Il Mitoribosoma decodificato

I ribosomi sono una sorta di dispositivo di decodifica della cellula. Sono in grado di decodificare il codice genetico che viene loro consegnato sotto forma di acido ribonucleico messaggero (RNA messaggero) e di tradurlo in una specifica sequenza di amminoacidi. Infine, questi complessi enzimatici assemblano gli aminoacidi in lunghe catene proteiche. Senza i ribosomi, le cellule non producono proteine. Questi complessi enzimatici sono quindi da tempo al centro dell'interesse della biologia per la loro funzione centrale.

Per comprendere meglio la funzione dei ribosomi, presenti in tutte le cellule, è necessario conoscere con precisione la loro struttura. Negli ultimi 15 anni, il professor Nenad Ban dell'ETH ha contribuito in modo significativo a chiarire la struttura dei ribosomi batterici, ma anche degli organismi superiori, gli eucarioti, che comprendono funghi, piante e animali. (cfr. L'ETH Vita dal 4.11.11)

Delucidazione strutturale con ostacoli

La struttura molecolare dei ribosomi presenti nei mitocondri, le centrali elettriche della cellula, era ancora in gran parte sconosciuta. Questi differiscono in modo significativo dai "normali" ribosomi del plasma cellulare. Mentre questi ultimi sono costituiti per il 60% da acidi ribonucleici (RNA) e per il 40% da componenti proteici, l'RNA costituisce solo poco meno di un terzo dell'intero complesso dei ribosomi mitocondriali. Uno dei motivi è che le molecole di RNA si sono notevolmente accorciate nel corso della storia evolutiva. I ribosomi mitocondriali sono localizzati principalmente sulla membrana interna dei mitocondri e sono presenti nella cellula in quantità molto minori rispetto ai ribosomi del plasma cellulare. Sono quindi più difficili da isolare e finora sono stati poco studiati.

Un team di ricercatori dei gruppi l'ETH di Nenad Ban e Ruedi Aebersold è riuscito a delucidare la struttura molecolare della cosiddetta grande subunità del ribosoma mitocondriale delle cellule di mammifero con una risoluzione di 4,9 angstrom (meno di 0,5 nanometri). A tale risoluzione è possibile vedere, ad esempio, i singoli gruppi fosfato delle molecole di RNA. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati come storia di copertina nell'ultimo numero di "Nature".

Una delle difficoltà è stata la quasi impossibilità di formare cristalli utili di ribosomi mitocondriali per la determinazione strutturale. Finora la cristallografia a raggi X è stata utilizzata per chiarire le strutture di grandi molecole biologiche. Ciò comporta l'isolamento della molecola, la sua cristallizzazione e la proiezione di raggi X attraverso di essa. I raggi vengono deviati sugli atomi, creando un modello specifico da cui è possibile calcolare le posizioni atomiche. Tuttavia, il cristallo deve essere sufficientemente grande e di alta qualità. Tuttavia, la grande subunità del ribosoma mitocondriale non era adatta a questo metodo perché la sua struttura è troppo eterogenea e non si poteva ottenere abbastanza materiale per la formazione del cristallo. "Avremmo avuto bisogno di centinaia di chilogrammi di fegato di maiale per isolare abbastanza materiale ribosomico per l'analisi strutturale cristallografica. Questo era impossibile anche dal punto di vista logistico", spiega Basil Greber, primo autore dello studio e dottorando del gruppo di Nenad Ban.

Successo con un'abile combinazione

I ricercatori dell'ETH hanno quindi utilizzato un'apparecchiatura di ultima generazione per la crio-microscopia elettronica ad alta risoluzione, disponibile solo di recente presso il Centro di microscopia elettronica dell'ETH di Zurigo (EMEZ) e presso il produttore dei microscopi. I ricercatori l'hanno utilizzata per scattare oltre un milione di immagini della grande subunità del ribosoma. Utilizzando le immagini, i ricercatori hanno ricostruito la rappresentazione tridimensionale di questa struttura con complessi calcoli su un cluster di computer.

Per interpretare la struttura calcolata nel modo più preciso possibile e per determinare l'esatta posizione delle molecole di RNA e di proteine all'interno del complesso enzimatico, i ricercatori hanno utilizzato anche un metodo del laboratorio di Ruedi Aebersold. Questo metodo è noto come "Chemical Cross Linking Combinato con la Spettrometria di Massa" (cfr. L'ETH Vita dal 18.9.12). I singoli componenti proteici del ribosoma vengono reticolati chimicamente, scomposti in peptidi per ulteriori analisi e sequenziati in uno spettrometro di massa. Questi dati possono essere utilizzati per determinare la struttura di un complesso proteico come il ribosoma o la sua grande subunità. Tuttavia, ciò richiede una grande potenza di calcolo, ed è per questo che il team di ricerca ha utilizzato il computer mainframe Brutus dell'ETH di Zurigo.

Grazie alla combinazione di questi metodi, i ricercatori sono stati finalmente in grado di creare il modello strutturale ad alta risoluzione della grande subunità del ribosoma mitocondriale con una precisione senza precedenti.

La chiave per la ricerca sulle malattie

Grazie alla loro nuova scoperta, i ricercatori dell'ETH sono ora in grado di spiegare perché i ribosomi mitocondriali sono permanentemente integrati nella membrana del mitocondrio: In prossimità dell'uscita del tunnel attraverso il quale le proteine appena sintetizzate lasciano il ribosoma, i biologi sono riusciti a localizzare una proteina che assomiglia alle proteine che servono come ancore di membrana. Ne deducono quindi che tale proteina di ancoraggio è stata integrata nel ribosoma nel corso dell'evoluzione per attaccarlo alla membrana mitocondriale in modo che le proteine appena sintetizzate siano trasportate direttamente a destinazione nella membrana.

I ricercatori sperano che la loro scoperta rivoluzionaria fornisca anche nuove conoscenze sul funzionamento e sulle disfunzioni di questo importantissimo organello della cellula. Difetti nel materiale genetico dei componenti dei mitocondri portano ad esempio a malattie muscolari o svolgono un ruolo nel cancro. Questo perché le cellule tumorali non solo hanno bisogno di molte sostanze nutritive per crescere rapidamente, ma anche di molta energia. Il loro metabolismo energetico si trova quindi in uno stato insolito, al quale i mitocondri probabilmente contribuiscono. Tuttavia, Nenad Ban sottolinea che al momento non sono state affrontate questioni applicative. "Con la struttura di questo ribosoma, stiamo fornendo una base importante su cui altri ricercatori possono basarsi", afferma. Il lavoro pubblicato è stato finanziato dal Centro nazionale di competenza per la ricerca (NCCR) in biologia strutturale del Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica.