Nel 2023, un altro biobot ha rivelato abilità sorprendenti. L’antropobot potrebbe riparare i neuroni! Al di là dell’abilità dei biobot, questi esperimenti rivelano una considerazione importante: il “destino” di una cellula non è fisso! Non seguono necessariamente un percorso predeterminato e sono capaci di adattarsi alle nuove condizioni ambientali.
“Quali meccanismi consentono ad alcune cellule di continuare a funzionare dopo la morte di un organismo?”
Nel loro nuovo studio, Peter Noble e Alexander Pozhitkov hanno osservato l’espressione genetica nelle cellule di pesci zebra e topi morti. Contro ogni aspettativa, hanno notato picchi di trascrizione di alcuni geni. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Fisiologia. Questo studio è intrinsecamente legato al tempo di conservazione degli organi e dei tessuti per i trapianti, poiché continuano a funzionare anche dopo la morte dell’organismo. “Questa resilienza solleva la seguente domanda: quali meccanismi consentono a determinate cellule di continuare a funzionare dopo la morte di un organismo?” chiede Peter Noble.
Perchè studiare l’espressione genetica?
Le informazioni immagazzinate nel DNA sono suddivise in geni: porzioni di cromosomi. Un enzima, chiamato RNA polimerasi, legge e trascrive l’informazione contenuta in questi geni in un nuovo codice: gli mRNA, detti anche “trascritti”. Questi verranno utilizzati per produrre molecole utili alla cellula, come ad esempio le proteine. Altri tipi di RNA svolgono vari ruoli funzionali. Tutti questi processi biochimici sono raggruppati sotto il termine “espressione genetica”. Si tratta quindi di un indicatore dell’attività cellulare, ma non dell’unico.
Sciences et Avenir: Come ti sei interessato al confine tra la vita e la morte?
Pietro Nobile: Quando Alexander Pozhitkov mi ha suggerito, davanti a una birra, di studiare la morte, inizialmente ho pensato che fosse uno scherzo. Ma ha già visto oltre il nostro lavoro attuale. All’epoca lavoravamo sul DNA e sull’espressione dei geni, che è legata alla loro attività. Intuitivamente, ci aspettiamo che le trascrizioni dei geni siano attive durante la vita e cessino alla morte, giusto? Ma contro ogni aspettativa, abbiamo scoperto che l’espressione di alcuni geni aumenta significativamente dopo la morte, ad esempio sia nei topi che nel pesce zebra!
All’inizio ero scettico su questi dati. Tuttavia, applicando una tecnica statistica, abbiamo identificato “onde” distinte di aumento dell’abbondanza di trascritti. È interessante notare che i geni in questione sono associati a diversi processi biologici, tra cui stress, immunità, infiammazione, ecc. La domanda che allora si è posta è stata: perché? Quindi non abbiamo veramente provato a studiare il confine tra la vita e la morte. La nostra curiosità è stata semplicemente stuzzicata dalla domanda sul perché la trascrizione di alcuni geni aumentasse subito dopo la morte dell’organismo.
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“I meccanismi di sopravvivenza svolgono un ruolo chiave nella durata della vita delle cellule e dei tessuti”
Come si spiega la ristrutturazione spontanea delle cellule riunite in grappoli?
La ristrutturazione spontanea delle cellule in cluster è una proprietà emergente che non è stata ben compresa. Ciò che è particolarmente affascinante è che le singole cellule possono formare nuovi organismi multicellulari (come gli xenobot) senza aderire a percorsi di sviluppo predeterminati.
Ad esempio, negli embrioni di rana, le cellule hanno ciglia che usano per espellere il muco. Tuttavia, gli xenobot riutilizzano le ciglia in un altro modo: per navigare nel loro ambiente. Questa scoperta suggerisce che le cellule hanno una capacità intrinseca di adattarsi alle nuove condizioni ambientali. Studi futuri potrebbero approfondire la plasticità dei sistemi cellulari. Il lavoro precedente suggerisce anche che le interazioni fisico-chimiche, come le reti bioelettriche, agiscono come il “collante cognitivo” che lega le singole subunità in entità emergenti più grandi.
Cosa hai osservato studiando l’espressione genica delle cellule di animali morti?
Già nel 2017 abbiamo osservato un aumento della trascrizione di alcuni geni, dopo la morte di pesci zebra e topi. Diverse ipotesi potrebbero spiegare queste “onde”. Nel corso dell’evoluzione, potrebbero essersi sviluppati alcuni percorsi per promuovere la guarigione o la “rianimazione” dopo un grave infortunio. Il che costituirebbe un vantaggio adattivo. La maggiore abbondanza di trascritti della risposta infiammatoria, ad esempio, indicherebbe che un segnale di infezione o lesione viene rilevato dalle cellule ancora vive dopo la morte dell’organismo. Inoltre, questi aumenti potrebbero anche essere dovuti alla rapida degradazione di alcuni repressori genici o di interi percorsi che portano alla trascrizione genica.
Come possiamo spiegare le disparità in termini di durata della vita tra i diversi tipi di cellule?
Le nostre recenti scoperte fanno luce sui fattori che influenzano la sopravvivenza e la funzione delle cellule dopo la morte di un organismo. In effetti, la loro durata varia notevolmente da un tipo di cellula all’altro. A titolo indicativo, i globuli bianchi negli esseri umani muoiono tra le 60 e le 86 ore dopo la morte. Ma alcune cellule muscolari di topo possono essere coltivate 14 giorni dopo la morte. Arriviamo addirittura ad un mese per i fibroblasti di ovini e caprini.
La durata della vita dipende, tra le altre cose, dall’attività metabolica delle cellule. Ad esempio, i neuroni o le cellule del muscolo cardiaco hanno un elevato fabbisogno energetico. Sono quindi più difficili da coltivare rispetto alle cellule adipose, agli adipociti o ai fibroblasti che hanno poco fabbisogno energetico.
I meccanismi di sopravvivenza svolgono un ruolo chiave anche nella durata della vita delle cellule e dei tessuti. Dopo la morte dell’organismo si osserva un aumento significativo dell’attività dei geni legati allo stress e dei geni legati al sistema immunitario, che probabilmente compensa la perdita dell’omeostasi, l’equilibrio fisiologico delle cellule. Anche altri fattori come traumi, infezioni, età o sesso influenzano significativamente la vitalità cellulare. Questo è uno dei motivi per cui i trapianti rappresentano una vera sfida medica.
Quali sono quindi le interazioni tra queste variabili e come consentono alle cellule di funzionare dopo la morte? Una delle ipotesi che si potrebbe avanzare è la seguente: alcuni canali presenti nelle membrane cellulari generano segnali elettrici, permettendo alle cellule di comunicare tra loro e svolgere funzioni. Potrebbero così modellare la struttura dell’organismo che formano.
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“Vita e morte sono tradizionalmente considerate opposte, ma non lo sono”
Perché possiamo davvero parlare di un “terzo stato” tra la vita e la morte?
Abbiamo ideato il concetto di “terzo stato” perché la vita e la morte sono tradizionalmente viste come opposte, ma non lo sono. Alexander e io abbiamo già discusso del “crepuscolo della morte”, che abbiamo definito come la transizione da un corpo vivente a un cadavere in decomposizione. All’epoca non eravamo a conoscenza della possibilità di un terzo Stato, cosa che abbiamo poi segnalato.
Il terzo stato non corrisponde alle trasformazioni dello sviluppo, come la metamorfosi dei bruchi in farfalle o l’evoluzione dei girini in rane, perché questi sono processi di sviluppo. Il terzo stato si distingue da queste trasformazioni perché le cellule hanno la capacità di svilupparsi in organismi multicellulari con nuove funzioni. Immaginate di prendere una singola cellula di un essere umano vivente e, attraverso sofisticate tecniche ingegneristiche, di permetterle di crescere fino a diventare un nuovo organismo multicellulare. Questo nuovo organismo non sarebbe più considerato un essere umano, ma lo è? È costituito dallo stesso materiale genetico di un essere umano. Dovremmo concedere a questo nuovo organismo multicellulare gli stessi diritti di un essere umano vivente? Un’altra domanda interessante è: quali sono le nuove proprietà o comportamenti di questo nuovo organismo e quali sono i meccanismi sottostanti?
Quali implicazioni pratiche possono avere questi risultati per la medicina?
Le implicazioni pratiche sono potenzialmente numerose, ma finora nessuna è stata realizzata. Il laboratorio Levin, da cui provengono gli anthrobot, suggerisce che i biobot potrebbero essere iniettati nel corpo per sciogliere la placca nei pazienti con aterosclerosi o per eliminare il muco in eccesso nei pazienti che soffrono di fibrosi cistica. I robot cresciuti da singoli tessuti viventi potrebbero essere utilizzati anche per somministrare farmaci senza innescare una risposta immunitaria indesiderata poiché vengono cresciuti dalle cellule del paziente. Per quanto riguarda il nostro ultimo lavoro, fa luce sui meccanismi alla base della donazione di organi e tessuti, nonché del trapianto. Una migliore comprensione di come alcune cellule continuano a funzionare e addirittura si trasformano in nuove entità multicellulari qualche tempo dopo la morte di un organismo è promettente per il progresso della medicina personalizzata e preventiva.
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