Strumento multifunzionale della cellula

Le cellule si trovano spesso di fronte al problema di essere circondate da una nuvola di odore promettente e di crescere in direzione della fonte di odore. Le cellule nervose, ad esempio, formano lunghe proiezioni che vengono attratte dai segnali di altre cellule, formando così la rete del sistema nervoso; i fagociti riconoscono gli odori degli agenti patogeni per inseguirli e distruggerli in modo mirato.

Ma come fanno le cellule a percepire questi segnali odorosi, che diventano sempre più deboli quanto più si allontanano dalla fonte? Come fanno le cellule a "leggere" questa attenuazione del segnale - tecnicamente nota come gradiente di segnale - per dirigere la loro crescita o il loro movimento nella direzione della fonte del segnale? Per la biologia, il modo in cui vengono percepiti i segnali spaziali è una domanda fondamentale e un mistero in gran parte irrisolto.

Sensore, processore e motore in uno

I ricercatori guidati dal Fare all'ETH Matthias Peter dell'Istituto di biochimica hanno ora presentato una possibile soluzione: le cellule di lievito hanno almeno uno strumento multifunzionale regolabile molto finemente che riconosce i segnali chimici e li elabora di conseguenza, oltre ad avviare la reazione corretta - la crescita in direzione della fonte del segnale. In questo modo le cellule di lievito sono in grado di fiutare la presenza di potenziali partner sessuali nell'ambiente, in modo da poter crescere verso di loro.

Per il loro studio, i biologi si sono basati su osservazioni al microscopio da un lato e su un modello computerizzato dall'altro, sviluppato in collaborazione interdisciplinare con i ricercatori del Laboratorio di controllo automatico guidato da Heinz K?ppel (ora alla TU Darmstadt).

Agglomerati di proteine su richiesta

Se la cellula sospetta un gradiente di segnalazione nel suo ambiente, assembla lo strumento multifunzionale in una posizione casuale sulla membrana. Questo strumento è un grande complesso proteico che consiste in oltre 100 componenti diversi. Il complesso è così grande che può essere visto al microscopio a fluorescenza. I ricercatori lo chiamano "sito di polarità" (PS) perché la crescita polare avviene dove si forma.

Utilizzando la microscopia a fluorescenza, i ricercatori sono riusciti a osservare come il PS trova la sorgente del segnale di un gradiente. In primo luogo, il PS si muove lungo la membrana per rilevare il prossimo segnale più forte. Non appena il PS ha rilevato il segnale più forte - la maggiore quantità di sostanza segnaletica nel gradiente - si ferma. A questo punto, il PS forma una protrusione della cellula, che continua a crescere in direzione della fonte di segnalazione. Naturalmente, il segnale è prodotto da un partner sessuale ed entrambe le cellule si fondono non appena si sono trovate.

Il modello riduce la struttura complessa

I ricercatori hanno utilizzato il modello computerizzato per comprendere la meccanica molecolare di questo processo. "Questo modello ci ha aiutato molto a ridurre la complessità del PS e del processo a poche singole parti essenziali", afferma Bj?rn Hegemann, primo autore dello studio pubblicato sulla rivista Development Cell. Queste singole parti essenziali del macchinario includono un recettore che riceve e trasmette il segnale. Comprendono anche la proteina Cdc42, che guida il recettore lungo la membrana, e la proteina Cdc24, che regola l'attività di Cdc42. "Si potrebbe descrivere il recettore come il naso, Cdc42 come la ruota del macchinario e Cdc24 come il suo freno", dice Hegemann.

Finché il PS si muove sulla membrana cellulare e cerca un segnale chimico più forte, nel macchinario sono presenti solo poche molecole della proteina freno Cdc24. Una volta trovata la concentrazione massima del segnale, ordina al complesso altre molecole di Cdc24, che sono immagazzinate nel nucleo della cellula. Più queste si attaccano alla macchina PS, più questa diventa lenta. Ma è solo quando si supera un certo limite di Cdc24 che la PS si ferma completamente e inizia a formare la protrusione cellulare.

Un'importante prima pietra

"Abbiamo prima osservato il movimento del sito di polarità utilizzando un microscopio a fluorescenza. Abbiamo poi simulato questo movimento al computer e sviluppato un'ipotesi su come controllare il movimento. Siamo stati poi in grado di confermare questa ipotesi sperimentalmente utilizzando mutazioni e il microscopio a fluorescenza", afferma Hegemann, soddisfatto dei nuovi risultati. Il modello computerizzato relativamente semplice ha fornito un'ottima base per la pianificazione degli esperimenti. I ricercatori sono stati in grado di cambiare i componenti del modello molto rapidamente, riconoscendo così ciò che era importante senza bisogno di esperimenti. Questo ha semplificato lo studio, in quanto non è stato necessario testare tutto a livello sperimentale.

Hegemann ipotizza che uno strumento multifunzionale come il sito di polarità non sia utilizzato solo nelle cellule di lievito. Un comportamento simile di un PS è stato osservato anche nel lievito di fissione (S. pombe) e nel nematode (C. elegans), ma non è ancora stata trovata una spiegazione molecolare. I ricercatori dell'ETH sono ora riusciti a fornirla e a spiegare per la prima volta in dettaglio come le cellule riescano a trovare un gradiente di odori. Questo lavoro pone una base importante per ulteriori studi sulla percezione della segnalazione spaziale delle cellule di lievito e umane. Secondo Hegemann, al momento non ci sono applicazioni mediche dirette: "In un futuro lontano, questo lavoro potrebbe essere utile al grande pubblico. Al momento, rappresenta soprattutto un'importante acquisizione di conoscenze nella ricerca fondamentale".