Mitosi

Le cellule ci insegnano l’economia circolare

Il riuso dei beni sta finalmente prendendo piede nelle nostre città. Conosciamo numerose app anti-spreco (per esempio Too Good To Go, per il cibo) e le usiamo per ridurre il nostro impatto ambientale.

Ma stiamo davvero facendo qualcosa di nuovo? Da più di un miliardo di anni, le nostre cellule usano un processo antispreco chiamato autofagia: organelli e proteine difettose vengono raccolte da ispettori specializzati, LC3B e GABARAP, che le portano ai lisosomi per smontarle e riutilizzarne i pezzi.

Questo sistema super-efficiente ci permette di sopravvivere anche in mancanza di risorse: se il cibo scarseggia, gli organelli malandati vengono smontati grazie all’autofagia ed usati come nutrimento.

L’autofagia può essere attivata anche solo in regioni specifiche della cellula in modo da controllare precisi eventi cellulari. Per esempio, la mito-fagia (autofagia dei mitocondri) ricicla i mitocondri danneggiati controllando così la respirazione cellulare. Ogni “tipo” di autofagia è regolato da meccanismi ancora sconosciuti. Studiare tali meccanismi potrebbe servire per curare le malattie causate da difetti nell’autofagia, come per esempio i tumori.

Gli Scienziatimatti di oggi hanno osservato che il processo di divisione cellulare, la mitosi, era più lento nelle cellule in cui l’autofagia era difettosa.

Sinistra = cellula normale che si sta dividendo (siSCR). Destra = cellula in cui l’autofagia è difettosa (la proteina ULK1 è stata eliminata con la tecnica RNA interference, siULK1) che non riesce a dividersi in così poco tempo. In verde il DNA (H2B) ed in rosso i microtubuli (Tubulina) – (riadattata da: Holdgaard. et al 2019).

Una cellula che si divide deve copiare il DNA e compattarlo nei cromosomi per distribuirlo in parti uguali alle due cellule figlie. Dei filamenti detti microtubuli si dispongono a creare dei binari che condurranno i cromosomi ai due estremi della cellula in divisione. I microtubuli nascono da un organello, il centrosoma, il quale nella mitosi si spezza in due. I due frammenti si allontanano portandosi dietro ognuno un’estremità diversa dei microtubuli, formando una struttura bellissima da vedere chiamata fuso mitotico.


In rosso il Fuso Mitotico (tubulina), in verde i frammenti di centrosoma (gamma-tubulina), ed in blu in DNA (DAPI). Nella prima riga vediamo cellule normali (siSCR), nella seconda (siULK1) e nella terza (siATG7) cellule in cui l’autofagia non funziona perché le proteine ULK1 o ATG7 sono state eliminate e quindi ci sono tanti frammenti di centrosoma. Le barre bianche corrispondono a 10 µm (riadattata da: Holdgaard. et al 2019).

Nelle cellule in cui l’autofagia era difettosa, gli Scienziatimatti osservavano spesso tre o più pezzetti di centrosoma, come se l’organello si fosse rotto in più punti (vedi figura sopra, immagini verdi).

Questo difetto è molto grave perché la cellula ha solo due copie dei cromosomi e se i microtubuli tirano in più direzioni, il DNA si distribuirà in maniera sbagliata nelle due cellule figlie, cosa frequente nei tumori.

Per capire cosa stava succedendo, i ricercatori hanno fatto una lista di tutte le proteine che vengono prese dagli ispettori LC3B e GABARAP ed hanno scoperto che i GABARAP raccoglievano le proteine dei satelliti centriolari, una struttura che avvolge i centrosomi e collabora con loro.

Si trattava forse di un nuovo meccanismo di autofagia? Come verificare questa possibilità?

1.       Bloccare l’autofagia eliminando due proteine necessarie per questo processo. Se i satelliti centriolari sono digeriti dall’autofagia, adesso dovrebbero accumularsi.. ed è proprio quello che vediamo qui:

Nelle immagini di microscopio a sinistra: in verde i satelliti centriolari (PCM1), ed in blu in DNA (DAPI). Nella prima colonna vediamo cellule normali (siSCR), nella seconda (siULK1) e terza (siATG7) cellule in cui l’autofagia non funziona e dove si accumula quindi PCM1. La riga bianca corrisponde a 10 µm.
Le immagini a destra sono un Western Blot: le cellule vengono spaccate e le proteine al loro interno vengono analizzate con degli anticorpi. Le bande nere che vediamo corrispondono alla proteina scritta a destra. Più la banda è scura, più proteina c’è. Prima di essere spaccate, le cellule sono state trattate con Bafilomicina (Baf), un farmaco che blocca l’autofagia. Così, le proteine che normalmente vengono mangiate dall’autofagia si accumulano. LC3B è conosciuta per essere mangiata dall’autofagia ed è quindi un controllo positivo. Vinculin non è toccata dall’autofagia e non varia nell’esperimento. Le proteine dei satelliti centrosomali si accumulano! (Da Holdgaard. et al 2019).

2.       Togliere alla cellula il nutrimento in modo da obbligarla a fare più autofagia. Ora i satelliti centriolari dovrebbero diminuire.. ed ancora una volta i dati confermano l’ipotesi! Per di più, bloccando l’autofagia con un farmaco si può evitare la diminuzione dei satelliti centriolari!

Di nuovo un Western Blot: Le bande nere che vediamo corrispondono alla proteina scritta a destra. Più la banda è scura, più proteina c’è. Prima di essere spaccate, alle cellule è stato tolto il nutrimento (EBSS) per aumentare l’autofagia. Allo stesso tempo, un altro gruppo di cellule a digiuno è stato trattato con bafilomicina per bloccare l’autofagia (EBSS+Baf). p62 è conosciuta per essere mangiata dall’autofagia ed è quindi un controllo positivo (come LC3B nell’imagine precedente). Vinculin non è toccata dall’autofagia e non varia nell’esperimento. I centrosomi satellitari si comportano come le proteine mangiate dall’autofagia (da Holdgaard. et al 2019).

Grazie agli Scienziatimatti di oggi, adesso conosciamo un nuovo tipo di autofagia, la dorifagia (dal greco doryforos, satellite), necessaria perché la divisione cellulare vada a buon fine e quindi fondamentale per il nostro sviluppo e la nostra vita.


Qui il link alla ricerca originale: https://www.nature.com/articles/s41467-019-12094-9

Predire l’evoluzione?

Chi ha letto Origin di Dan Brown si ricorderà forse del genio informatico che crea una simulazione al computer dove in pochi minuti ricapitola i miliardi di anni di evoluzione della vita sulla terra, un po’ come quando riproduciamo un video su youtube a 2x! Nel libro la simulazione al computer viene lasciata scorrere per predire in che direzione sta andando l’evoluzione dell’uomo.

Bisogna sapere che l’evoluzione si basa su due grandi pilastri:

  • Mutazioni casuali nel DNA che possono produrre cambiamenti nel modo di funzionare di un organismo.
  • L’ambiente che seleziona gli organismi più adatti, quelli che si riprodurranno di più, diffondendo più rapidamente le loro mutazioni nella popolazione.

Ma se le mutazioni sono completamente casuali, allora non c’è modo di prevederle.

Non è certo una sorpresa che Dan Brown abbia scritto pura fantascienza; in fondo il suo è un romanzo senza troppe pretese di autenticità.

EPPURE… I nostri eroi di oggi, chissà se ispirati anch’essi da Dan Brown, hanno provato ad addestrare un computer a predire l’evoluzione di Escherichia coli, un batterio utilizzato nei laboratori di tutto il mondo. E qui non si parla più di un romanzo, ma di uno studio pubblicato su Nature Communcations, un autorevole giornale scientifico!

L’idea: analizzare batteri cresciuti in condizioni avverse, come per esempio carenza di ossigeno o presenza di antibiotici, in modo da provare a forzare l’evoluzione in una certa direzione. Analizzando il DNA dei batteri prima e dopo averli sottoposti a vari stress ambientali, forse sarà possibile individuare uno schema evolutivo.

La risposta: sconvolgente! Effettivamente, uno schema evolutivo è stato individuato!

Si è visto che alcuni geni mutano sempre per primi indipendentemente dal tipo di stress, altri geni invece mutano solo in risposta a certi tipi di stress, ed infine ci sono pezzi di DNA superresistenti alle mutazioni che non cambiano mai (che sono, guarda caso, geni vitali per il batterio).

I nostri scienziati matti hanno allora pensato di simulare l’evoluzione al computer e lasciarla scorrere per predire i cambiamenti prima che avvenissero. Per finire, degli Escherichia coli sono stati fatti crescere e sono stati analizzati per verificare le predizioni del computer.

Sembra magia, ma non lo è… questa intelligenza artificiale è stata in grado di prevedere correttamente il 35% delle mutazioni dei batteri! Per di più l’efficacia di questo sistema aumenterà quanti più dati si danno in pasto alla macchina (ogni esperimento nuovo migliorerà l’efficacia del computer).

 

Certo, i batteri sono un modello semplice ed in questo esperimento l’ambiente era controllato. Siamo ancora lontani dal poter predire l’evoluzione di un animale più complesso in un ambiente naturale. Tuttavia i risultati mostrati in questo articolo potrebbero tornarci utili già in poco tempo, vista la velocità con cui stanno comparendo batteri super-resistenti agli antibiotici. Se per esempio faccio crescere dei batteri in presenza di penicillina vedo che a poco a poco i piccoli mostri diventano resistenti. Ma se posso predire come i batteri si armeranno contro gli antibiotici, posso correre ai ripari prima che il danno sia fatto!
Non ancora ai livelli di Dan Brown, ma… futuro, stiamo arrivando!!


Qui il link alla ricerca originale: https://rdcu.be/5TMg

Tesoro, mi si sono ingrandite le cellule!

3b-4Wooow!! Questo è quello che ci siamo detti in laboratorio quando siamo riusciti a generare l’immagine 3D che vedete qui.

Magari qualcuno sa già cosa stiamo guardando… si tratta di una cellula in mitosi, ovvero una cellula che si sta sdoppiando per dare origine a due cellule figlie. In rosso vediamo lo scheletro della cellula (i microtubuli) ed in blu il DNA organizzato in cromosomi.

Ma per quanto sia bello e ipnotico guardare questa ricostruzione 3D di cellule col loro DNA, il nostro WOW era dovuto alla tecnica particolare che abbiamo usato per produrre questa immagine: l’Expansion Microscopy. Tale tecnica è stata messa a punto da un gruppo di ricercatori di Boston, che si sono guadagnati quindi il posto d’onore nell’articolo di oggi.

Alla base dell’Expansion Microscopy ci sono un problema complesso ed una soluzione tanto semplice quanto geniale.

Il problema: ogni sistema ottico, che sia l’occhio umano, una lente di ingrandimento, un microscopio o un telescopio, possiede una certa risoluzione. La risoluzione è la distanza minima che può esserci tra due punti affinché si capisca che i due punti sono effettivamente separati. Se per esempio mettiamo su un tavolo 2 granelli di pepe a mezzo millimetro di distanza l’uno dall’altro e chiediamo a qualcuno un po’ lontano dal tavolo di contare i granelli, probabilmente la nostra cavia non saprà dirci se i granelli sono 1, 2 o magari 3. Lo stesso problema c’è anche con i telescopi (chi conosce le stelle binarie?) e con i microscopi. Per via di alcune proprietà fisiche delle lenti (le lenti dei nostri occhi, ma anche quelle dei microscopi ottici e dei telescopi) la risoluzione massima che può essere raggiunta anche dal microscopio ottico migliore del mondo è di circa 200 nanometri, ovvero 0,0002 millimetri. Certo, è una distanza molto piccola, ma nelle cellule abbiamo a che fare con delle vere e proprie miniature e a volte questa risoluzione non basta.

La soluzione: I nostri eroi hanno pensato che se i microscopi non potevano più essere migliorati, allora forse era il momento di migliorare le cellule! Perché non ingrandirle prima di osservarle? Avete presente quei dinosauri che si gonfiano in acqua? Il principio è lo stesso!

Con questa soluzione semplice alla portata di ogni laboratorio del mondo, i ricercatori hanno aumentato la risoluzione di un normale microscopio di circa 5 volte. Adesso possiamo distinguere due oggetti distanti solo 50 nanometri! Andate a vedere le foto originali nella ricerca: gli scienziati pazzi non si sono fermati alle cellule, ma hanno ingrandito dei pezzetti di cervello ed hanno fatto una ricostruzione in 3D dei neuroni come non se n’erano mai viste prima!

 

Spoiler alert: No, purtroppo non si possono produrre mostri giganti con questa tecnica.. ne siamo rimasti tutti delusi, ma l’amara verità è che bisogna bloccare (in gergo scientifico si dice fissare) le cellule o i tessuti che si vogliono analizzare. Il processo di fissazione uccide le cellule, quindi si potranno espandere solo cose morte…


Qui il link alla ricerca originale: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4312537/

Elefanti e zombie per combattere i tumori

Più o meno tutti abbiamo sentito dire che i tumori sono causati da mutazioni nelle istruzioni delle nostre cellule (il DNA). Quando una cellula decide di sdoppiarsi per dare origine a due cellule figlie, deve creare una copia del DNA. Come un monaco benedettino, la cellula copia una ad una le lettere del suo libretto di istruzioni, ma, proprio come succedeva ai monaci benedettini, ogni tanto ci scappa un errore. Ecco che a volte questo errore può essere grave al punto da causare un tumore.

Quand’è che una cellula deve sdoppiarsi, o meglio, dividersi? Quando cresciamo, quando ripariamo ferite, quando facciamo “ordinaria manutenzione” dei nostri tessuti, … in poche parole più si cresce (stiamo parlando proprio di crescere di dimensioni) e più si invecchia, più divisioni faranno le nostre cellule.

Se ad ogni divisione cellulare c’è il rischio di creare errori nel DNA, e se è vero che 2 più 2 fa 4, allora più si cresce, più si invecchia e maggiore è il rischio di avere tumori. Matematicamente logico, vero? E invece NO! O meglio: biologicamente NI!

Quanto detto è vero in parte: statisticamente, persone più alte (fatte quindi da più cellule) avranno un rischio maggiore di sviluppare tumori rispetto a chi è di bassa statura (non tutti gli spilungoni svilupperanno un tumore, eh! È un’osservazione fatta sui grandi numeri). Sempre statisticamente, i bambini sviluppano meno tumori degli anziani, in quanto le cellule che compongono il loro corpo si sono divise meno volte.

Ma… E qui viene il bello della ricerca che presentiamo oggi… se è vero che più si cresce e più si rischia di avere tumori, allora grandi animali come gli elefanti dovrebbero avere tumori ovunque! Eppure gli elefanti sono straordinariamente refrattari a sviluppare tumori! Com’è possibile? Questo fenomeno è conosciuto come il paradosso di Peto, dal primo studioso che lo ha descritto.

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I ricercatori sono andati a leggersi i libretti d’istruzioni delle cellule di elefante ed hanno scoperto una sequenza di lettere (un gene) che nell’uomo è stata in qualche modo dimenticata. Questo gene, chiamato LIF6, spiega alla cellula come costruire una proteina che provocherà la morte della cellula stessa (processo detto apoptosi). Gli elefanti normalmente tengono spento il gene, che si attiva però se il DNA di una cellula viene danneggiato così da eliminare sul nascere cellule pericolose.

Nell’uomo esistono meccanismi simili per uccidere le cellule difettose, ma questo particolare gene LIF6 è stato spento nel corso dell’evoluzione. Attenzione però! Il gene è ancora scritto nel nostro libretto di istruzioni. Semplicemente è nascosto e le nostre cellule non possono più andarselo a leggere liberamente. Si parla quindi di pseudogene o gene zombie. Chissà se in futuro si riuscirà a sfruttare anche nell’uomo la potenzialità di questo meccanismo degli elefanti.

Un bravo a questi ricercatori che hanno davvero saputo pensare fuori dal vaso (nel vaso non ce li avrebbero mai trovati gli elefanti!) e percorrere vie non battute nella lotta ai tumori!


Qui il link alla ricerca originale: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2018.07.042

Tricheco

P.S. se a qualcuno non piacessero gli elefanti, i ricercatori hanno trovato lo stesso gene e lo stesso meccanismo anche nei trichechi 🙂

Nuove forme di vita semi-artificiali!!

Da che mondo è mondo l’alfabeto ha 26 lettere e con quelle, e solo quelle, possiamo scrivere tutte le parole che esistono.

Ma un giorno uno scienziato si è svegliato ed ha pensato: cosa succede se aggiungo 2 lettere a caso nell’alfabeto? Posso forse generare nuove parole? Oppure semplicemente distruggo le parole già esistenti e non succede niente?

A quanto pare, aggiungendo lettere al nostro già completo alfabeto è possibile creare delle nuove parole che saranno lette da chi possiede le istruzioni.
Image result for etL’alfabeto di cui parliamo però non è quello della lingua italiana, ma è quello delle cellule: il codice genetico. Il codice genetico è scritto usando 4 lettere che vengono lette a gruppi di 3 alla volta.

Tra gli appassionati di film magari qualcuno si ricorderà di E.T., dove gli scienziati guardando il DNA alieno urlano: il suo codice genetico è formato da 6 basi, 2 in più delle nostre!

Oggi questo non è più vero soltanto in un film di Spielberg, ma è successo in un organismo reale! E l’essere vivente in questione, Escherichia coli, si è dimostrato in grado di leggere le basi in più e di utilizzarle secondo le istruzioni fornite dai ricercatori.


Qui il link alla ricerca originale: https://www.nature.com/articles/nature24659