Tomografia di una cellula con più vescicole lipidiche trasportate sulla superficie cellulare.
La scoperta di una nuova nanomacchina cellulare, il “nanocorriere” ExHOS, rivela come le cellule consegnano continuamente pacchetti molecolari essenziali alla loro superficie. Grazie a microscopia avanzata e intelligenza artificiale, i ricercatori hanno osservato per la prima volta questo processo chiave, aprendo nuove prospettive nello studio di infezioni, malattie rare e meccanismi vitali che mantengono in vita ogni cellula
La macchina invisibile che permette alle cellule di crescere e comunicare.
Un gruppo internazionale di ricercatori guidato dalla Pompeu Fabra University ha scoperto la nanomacchina che controlla l’esocitosi costitutiva: la consegna ininterrotta di pacchetti molecolari sferici alla superficie cellulare. Si tratta di un’attività essenziale presente in praticamente tutti gli organismi per preservare il benessere della cellula e altre funzioni vitali, come la comunicazione con l’esterno, la crescita e la divisione cellulare. Secondo Oriol Gallego (1), che ha guidato la ricerca, «nonostante sia una delle nanomacchine più grandi della cellula, la sua breve durata e il suo dinamismo hanno reso molto difficile catturarla». La scoperta di questo “nanocorriere” flessibile e transitorio ha richiesto la potenza combinata di molteplici microscopi e dell’intelligenza artificiale, fornendo informazioni senza precedenti su un processo chiave che avviene miliardi di volte al giorno nei nostri corpi. Inoltre, la comprensione dell’esocitosi potrebbe avere profonde implicazioni per il trattamento di alcune infezioni e malattie rare.
Ogni giorno, ogni cellula del nostro corpo trasporta tra 10.000 e 100.000 di questi pacchetti sferici verso la superficie cellulare per svolgere processi che richiedono il rilascio o l’esposizione di qualsiasi molecola all’esterno della cellula, come la secrezione di enzimi e ormoni, la riparazione di lesioni sulla superficie cellulare o semplicemente perché la cellula deve crescere, muoversi o cambiare forma. Pertanto, la consegna dei pacchetti alla superficie è essenziale perché è collegata a molti processi vitali che la cellula compie quotidianamente.
«La funzione di questo nanocorriere è così importante che è molto raro trovarlo mutato nei pazienti, poiché la sua alterazione comprometterebbe normalmente la vitalità dell’embrione», afferma i dottor Oriol Gallego, leader del gruppo di Biofisica nella Biologia Cellulare presso il Dipartimento di Medicina e Scienze della Vita (MELIS) della Pompeu Fabra University.
Sebbene vitale per la cellula, questo processo non è stato studiato in dettaglio fino a oggi, quando il laboratorio di Oriol Gallego, in collaborazione con il dottor Carlo Manzo (Universitat de Vic – Universitat Central de Catalunya), il dottor Daniel Castaño (Instituto Biofisika) e il dottor Jonas Ries (Max Perutz Labs), ha riportato la scoperta del “nanocorriere” sulla rivista Cell (2). Combinando alcuni dei più avanzati microscopi ottici ed elettronici con l’analisi delle immagini tramite intelligenza artificiale, hanno risolto l’organizzazione tridimensionale di questa nanomacchina e hanno filmato come essa cambi rapidamente struttura durante la consegna dei pacchetti sferici.
Come avviene la consegna molecolare: il nanocorriere in azione
Al centro di questa nanomacchina, il movimento concertato di sette complessi proteici costruisce un anello flessibile che mantiene i pacchetti sferici in posizione al loro arrivo a destinazione: la superficie cellulare. «Abbiamo chiamato questo nanocorriere ExHOS, acronimo di exocyst higher-order structure», spiega la dottoressa Marta Puig-Tintó (3), una delle principali autrici dello studio. «L’ExHOS presenta tre punti di controllo e un meccanismo di disassemblaggio che garantisce che la consegna dei pacchetti molecolari continui alla velocità richiesta».
«È come se ogni volta che la cellula deve consegnare un pacchetto pesante, una squadra di sette corrieri forti lavorasse insieme per farlo», spiega la dottoressa Sasha Meek (4), anch’essa autrice principale. «Poiché il pacchetto è così pesante, non possono semplicemente lasciarlo cadere tutto in una volta e devono abbassarlo in tre fasi. E quando hanno finito, hanno bisogno di una conferma di ricezione affinché la squadra di corrieri possa sciogliersi e procedere con altre consegne», aggiunge la giovane ricercatrice.
Esocitosi e ExHOS: il punto di raccordo tra patogeni e malattie umane
Approfondire la comprensione dell’esocitosi va ben oltre il semplice desiderio di sapere e potrebbe un giorno influenzare molti campi della scienza applicata. Ad esempio, le piante hanno bisogno dell’ExHOS per difendere le cellule dall’invasione microbica. Di conseguenza, molti fitopatogeni hanno sviluppato meccanismi per attenuare l’immunità delle piante attaccando l’ExHOS. Un buon esempio è Magnaporthe oryzae, noto anche come fungo della bruciatura del riso, che causa la perdita di fino a un terzo della produzione mondiale di riso.
Negli esseri umani, diversi virus come SARS-CoV-2, HIV o batteri patogeni come Salmonella si comportano in modo simile e dirottano l’esocitosi durante l’infezione. Anche lievi alterazioni dei componenti dell’ExHOS sono associate a malattie umane. Sebbene rare, mutazioni nei componenti del nanocorriere causano malattie poco comuni legate a disturbi dello sviluppo neurologico. In altri casi, l’ExHOS partecipa all’invasione cellulare nei tumori metastatici.
Una rivoluzione nell’imaging biologico
«Nonostante le sue piccole dimensioni, l’interno della cellula è uno spazio vasto, pieno di enigmatiche nanomacchine che non sono mai state osservate a causa delle limitazioni degli attuali strumenti di microscopia», commenta la dottoressa Marta Puig-Tintó. «Ma penso che il futuro risieda nell’integrare diverse tecnologie di imaging con la potenza dei nuovi strumenti computazionali come l’IA per “rendere visibile l’invisibile”», prosegue.
«Con queste nuove opportunità, abbiamo svelato un processo cellulare fondamentale e vitale», osserva Gallego. «È come spiegare come l’ossigeno viene scambiato durante la respirazione o come viene mantenuta la periodicità del battito cardiaco. Potrebbe non avere un’applicazione immediata, ma la scoperta di questa nanomacchina faciliterà future ricerche per trovare soluzioni a gravi problemi biomedici e biotecnologici», conclude lo scienziato.
Riferimenti:
(1) Gallego Lab – Biophysics in cell biology
(2) Continuum architecture dynamics of vesicle tethering in exocytosis
(3) Marta Puig-Tintó
(4) Sasha Meek
Descrizione foto: Tomografia di una cellula con più vescicole lipidiche trasportate sulla superficie cellulare. - Credit: UPF/Sasha Meek.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Revealing the cell’s nanocourier at work