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:

http://sci-hub.tw/https://doi.org/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!  😉

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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 🙂

 

 

Il fattore C… nella scienza

Alzi la mano chi non ha mai sentito dire che le grandi scoperte scientifiche sono avvenute per caso.

Pensiamo per esempio alla scoperta della penicillina: Alexander Fleming aveva lasciato il laboratorio in disordine con batteri che crescevano nelle sue provette. Al ritorno dalle vacanze, in uno dei suoi tubi si era formata addirittura della muffa, però… in quel tubo i batteri erano tutti morti! E in quella muffa, scoperta per caso, c’era il primo antibiotico del mondo, la penicillina!

Ma è proprio vero che tutte le più grandi scoperte scientifiche sono dovute al caso?

Il dottor Ohid Yaqub si è posto questa domanda ed ha deciso di analizzare in maniera scientifica il caso.

Ha studiato più di 100 storie prese da ritagli di giornali degli ultimi 200 anni ed ha proseguito con rigore scientifico identificando 4 tipi diversi di caso che abbiamo riassunto in questa tabella:

 

Sto studiando un problema preciso? SI Sto studiando un problema preciso? NO
Sto cercando soluzioni a problemi, ma sto studiando altri problemi, non quello per cui trovo la soluzione Caso A → ma la soluzione che ho trovato risolve un altro problema (il caso di Fleming e della penicillina) Caso B → faccio un’osservazione che potrebbe risolvere un problema che non esiste ancora (chi conosce la storia di Benedictus e del vetro infrangibile che ci salva la vita in macchina?)
Sono esperto del problema che risolvo, ma la soluzione la trovo per sbaglio Caso C → mentre studio, faccio un errore nelle mie ricerche e voilà, la soluzione arriva per sbaglio (vedi la storia di Goodyear e la gomma per pneumatici) Caso D → casualmente mi trovo ad osservare un fenomeno e mi rendo conto che questo fenomeno potrebbe risolvere un problema che conosco (ecco come Wells, un medico, ha scoperto il primo anestetico della storia)

Yaqub ha notato che il caso è reso possibile da persone con:

  • una buona formazione teorica,
  • ottime capacità di osservazione,
  • interessi interdisciplinari.

In più, sembra che nella ricerca gli errori paghino (e qui sul blog ci suona un campanello), quindi non si deve puntare a rendere la ricerca un macchinario efficiente al 100%, ma si devono tollerare degli errori (cosa invece non ammissibile in un processo industriale).

Non è una cosa fantastica?? Attendiamo con ansia i prossimi risultati del dott. Yaqub.

Image result for fattore c fortuna serendipity

Qui il link alla ricerca originale: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048733317301774?via%3Dihub

Meccanici acrobati che riparano microscopici camion in corsa

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Ecco un’immagine tridimensionale di una struttura più che microscopica!

 

 

Avete degli occhialini 3D tipo questi?

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Provate a guardare l’immagine e vedrete che i puntini nella foto di destra sono in rilievo!  

Ma cerchiamo di renderci conto delle dimensioni del soggetto di queste foto. Guardatevi un capello. Quanto è spesso? Per aiutarci abbiamo preso l’immagine ingrandita di un capello da wikipedia: (https://it.wikipedia.org/wiki/Capelli#/media/File:Human_hair_2000X_-_SEM_MUSE.tif)

img4Vedete quella macchietta su cui punta la freccia, al di sotto dell’immagine del capello? Quella è la nostra foto 3D!!

Una simile risoluzione è resa possibile grazie all’uso di un microscopio elettronico a trasmissione che, con una tecnica neanche troppo complicata, ci permette di fare foto in 3D all’interno della cellula!

Già di per sé questo è sbalorditivo, ma cosa hanno fotografato i ricercatori?

La cellula è come una città in miniatura, con un via vai incredibile di macchine e camion che trasportano merci e persone da un posto all’altro. Nella foto vediamo una “grande” palla con tante piccole palline attaccate sopra. Anche per i ricercatori è difficile riconoscere queste strutture così piccole, quindi i piccoli pallini sono stati colorati di viola al computer.

La “grande” palla è un camion pieno di materiale che viaggia dentro la cellula. Il camion (in gergo tecnico parliamo di endo-lisosomi) trasporta cibo, pezzi per costruire e riparare varie strutture, o sostanze di rifiuto come per esempio dei microscopici frammenti di metalli che respiriamo nel traffico cittadino. In più certi batteri, forti dei loro miliardi di anni di evoluzione, hanno trovato il modo di usare questi camion per farsi trasportare senza rischio all’interno delle cellule per conquistarle ed usarle per i loro scopi malvagi.

I pallini viola sono dei meccanici (in gergo ESCRT.. Dall’inglese “escort” che vuol dire accompagnatore). I meccanici erano già conosciuti, ma non si sapeva assolutamente che potessero andare sui camion! Cosa ci fanno su questi camion? Possibile che stiano tentando una riparazione in corsa?  

Due gruppi diversi di ricercatori hanno dimostrato che questo è proprio ciò che sta succedendo nella foto. Dei meccanici infinitamente piccoli si buttano su un camion in corsa per ripararlo.. E qualcuno è riuscito a fotografarli!

Perché lo fanno? Le cellule in genere non fanno cose inutili, quindi se decidono di far correre un tale rischio ai meccanici ci deve essere un motivo.

Abbiamo detto che i camion possono trasportare batteri e sostanze di rifiuto. Questi carichi però danneggiano il camion e spesso un camion danneggiato scoppia causando la morte della cellula e l’infiammazione della parte di corpo in cui la cellula vive. Per evitare di morire, la cellula ha addestrato questi meccanici a fare riparazioni acrobatiche. In certi casi è comunque opportuno lasciare i meccanici a terra: se i danni sono troppo grandi è inutile riparare. In questo caso interverranno gli spazzini per isolare il camion e smaltirlo senza danni per la cellula (un processo detto autofagia).

Adesso che sappiamo di cosa sono capaci, sarà possibile provare ad addestrare i meccanici a riconoscere i camion pieni di batteri in modo che li portino dagli spazzini, o a fare acrobazie ancora più folli per salvare i camion e ridurre le infiammazioni che potrebbero sfuggire al controllo del nostro corpo.


Ecco qui i link alle due ricerche originali:

http://science.sciencemag.org/content/360/6384/eaar5078 (la foto viene da qui)

https://www.biorxiv.org/content/early/2018/05/03/313866


 

OH NOO! Uno dei due articoli è a pagamento!

Sci-hub è un sito brutto e cattivo che ci permette di aprire aggratis gli articoli a pagamento. Siccome tale sito è brutto e cattivo, noi non ci sogneremmo mai di utilizzarlo! Poi cambia sempre dominio quindi bisogna cercare ogni volta l’ultima versione su google.. Una noia! Mooolto meglio pagare 50€ per ogni articolo! Mi raccomando: Non cercate Sci-hub su google e non incollate il titolo dell’articolo nella barra che appare con le scritte in cirillico premendo poi invio! 🙂

Un 10% di matti

In un film catastrofico di quelli tutti uguali tra loro che però a me piace guardare anche se non ne ricordo i titoli e mescolo le trame, l’umanità è sull’orlo dell’estinzione a causa di un virus inarrestabile. Proprio quando sembra che non sia rimasto più niente da fare, ecco che alcune persone infettate guariscono naturalmente e da esse si estraggono gli anticorpi per salvare il genere umano.

Il biologo che scopre questo miracolo commenta che grazie alle differenze intrinseche tra gli uomini ci sarà sempre almeno un 10% di persone resistenti e grazie a questo 10% l’umanità non sarà mai completamente debellata da una malattia.

Tralasciando il fatto che sarei curioso di sapere come ha fatto il nostro eroe a calcolare che la percentuale salvifica dell’umanità fosse proprio il 10%, questo film per quanto stupido racchiude un concetto di una bellezza disarmante: siamo diversi, e questa è la ricchezza più grande che abbiamo..

 

La diversità salverà il mondo… Continua la lettura qui: Intro – Un 10% di matti