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