Ti LEGOⓇ (Technic)!

Gli scienziati, si sa, hanno bisogno di un sacco di strumenti costosi e macchinari complessi per i loro esperimenti, il tutto in laboratori futuristici con fumo che esce da ogni dove… 

… O almeno questo è quello che abbiamo imparato guardando il Laboratorio di Dexter, CSI, e tutte le nostre serie preferite! 

Ma se invece la scienza fosse molto più semplice?

E se bambini dagli 8 anni in su potessero costruire veri macchinari scientifici e, restando a casa, potessero diventare non semplici scienziati, ma addirittura meccanobiologi??

Le cellule sono in grado di leggere le caratteristiche fisiche dell’ambiente che le circonda ed i meccanobiologi studiano proprio questo. 

I meccanobiologi cercano di cambiare caratteristiche fisiche dell’ambiente delle cellule per riprodurre in laboratorio quello che succede agli organi ed ai tessuti del nostro corpo. Per esempio, ogni volta che un nostro muscolo si contrae (quando facciamo sport, o anche semplicemente ad ogni battito del cuore), le cellule del muscolo e le cellule circostanti sono stiracchiate.

Per stirare le cellule occorrono macchine super-costose (50mila €!!!) e super-complesse. 

Gli ScienziatiMatti di oggi si sono detti che potevano inventare qualcosa di più economico e semplice ed hanno costruito una macchina capace di stirare le cellule usando solo mattoncini LEGOⓇ technic

La costruzione è molto semplice: si tratta di un braccio motorizzato collegato ad una superficie fatta con una sostanza simile al silicone, dove si possono mettere a crescere le cellule. Il tutto al modico prezzo di circa 200 €, con un risparmio di 49.800 €!!!

Macchina LEGOⓇ allunga-cellule! Notare l’operatore sul motore 😉
(Da Boulter et al. 2020).

Ma funziona davvero??

Per testare la loro invenzione, gli ScienziatiMatti hanno verificato che le cellule allungate col metodo LEGOⓇ si comportassero come le cellule allungate con macchinari più costosi:

1 – Non appena si provano a stirare le cellule, la proteina YAP, molto famosa tra i meccanobiologi, entra dentro il nucleo delle cellule.

Gli ScienziatiMatti hanno colorato YAP nelle cellule e si vede bene che le cellule allungate hanno i nuclei più intensamente colorati del controllo. La linea bianca è lunga 50 µm (da Boulter et al. 2020).

2 – Quando le cellule si allungano, una proteina chiamata RhoA si attiva. Per misurare questo fenomeno non basta usare il microscopio, ma bisogna prendere molte cellule, aprirle, e misurare quanta proteina attiva hanno al loro interno. La macchina LEGO, a differenza delle altre macchine, ci permette di allungare abbastanza cellule per fare anche questo test!

Gli ScienziatiMatti hanno stirato molte cellule, poi le hanno aperte e con una tecnica chiamata western-blot hanno misurato la quantità di RhoA attiva rispetto alla quantità di RhoA totale. Più proteina c’è e più si ottengono bande scure (immagine in alto). La banda di RhoA attivo dopo 5 minuti di stiramento è più scura della banda ottenuta da cellule non stirate (0 minuti) e lo possiamo vedere bene nel grafico sotto l’immagine. Ogni puntino rosso rappresenta un esperimento. Il numero scritto sopra il grafico è il p value. Più il p value è basso, più sicuri siamo che la differenza tra i dati sia significativa (da Boulter et al. 2020).

3 – Dopo qualche ora di stretching, le cellule si riorientano nella direzione in cui vengono stirate.

A differenza delle immagini precedenti, qui i ricercatori hanno lasciato le cellule “in allungamento” per 6 ore. Le cellule si sono così riposizionate nel senso dell’allungamento da Boulter et al. 2020).

4 – Infine, non ci sono solo cellule nel corpo, ma anche matrice extracellulare, cioè tutte quelle fibre che tengono letteralmente insieme i nostri organi. Tante sostanze si possono legare a queste fibre per essere rilasciate nel momento in cui le fibre vengono stirate. Una di queste sostanze si chiama TGFβ ed i ricercatori hanno visto che stirando un pezzo di matrice extracellulare con i loro giocattoli LEGOⓇ potevano liberare il TGFβ intrappolato tra le fibre!

Il Tgfβ intrappolato nelle fibre di matrice extracellulare (a sinistra) viene liberato quando le fibre si stirano (a destra). I ricercatori adesso non devono fare altro che buttare un po’ di acqua o simili sulle fibre per recuperare il Tgfβ libero. Nel grafico a destra vediamo il risultato di 6 esperimenti, ognino rappresentato da un puntino grigio. il p value è molto basso, segno che l’effetto osservato è statisticamente valido (da Boulter et al 2020).

Gli ScienziatiMatti di oggi ci dimostrano ancora una volta che il gioco e la fantasia sono la base della buona scienza.

Usiamo questi giorni di isolamento per scoprire il valore del gioco, così quando torneremo a rimirar le stelle saremo tutti un po’ più scienziati!


Qui il link alla ricerca originale: https://doi.org/10.1242/jcs.234666

Oh no! L’articolo è a pagamento! Ricordiamo che siamo contrarissimi all’uso di sci-hub per leggere liberamente le ricerche 🙂 

Qui la lista dei pezzi LEGO da comprare per chi volesse cimentarsi nell’impresa: http://jcs.biologists.org/lookup/doi/10.1242/jcs.234666.supplemental

Solide fondamenta!

Quello appena passato è stato un decennio ricco di ricerche fantastiche! Noi di Scienziatimatti, dopo accurate riflessioni, abbiamo deciso che le aree di ricerca che più ci hanno entusiasmato negli anni ‘10 sono:


Inauguriamo il 2020 parlando dell’incontro tra fisica e biologia, la meccanobiologia, e cominciamo l’articolo con un QUIZ:

Quale tra queste due case ci sembra più solida e sicura?

La risposta può sembrarci scontata, ma se ci mettiamo nei panni di una cellula, forse la scelta diventa più difficile: una cellula non ha occhi per analizzare la situazione, quindi non vede tutto ciò che noi vediamo. La cellula può però andare ad esplorare i luoghi in cui sono costruite le due case ed utilizzare tutte le sue antenne (i recettori) per carpire il maggior numero possibile di informazioni. 

Gli Scienziatimatti di oggi studiano da anni le antenne che permettono alle cellule di capire se un terreno è rigido e solido o se è molle e sabbioso

Un tipo di recettore utilizzato per tale compito si chiama “contractile unit” (CU) ed è una struttura composta da tante proteine, non ancora tutte conosciute, assemblate insieme e collegate allo scheletro della cellula (il citoscheletro). 

Usando le CU, le cellule analizzano il terreno su cui camminano e, se il terreno è abbastanza solido, allora si riproducono (proliferano) e fanno crescere il nostro corpo. Se invece il terreno è troppo molle, le cellule capiscono che proliferare sarebbe dannoso per il corpo perché ad un certo punto tutto sprofonderebbe. Allora attivano un programma di autodistruzione chiamato anoikis (dal greco: essere senza casa).

In questo modo, solo le cellule che hanno trovato fondamenta solide contribuiscono alla nostra crescita e tutto procede per il meglio.

Gli Scienziatimatti si sono detti: ehi, ma un tumore è un ammasso di cellule che cresce senza controllo in posti in cui non le cellule non dovrebbero proliferare. Possibile che le cellule dei tumori non sappiano distinguere tra terreni solidi e molli?

Hanno preso così cellule di vari tipi di tumori e le hanno fatte crescere in laboratorio su superfici soffici o rigide, confrontandole con cellule sane. Su terreni soffici le cellule sane morivano, mentre le cellule tumorali sopravvivevano e crescevano allegramente. 

Varie cellule sono state messe su un terreno sofficissimo per vedere se crescevano o no. Le macchie scure che vediamo sono ammassi di cellule. Non c’è traccia delle cellule sane, mentre le cellule tumorali, non importa il tipo di tumore da cui sono state prese, sopravvivono tranquillamente. Le linee bianche sono lunghe 400 µm. (Da Yang et al. 2019).

I ricercatori hanno visto che a tutte le cellule tumorali analizzate mancava almeno un componente fondamentale delle CU. Reinserendo il componente mancante di ogni linea cellulare, le cellule tumorali riacquistavano la capacità di distinguere tra soffice e rigido!

Per scoprire quali proteine si celavano all’interno delle cellule, gli scienziati hanno usato una tecnica chiamata Western Blot (immagine di sinistra) che permette di separare le proteine in base al loro peso (misurato in kilo Dalton, kDa, i numeri che vediamo a sinistra). Le bande scure che vediamo sull’imagine ci dicono quanta proteina c’è dentro le cellule: più la banda è scura, più proteina c’è.
Le cellule Cos7 per esempio non hanno Myosin IIA. I ricercatori hanno reinserito Myosin IIA nelle cellule Cos7 e le hanno messe su terreni molli. Sorpresa: le cellule tumorali «corrette» morivano come le cellule sane (immagine in alto a destra)!
Le MDA-MB-231 invece non avevano la proteina Tpm e reinserire questa proteina è stato sufficiente per far morire le cellule su terreni molli (immagine in basso a destra). Le bande bianche sono lunghe 400 µm. (Da Yang et al. 2019).

E se ripristinando la capacità di distinguere tra soffice e rigido riuscissimo ad uccidere un tumore? 

Gli Scienziatimatti hanno preso le cellule tumorali in cui era stato corretto il difetto e le hanno impiantate in un modello molto semplice di organismo: un uovo.

Mentre le cellule tumorali crescevano e davano vita ad un tumore enorme, le cellule tumorali modificate non riuscivano ad attecchire e dopo pochi giorni morivano!

I ricercatori hanno aperto con attenzione un uovo di gallina (terreno molle!) e ci hanno iniettato le cellule tumorali o le cellule tumorali “corrette”. Dopo alcuni giorni per lasciare il tempo alle cellule di crescere, i ricercatori hanno guardato al microscopio se le cellule che avevano iniettato erano cresciute o no. Le cellule tumorali “corrette” non erano cresciute!! (Da Yang et al. 2019).

Adesso bisognerà riprodurre queste osservazioni nell’uomo e non sarà semplice, ma queste buone fondamenta sono un bel punto di partenza!


Qui il link alla ricerca originale: https://doi.org/10.1038/s41563-019-0507-0

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Neuroni

Malattie neurodegenerative: vi shPIEZO in due!

Uno degli organi più complessi del nostro corpo è senza dubbio il cervello. È un supercomputer senza eguali, in grado di immagazzinare quantità enormi di dati e richiamarli a piacimento. Memorizza qualsiasi genere di informazioni, dalle immagini alle emozioni, anche se non sappiamo come fa. Insomma, è un capolavoro tecnico-informatico! 

Purtroppo con l’età il rischio di malattie neurodegenerative aumenta e la memoria peggiora sempre di più. Per di più sappiamo che in genere i danni al cervello sono permanenti. Infatti, mentre quasi tutti gli altri organi possono auto-ripararsi producendo cellule nuove in risposta ad un danno, nel cervello questa capacità è praticamente assente.

Capire come mai le cellule nervose hanno bloccato la loro capacità di riprodursi in risposta ai danni potrebbe essere un’arma contro le malattie neurodegenerative.

Gli Scienziatimatti di oggi hanno perciò deciso di studiare un tipo quasi sconosciuto di cellule del cervello, le cellule progenitori degli oligodendrocitici, o più semplicemente, le OPC (dall’inglese “oligodendrocyte progenitor cells”), che, sembra, possono dividersi anche nei cervelli adulti.

Ed in effetti le OPC nel cervello di ratti giovani si riproducevano (proliferavano). Le stesse cellule però non si dividevano più una volta che i ratti invecchiavano. 

Sbalorditivamente, se le OPC venivano prese dal cervello di un ratto anziano e trapiantate dentro il cervello di un ratto giovane, allora ricominciavano a proliferare!

Queste sono foto di pezzetti di cervello di ratto fatte 14 giorni dopo il trapianto di cellule. Per riconoscerle, le cellule trapiantate sono marcate in verde (grazie alla proteina GFP). In rosso c’è OLIG2, una proteina che esiste solo sulle OPC. Infine, EdU (in grigio, indicato da freccette blu per facilitarci l’osservazione) ci dice quali cellule si stanno dividendo. A sinistra abbiamo le OPC di ratti giovani (nOPC – Neonatal OPC) trapiantate in altri cervelli giovani (nCNS) ed a destra ci sono cellule di ratti anziani (aOPC) trapiantate in cervelli giovani (nCNS). Le cellule in proliferazione (colorate con EdU) sono state contate ed il risultato è il grafico che vediamo nell’immagine. Dopo il trapianto in cervelli giovani, le cellule giovani e le cellule anziane proliferano in ugual misura. La barra bianca è lunga 50 µm (da Segel et al. 2019).

Quindi ci deve essere qualcosa nel ratto anziano che impedisce alle OPC di riprodursi. 

Una differenza tra cervelli giovani e cervelli anziani è la consistenza dell’organo: più si invecchia e più il cervello si irrigidisce. Che la rigidità sia la causa della mancata proliferazione?

Le OPC estratte da un cervello anziano sono state messe su una superficie soffice e… Bingo! Le OPC anziane ricominciavano a comportarsi come le OPC giovani. Viceversa, se le OPC giovani venivano messe su una superficie rigida, queste invecchiavano di colpo e smettevano di proliferare.

I ricercatori hanno estratto OPC da cervelli anziani (aOPC, riga in alto) o da cervelli giovani (nOPC, riga in basso), poi le hanno messe su una superficie rigida (stiff, a sinistra) o su una superficie soffice (soft, a destra). Sox10, una proteina che hanno soltanto le OPC è stata colorata in rosso. Tra le OPC, quelle che si stanno dividendo sono colorate in verde (EdU). Vediamo che sia le OPC anziane che quelle giovani si dividono di più quando sono su superfici morbide (nella colonna di destra ci sono più cellule verdi).  La linea bianca stavolta indica 40 µm (da Segel et al. 2019).

Tutto questo è affascinante, ma si può far tornare soffice un cervello anziano? Purtroppo una volta che un organo è diventato rigido è molto difficile tornare indietro. 

Se vogliamo intervenire sulle OPC allora dobbiamo capire più di preciso cosa succede alle cellule quando il cervello si indurisce. 

A sinistra vediamo PIEZO1 (celeste) chiuso che non lascia passare lo ione Calcio ( Ca²+) dentro la cellula. A destra invece PIEZO1 è aperto e lo ione calcio entra nella cellula attraversando i fosfolipidi della membrana plasmatica.

I nostri scienziati si sono così imbattuti in PIEZO1, una proteina che si attiva su superfici rigide. PIEZO1 è un canale transmembrana, ovvero una proteina che attraversa la membrana plasmatica da un lato all’altro e che quando si attiva si apre e fa entrare nella cellula un segnale molto usato dai neuroni, lo ione Ca²+ (Calcio), bloccando così la proliferazione. I ricercatori hanno visto che man mano che le OPC invecchiavano, PIEZO1 aumentava e, come se non bastasse, restava aperto più a lungo nei cervelli anziani per via dell’ambiente più rigido.

Eliminando PIEZO1 dalle OPC di ratti anziani con mirabolanti tecniche di ingegneria genetica, le OPC dentro i cervelli anziani ricominciavano a dividersi in risposta ad un danno neurodegenerativo!

Grazie ad un virus modificato geneticamente (Adeno Associated Virus, AAV), gli Scienziatimatti hanno tolto PIEZO1 dalle OPC (AAV Piezo1 KD, dal nome della tecnica “KnockDown”). Come controllo sono stati usati dei virus modificati geneticamente, ma inefficaci nei confronti di PIEZO1 (AAV NT).
I ricercatori hanno poi generato un danno nel cervello di ratti anziani che ha causato la perdita della mielina (come succede nella sclerosi multipla) e, come possiamo vedere dalle immagini, i topi anziani da cui è stato eliminato PIEZO1 sono stati in grado di riparare parzialmente il danno producendo nuova mielina (in rosso) nella zona danneggiata (indicata da una linea bianca). La scala di riferimento indica 100 µm (da Segel et al. 2019).

A volte la scienza vera è addirittura più incredibile di quella che vediamo nei film! Grazie agli Scienziatimatti di oggi, siamo un passo più vicini alla cura delle malattie neurodegenerative!


Qui il link alla ricerca originale: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1484-9

Ops, l’articolo è a pagamento! Ricordiamo ai nostri lettori di non usare sci-hub per accedere all’articolo! Molto meglio pagare di nuovo per leggere un lavoro che è stato portato avanti grazie anche ai soldi delle nostre tasse 😉

Il senso del tatto delle cellule

Abbiamo già visto qui che le cellule possono leggere le proprietà fisiche del loro habitat.
Come? Proviamo a toccare un oggetto. Nell istante in cui le nostre dita lo sfiorano, il nostro cervello elabora informazioni circa la sua temperatura, consistenza (rigido o soffice), fattezza (liscio o rugoso) ed altro ancora. Questo grazie ad una miriade di sensori tattili presenti sulle nostre dita che trasformano l’informazione in un segnale biochimico o elettrico interpretabile dal cervello.
Anche le cellule hanno dei sensori sulla loro pelle (la membrana plasmatica) che convertono gli stimoli in segnali biochimici o elettrici.
Quando si parla di segnali bisogna capire due cose:

  • Come si attiva il segnale? Ogni sensore è attivato da uno stimolo diverso (temperatura, rigidità, …).
  • Come si spegne il segnale? I sensori vengono portati all’interno della cellula tramite un processo chiamato endocitosi. Dato che lo stimolo attivatore è fuori dalla cellula, portando dentro il sensore fermerò il segnale!

L’articolo di oggi è un lavoro di un autore del blog e parla di come le cellule possono interpretare la rigidità!
I sensori incaricati di “leggere la rigidità” sono le integrine, proteine transmembrana, che spuntano un po’ all’interno e un po’ all’esterno della cellula. Le integrine toccano tutto quello che sta intorno alla cellula e quando trovano una cosa che gli piace, ci si aggrappano. Parte il segnale. La cellula prova a spegnerlo facendo rientrare l’integrina tramite endocitosi. Una proteina flessibile, la clatrina, si attacca alla membrana plasmatica piegandola verso l’interno. Vediamo due scenari possibili:

  • Superficie rigida: le integrine arrivano in massa, si aggrappano con tutta la loro forza e riescono a contrastare le clatrine che arrivano sempre più numerose. Si crea una placca di clatrina, un pezzo di membrana che non ce la fa a curvarsi e resta piatto. Altri sensori arrivano sulla placca convinti di venire endocitati, ma invece restano lì, accesi. Tra questi c’è il recettore del fattore di crescita EGF (EGFR) che quando è acceso dice alla cellula di proliferare. Molti tumori insorgono perché il segnale di EGFR non viene spento e le placche di clatrina potrebbero essere uno dei tanti modi che i tumori usano per lasciare acceso EGFR.
  • Superficie soffice: le integrine si aggrappano alla superficie esterna, ma la clatrina tira e la superficie esterna si piega fino a spezzarsi. L’integrina finirà col trovarsi dentro una bolla completamente ripiegata verso l’interno della cellula. La clatrina ha vinto, l’integrina viene endocitata.

modello

stiff-soft
A sinistra, una cellula su una superficie rigida. Le grosse macchie bianche sono placche di clatrina. A destra, una cellula su una superficie soffice. Ogni puntino che scompare coincide con un evento di endocitosi (la clatrina che vince).

EM
Le stesse cellule del video qua sopra (sinistra: superficie rigida; destra: superficie soffice) osservate al microscopio elettronico. Le placche di clatrina sono state colorate in giallo.

Le placche di clatrina non hanno però un ruolo puramente malvagio. Le cellule dell’osso vivono in un ambiente molto rigido ed infatti hanno le placche di clatrina, ma hanno imparato ad usarle per i loro scopi, senza necessariamente trasformarsi in tumori. Altre cellule invece (nel fegato, per esempio) passano tutto il tempo in ambienti soffici e se la rigidità del loro ambiente aumenta, formano placche di clatrina che inviano segnali di proliferazione. Se le cellule non imparano a controllare tali segnali, si può creare un tumore.
Capire come controllare le placche di clatrina potrebbe darci nuove armi per combattere i tumori e con questo lavoro speriamo di aver stimolato la curiosità dei ricercatori nei confronti di queste strutture 🙂


Qui il link alla ricerca originale: https://rdcu.be/ba6RO

Il mistero della memoria delle cellule

La biologia e la fisica si stanno avvicinando sempre di più l’una all’altra e, come succede ogni volta che due realtà diverse si mescolano, da questo incontro stanno nascendo cose straordinarie.

Fino a pochi anni fa i biologi se ne stavano a guardare cosa succedeva alle loro cellule, mentre i fisici nel laboratorio accanto studiavano le proprietà dei materiali come rigidità, elasticità, resistenza alla pressione, eccetera. Poi un giorno, uno scienziato distratto è entrato nel laboratorio sbagliato e si è accorto che le cellule erano in grado di rispondere a cambiamenti delle caratteristiche fisiche dell’ambiente che le circondava! Era nata la meccanobiologia (o biofisica).

Una delle proprietà dei materiali più studiate nella meccanobiologia è la rigidità. Le cellule del nostro corpo sono spesso sottoposte a cambiamenti di rigidità. Per esempio i tumori solidi sono sempre più rigidi del tessuto sano dal quale derivano. Se ci pensiamo, il tristemente famoso tumore al seno è inizialmente individuato come una massa dura al tatto. Non si sa ancora esattamente come fanno, ma le cellule che “sentono” un aumento di rigidità nell’ambiente che le circonda iniziano a riprodursi (proliferare) ed a spostarsi più velocemente. Lo spostamento delle cellule, detto migrazione, è alla base della disseminazione delle metastasi.

L’articolo di oggi parla di rigidità ed è particolare perché propone un concetto che potrebbe sembrare pseudoscientifico, ma che è reale e misurabile, seppure non sia ancora totalmente spiegabile.

L’idea: è possibile che le cellule si ricordino delle proprietà fisiche dell’ambiente in cui sono state e si comportino di conseguenza?

Per esempio: una cellula tumorale si trova in un habitat rigido. Una cellula che migra lontano dal tumore però sarà di nuovo in un ambiente soffice. Pur essendo in un ambiente soffice, la cellula fuggiasca potrebbe continuare a spostarsi velocemente visto che si è allenata in una zona rigida e magari le metastasi potrebbero venire fuori dalle cellule fuggiasce più allenate.

La risposta: ! Le cellule che sono state addestrate in uno spazio rigido si muovono più velocemente delle cellule senza addestramento.

Questa immagine è stata creata seguendo per 3 giorni la migrazione di un gruppo di cellule.

Picture2

A velocità crescenti delle cellule corrispondono sfumature via via più accese di rosso. Nella colonna di destra ci sono le cellule addestrate alla rigidità (stiff priming) e, anche senza capire perfettamente l’immagine, si vede subito che a destra c’è più rosso che a sinistra.

Non è chiaro come facciano le cellule a ricordarsi di questo addestramento.

Gli autori propongono che c’entri qualcosa una proteina chiamata YAP, già nota ai meccanobiologi perché necessaria alle cellule per interpretare la rigidità del loro habitat. YAP si accende in spazi rigidi, ma si spegne rapidamente non appena la cellula arriva in uno spazio soffice. Quindi YAP non può essere la sola spiegazione di questo effetto memoria delle cellule che per ora resta un intrigante mistero!


Qui il link alla ricerca originale:

10.1016/j.biomaterials.2017.09.012

P.s. Come abbiamo già scritto in passato, non consigliamo affatto di usare sci-hub per accedere gratuitamente alle ricerche!  😉