata in una tecnica di imaging specifica. Inveve di cercare di costruire strumenti personalizzati per ogni nuova specie studiata, gli scienziati hanno applicato questa sostanza di origine vegetale a cellule che erano state fisicamente allungate per renderle più facili da vedere. Questo processo di allungamento, noto come microscopia a espansione, rende le strutture minuscole quattro volte più grandi senza cambiarne la forma. Quando i ricercatori hanno aggiunto la Concanavalina A a queste cellule espanse, questa si è agganciata alle molecole di zucchero presenti sulla superficie delle pareti nucleari in quasi ogni tipo di vita eucariotica. Il risultato è stato un contorno luminoso e nitido della parete nucleare che ha rivelato esattamente come questa si comporta durante la divisione cellulare, se si frammenta completamente, rimane integra o sviluppa piccole lacune.
I ricercatori hanno testato questo metodo su quindici specie diverse che rappresentano sei rami principali dell'albero della vita. Hanno esaminato cellule familiari come quelle di esseri umani e topi, così come diversi microbi tra cui funghi, amebe e alghe. In ogni caso in cui la parete nucleare conteneva le specifiche molecole di zucchero che la sostanza bersaglia, il metodo ha funzionato perfettamente. Ha mostrato che in alcune specie la parete scompare completamente durante la divisione, confermando la strategia aperta. In altre, la parete è rimasta un anello continuo, confermando la strategia chiusa. Ancora più importante, il metodo ha rivelato una strategia intermedia in specie dove non era mai stata vista prima. Ad esempio, in un microbo marino chiamato Aurantiochytrium limacinum, che vive con molti nuclei che condividono lo stesso citoplasma, i ricercatori hanno visto che la parete rimaneva per lo più intatta ma sviluppava piccoli fori precisi ai poli dove entra il macchinario della divisione. Ciò ha confermato che l'organismo utilizza una strategia intermedia, mantenendo il proprio materiale genetico per lo più protetto pur consentendo comunque il processo di divisione.
Lo studio ha esaminato anche una muffa mucillaginosa chiamata Physarum polycephalum, che ha un ciclo vitale unico che cambia strategia a seconda della sua fase di sviluppo. Quando questo organismo esiste come ameba unicellulare, la parete nucleare si rompe completamente, proprio come nelle cellule umane. Tuttavia, quando cresce in una massa enorme e multinucleata, la parete rimane intatta durante la divisione. Il nuovo metodo ha catturato entrambi questi comportamenti nello stesso organismo, dimostrando che il passaggio tra queste due strategie non è un tratto evolutivo fisso ma una risposta flessibile alla fase di vita dell'organismo. Questa scoperta sostiene l'idea che mantenere intatta la parete nucleare sia una misura protettiva per gli organismi con molti nuclei, impedendo al materiale genetico di mescolarsi o di essere catturato dalla strumentazione sbagliata durante le divisioni rapide e sincronizzate.
Sebbene il metodo abbia funzionato per la stragrande maggioranza delle specie testate, non ha funzionato per tutte. Nel parassita Toxoplasma gondii, la sostanza non è riuscita ad illuminare affatto la parete nucleare. I ricercatori hanno notato che questa assenza di segnale non è un fallimento della tecnica, ma un indizio biologico. Questo parassita è noto per avere un sistema semplificato per costruire molecole di zucchero sulle sue proteine, probabilmente perché ha perso molti dei geni necessari per produrle. La mancanza di segnale ha confermato che la parete nucleare del parassita manca dei target di zucchero specifici che la sostanza deve legarsi. Allo stesso modo, in un altro microbo chiamato Giardia, la sostanza ha delineato il nucleo ma non ha mostrato una rete distinta di membrane interne, suggerendo che la struttura interna di questo organismo sia organizzata diversamente rispetto ad altre specie. Queste eccezioni hanno dimostrato che il metodo è abbastanza sensibile da rilevare reali differenze biologiche nel modo in cui le cellule sono costruite, piuttosto che fornire un'immagine generica.
Utilizzando una singola sostanza disponibile commercialmente che non richiede alcuna ingegneria personalizzata, i ricercatori hanno aperto la porta allo studio della divisione cellulare in centinaia di specie che erano precedentemente troppo difficili da visualizzare. Questo approccio consente agli scienziati di determinare rapidamente come diversi organismi gestiscono le loro pareti nucleari, fornendo una visione ampia di come la vita si sia evoluta per risolvere il problema della divisione cellulare. Le scoperte suggeriscono che la strategia utilizzata da un organismo è strettamente legata al suo stile di vita e al suo ciclo vitale, in particolare se vive come cellula singola o come struttura massiccia e multinucleata. La capacità di vedere chiaramente questi processi in un intervallo così ampio di vita offre un nuovo modo per comprendere la profonda storia dell'evoluzione eucariotica, rivelando come le regole della divisione cellulare siano state modificate e adattate nel corso di miliardi di anni.
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