Controluce - Figure per descrivere
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L'immagine
Cellule umane in coltura (linea HeLa)
In vitro, le cellule degli organismi pluricellulari, in particolare quelle animali, si riproducono a stento. Gli organismi pluricellulari sono società complesse in cui diverse popolazioni interagiscono per il conseguimento delle mete biologiche dell’individuo e della specie. Diversamente dalle cellule di una colonia di microrganismi, le cellule degli organismi pluricellulari non riescono a riprodursi e a sopravvivere a lungo fuori dalla “società” in cui sono nate e cresciute. Queste cellule, per crescere e moltiplicarsi, hanno infatti bisogno dell’ambiente costituito dal tessuto di cui fanno parte , che ne regola la divisione (mitosi e meiosi) e anche la morte (apoptosi).
Le cellule dei tessuti animali anche se vengono mantenute nelle giuste condizioni ambientali e nutrite con tutte le sostanze di cui hanno bisogno, vivono (cioè crescono e si moltiplicano) solo per un certo tempo, dopo di che smettono di replicarsi, invecchiano e muoiono.
Questo tipo di colture cellulari, dette colture primarie, hanno perciò una durata limitata nel tempo. Le cellule possono però essere trasformate e stabilizzarsi in linee continue. Le linee cellulari continue o trasformate hanno origine da mutazioni spontanee o indotte con agenti chimici, fisici o biologici a partire dalle colture primarie o dalle linee cellulari a vita finita. Le trasformazioni delle colture primarie che producono una loro stabilizzazione vengono chiamate immortalizzazioni.
Le cellule rappresentate in figura fanno parte della linea cellulare HeLa, che deriva da cellule di un carcinoma della cervice uterina (la denominazione HeLa indica le sillabe iniziali del nome e del cognome della donna da cui è stato asportato il tumore). HeLa è stata la prima linea cellulare umana stabilizzata. Messa in coltura nel 1951, rappresenta ancora uno dei modelli di cellula più usati in laboratorio. Queste cellule “immortali” hanno però un corredo cromosomico molto diverso da quello delle cellule normali dell’uomo. Data anche la capacità di replicarsi indefinitamente al di fuori dell’organismo e in terreni di coltura molto poveri (le cellule dell’immagine sono cresciute su un vetrino), la linea cellulare HeLa è stata addirittura considerata una nuova specie di organismo unicellulare, denominata Helacyton gartleri.
Le cellule dei tessuti animali anche se vengono mantenute nelle giuste condizioni ambientali e nutrite con tutte le sostanze di cui hanno bisogno, vivono (cioè crescono e si moltiplicano) solo per un certo tempo, dopo di che smettono di replicarsi, invecchiano e muoiono.
Questo tipo di colture cellulari, dette colture primarie, hanno perciò una durata limitata nel tempo. Le cellule possono però essere trasformate e stabilizzarsi in linee continue. Le linee cellulari continue o trasformate hanno origine da mutazioni spontanee o indotte con agenti chimici, fisici o biologici a partire dalle colture primarie o dalle linee cellulari a vita finita. Le trasformazioni delle colture primarie che producono una loro stabilizzazione vengono chiamate immortalizzazioni.
Le cellule rappresentate in figura fanno parte della linea cellulare HeLa, che deriva da cellule di un carcinoma della cervice uterina (la denominazione HeLa indica le sillabe iniziali del nome e del cognome della donna da cui è stato asportato il tumore). HeLa è stata la prima linea cellulare umana stabilizzata. Messa in coltura nel 1951, rappresenta ancora uno dei modelli di cellula più usati in laboratorio. Queste cellule “immortali” hanno però un corredo cromosomico molto diverso da quello delle cellule normali dell’uomo. Data anche la capacità di replicarsi indefinitamente al di fuori dell’organismo e in terreni di coltura molto poveri (le cellule dell’immagine sono cresciute su un vetrino), la linea cellulare HeLa è stata addirittura considerata una nuova specie di organismo unicellulare, denominata Helacyton gartleri.
La tecnica
Microscopio a forza atomica (AFM)
Le immagini sono state realizzate presso il Bionanolab A.P.E Research di Trieste con un microscopio a forza atomica AFM A-100 costruito dalla stessa A.P.E. Research. Il microscopio a forza atomica (AFM), come il microscopio a effetto tunnel (STM) o quello campo prossimo (SNOM) , appartiene a una famiglia di raffinati strumenti di misura detti collettivamente microscopi con sonda di scansione (SPM, Scanning Probe Microscope).
Il fenomeno fisico che sta alla base del funzionamento degli SPM è la piezoelettricità, la proprietà cioè che hanno alcuni materiali di elettrizzarsi quando vengono deformati elasticamente e, viceversa, di deformarsi se assoggettati a un campo elettrico. Questa correlazione è molto precisa e permette, grazie a un meccanismo di retroazione, di guidare l'appuntita sonda (la punta della sonda ha dimensioni monoatomiche) lungo le gibbosità della superficie scansionata, restituendone la topografia ad altissima risoluzione.
La sonda dell'AFM registra le variazioni del campo di forze che si producono localmente a livello atomico: forze di Van der Waals, elettrostatiche e ioniche. Il microscopio può operare in due diverse modalità: non-contatto e contatto. Nel primo caso (la modalità utilizzata per scansionare le cellule dell’immagine), la puntina rimane a una distanza di circa 1 nm dal campione ed è sensibile alle forze attrattive. Nella modalità di contatto, invece, dove l'interazione tra punta e campione è maggiore (ma può anche essere maggiormente distruttiva), la punta diventa sensibile alle forze repulsive.
Le cellule nella figura principale sono visualizzate in due dimensioni e appaiono come se fossero osservate in trasparenza. L’effetto è dovuto al fatto che le tonalità più scure codificano per valori più alti sull’asse z, che corrisponde effettivamente allo spessore delle cellule. Lo si vede meglio nell’immagine associata ottenuta con un software di visualizzazione grafica, che ha restituito volume alla topografia. Il rilievo è stato anzi reso con una notevole esagerazione verticale: infatti, mentre l’area inquadrata corrisponde a 60µm; x 60µm;, lo spessore del campione è inferiore ai 2µm.
L'AFM raggiunge una risoluzione inferiore a quella che si ottiene con l'STM, ma la gamma dei campioni osservabili si estende alle sostanze organiche e anche a ceramiche e ad altre sostanze isolanti. A differenza dell'STM, l'AFM non richiede infatti nessun passaggio di corrente tra il campione e la puntina. Rispetto al microscopio elettronico a scansione (SEM), l'AFM presenta l'ulteriore vantaggio che i campioni possono essere osservati senza alcuna preparazione e in aria, senza doverli cioè inserire in una camera da vuoto.
Il fenomeno fisico che sta alla base del funzionamento degli SPM è la piezoelettricità, la proprietà cioè che hanno alcuni materiali di elettrizzarsi quando vengono deformati elasticamente e, viceversa, di deformarsi se assoggettati a un campo elettrico. Questa correlazione è molto precisa e permette, grazie a un meccanismo di retroazione, di guidare l'appuntita sonda (la punta della sonda ha dimensioni monoatomiche) lungo le gibbosità della superficie scansionata, restituendone la topografia ad altissima risoluzione.
La sonda dell'AFM registra le variazioni del campo di forze che si producono localmente a livello atomico: forze di Van der Waals, elettrostatiche e ioniche. Il microscopio può operare in due diverse modalità: non-contatto e contatto. Nel primo caso (la modalità utilizzata per scansionare le cellule dell’immagine), la puntina rimane a una distanza di circa 1 nm dal campione ed è sensibile alle forze attrattive. Nella modalità di contatto, invece, dove l'interazione tra punta e campione è maggiore (ma può anche essere maggiormente distruttiva), la punta diventa sensibile alle forze repulsive.
Le cellule nella figura principale sono visualizzate in due dimensioni e appaiono come se fossero osservate in trasparenza. L’effetto è dovuto al fatto che le tonalità più scure codificano per valori più alti sull’asse z, che corrisponde effettivamente allo spessore delle cellule. Lo si vede meglio nell’immagine associata ottenuta con un software di visualizzazione grafica, che ha restituito volume alla topografia. Il rilievo è stato anzi reso con una notevole esagerazione verticale: infatti, mentre l’area inquadrata corrisponde a 60µm; x 60µm;, lo spessore del campione è inferiore ai 2µm.
L'AFM raggiunge una risoluzione inferiore a quella che si ottiene con l'STM, ma la gamma dei campioni osservabili si estende alle sostanze organiche e anche a ceramiche e ad altre sostanze isolanti. A differenza dell'STM, l'AFM non richiede infatti nessun passaggio di corrente tra il campione e la puntina. Rispetto al microscopio elettronico a scansione (SEM), l'AFM presenta l'ulteriore vantaggio che i campioni possono essere osservati senza alcuna preparazione e in aria, senza doverli cioè inserire in una camera da vuoto.
Cos'e' controluce
Controluce è una raccolta di immagini scientifiche provenienti dai laboratori di ricerca.
La scienza procede per modelli e anche per immagini. L'osservazione dei fenomeni, gli esperimenti di laboratorio, l'intuizione matematica, le simulazioni al computer utilizzano in molti casi la sintesi e la capacità evocativa di un'immagine. Sopratutto, le immagini sono un irrinunciablile ingrediente della comunicazione della scienza, sia interna che esterna a una certa disciplina.
Le immagini di Controluce vengono scelte e descritte da Ulisse con un lavoro di confronto e di dialogo con gli scienziati che le hanno prodotte. Si tratta di immagini che nascono direttamente dall'attività di ricerca, ma che hanno un alto potenziale comunicativo anche per un pubblico più ampio.
