Organelli sani, cellule sane

Per molto tempo si è pensato che il contenuto delle cellule fosse piuttosto destrutturato e caotico: una miscela di proteine, DNA e molte piccole molecole metaboliche. Si sapeva che importanti processi cellulari nelle piante e negli animali avvengono in organelli - strutture più grandi racchiuse da una membrana, come il nucleo cellulare o i mitocondri. Tuttavia, solo negli ultimi anni gli scienziati hanno scoperto che esiste un altro tipo di struttura che svolge un ruolo decisivo nell'organizzazione dei processi cellulari: i cosiddetti organelli senza membrana. Si tratta di minuscole goccioline che si formano in modo auto-organizzato, analogamente al modo in cui le goccioline di olio vengono secrete nell'acqua.

Oggi ci sono molte indicazioni che indicano che questi compartimenti sono di grande importanza per la medicina: Si ritiene che siano coinvolti nello sviluppo di circa 40 malattie neurodegenerative, tra cui il morbo di Alzheimer, la malattia di Huntington e la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), tutte attualmente incurabili.

"I ricercatori stanno scoprendo sempre più processi biologici che avvengono in questi organelli separatamente dal resto del contenuto della cellula", afferma Karsten Weis, professore di biochimica all'ETH di Zurigo. Insieme al suo team, ha studiato il principio di formazione degli organelli senza membrana e la regolazione di questo processo.

Proteine che si uniscono

I biochimici dell'ETH hanno analizzato una famiglia specifica di proteine, le cosiddette ATPasi DEAD-box. In tutti gli organismi - batteri, piante e animali - queste proteine agiscono come una sorta di interruttore molecolare: una volta legata la molecola di accumulo energetico adenosina trifosfato (ATP), legano e trasportano anche l'RNA, il modello per la produzione di proteine che viene trascritto dal DNA.

In ogni organismo, alcune di queste ATPasi DEAD-box contengono una sorta di braccio flessibile che è composto solo da un piccolo sottoinsieme dei 20 aminoacidi totali. "Questo è sorprendente e indica una funzione speciale", dice Weis. Lui e il suo team hanno inizialmente studiato le ATPasi del lievito. Hanno modificato i bracci flessibili con metodi di ingegneria genetica e poi hanno analizzato le proteine in provetta e in cellule di lievito vive. Si sono resi conto che questi bracci flessibili sono responsabili della formazione e della regolazione degli organelli senza membrana.

"I domini flessibili sono altamente solubili nell'ambiente acquoso della cellula", spiega Weis. Ma non appena molte molecole di ATPasi si uniscono, queste parti flessibili fanno sì che le proteine si leghino tra loro", spiega Weis, "Le ATPasi si condensano in grandi assemblaggi. Questo provoca una separazione di fase simile a quella dell'olio nell'acqua: si formano organelli cellulari senza membrana. Ulteriori indagini con ATPasi DEAD-box provenienti da cellule umane e batteriche hanno mostrato ai ricercatori che questo processo funziona in modo molto simile in tutti gli organismi.

Gli organelli creano ordine

Inoltre, le ATPasi non solo assicurano la formazione auto-organizzata degli organelli, ma regolano anche il trasporto di molecole di RNA e proteine in queste strutture attraverso il loro legame ATP-dipendente con l'RNA. Le molecole di RNA vengono raccolte in queste strutture. Weis e i suoi colleghi ritengono possibile che vengano elaborate o degradate in queste strutture, o semplicemente conservate per un certo periodo.

Nelle cellule viventi, i ricercatori dell'ETH hanno persino osservato come l'RNA venga incanalato attraverso diversi organelli senza membrana. "Questo indica che le molecole di RNA vengono elaborate passo dopo passo in diversi organelli", spiega Weis. Un organello è responsabile della prima fase del processo, l'altro dell'elaborazione successiva, come in una catena di montaggio.

Una ricerca più mirata in futuro

Tuttavia, gli organelli senza membrana sono inclini al fallimento. Con il tempo, possono trasformarsi in aggregati rotti e appiccicosi, grumi che non sono più fluidi. "Sono questi aggregati permanenti nelle cellule a scatenare le malattie neurodegenerative", spiega Weis. I risultati del suo gruppo di ricerca indicano ora che le ATPasi DEAD-box hanno il compito di mantenere gli organelli allo stato liquido, evitando così la formazione di pericolosi aggregati.

Ora che i biochimici hanno capito come vengono regolati questi organelli senza membrana, possono studiare il fenomeno in modo più mirato rispetto al passato. Ad esempio, attivando e disattivando l'attività delle ATPasi e osservando l'effetto sugli organelli e sulle cellule. In questo modo, i ricercatori dell'ETH sperano di scoprire come i compartimenti senza membrana siano coinvolti nello sviluppo delle malattie.