Cosa accade quando le cellule adottano il danno? Understand article
Tradotto da Cristina Benedetti. Gli scienziati propongono una nuova ipotesi per affrontare uno dei grandi misteri rimanenti nell'evoluzione degli animali.
Il Kintsugi è un’antica arte giapponese di riparazione della ceramica rotta con oro o altri materiali preziosi. La filosofia alla base è che rottura e riparazione sono parte integrante della vita di un oggetto e possono in realtà produrre oggetti più preziosi. Secondo un’ipotesi sviluppata dagli scienziati Detlev Arendt e Thibaut Brunet presso l’European Molecular Biology Laboratory (EMBL)w1 di Heidelberg, in Germania, le cellule eucariotiche ancestrali potrebbero aver subito un processo simile di danno e riparazione che, nel corso dell’evoluzione, ha dato origine a cellule cerebrali e muscolari altamente specializzate (Brunet & Arendt, 2016).
Un veleno cellulare
Quando un neurone o una cellula muscolare nel nostro corpo rileva un segnale, risponde consentendo ad alcuni ioni, come sodio e calcio, di entrare attraverso la membrana cellulare. Questi flussi di molecole verso l’interno innescano risposte precise, che determinano la contrazione delle cellule muscolari e il rilascio da parte dei neuroni di sostanze chimiche responsabili della comunicazione cellula-cellula. Come il nostro sistema nervoso centrale si sia evoluto per utilizzare questi stimoli chimici è ancora un mistero, ma Detlev e Thibaut si stanno avvicinando a una risposta.
Immagine gentilmente concessa da Scott Ingram; fonte dell’immagine: Flickr
Ad alte concentrazioni, il calcio è dannoso per tutte le cellule viventi, poiché forma aggregati insolubili con molecole fondamentali per la sopravvivenza delle cellule. Per questo il calcio può essere 10.000 volte meno abbondante all’interno della cellula rispetto al sangue. Si pensa che la composizione chimica delle cellule moderne sia un ‘impronta digitale’ della composizione dell’ambiente in cui la vita è iniziata più di 3,5 miliardi di anni fa. Essendo permeabili a piccole molecole, le prime cellule avevano la stessa composizione chimica dell’ambiente acquatico in cui vivevano, dove la concentrazione di calcio era bassa. Ma quando le cellule ancestrali per la prima volta furono esposte ad ambienti ricchi di calcio, probabilmente circa 1,5 miliardi di anni fa, dovettero sviluppare una risposta per proteggersi da questa molecola tossica. Dal momento che una delle principali vie di afflusso di calcio è la rottura della membrana cellulare, gli scienziati ritengono che una risposta cellulare fondamentale debba essere stata quella di contrastare i danni della membrana.
“Se si guarda alle cellule eucariotiche, dalle alghe ai neuroni, la maggior parte delle molecole che fanno contrarre una cellula sono sensibili al calcio, così abbiamo ipotizzato che la contrazione cellulare all’inizio si sia evoluta in risposta a un afflusso di veleno esterno per chiudere la membrana in seguito a rottura,” afferma Thibaut. “Era un po’ un’ipotesi azzardata, ma quando abbiamo consultato la letteratura per verificarla, siamo stati entusiasti di vedere che in realtà è così che funziona!”
Il percorso verso i neuroni e i muscoli
A seguito di una rottura della membrana cellulare, due proteine calcio-sensibili, chiamate actina e miosina, si organizzano in un anello intorno alla ferita della membrana. La rete creata da actina e miosina si restringe, provocando una contrazione della membrana cellulare che sigilla gradualmente la ferita. Il calcio innesca anche il rilascio di strutture simili a bolle chiamate vescicole. Tali vescicole sono ricche di molecole di grasso, che forniscono nuovi blocchi di costruzione alla membrana cellulare rotta. Gli scienziati ritengono che questo meccanismo di guarigione dalle ferite potrebbe aver costituito la prima ‘risposta di emergenza’ delle cellule ancestrali all’afflusso di calcio.
giorni: i muscoli sono
mostrati in rosso e il sistema
nervoso in verde.
Immagine gentilmente
concessa da Thibaut Brunet /
EMBL
Come spesso avviene durante l’evoluzione, questo meccanismo – che si era sviluppato inizialmente per la riparazione della membrana – si è rivelato utile in altri contesti. La contrazione della membrana, che deforma la cellula, è diventata per le cellule un modo per muoversi. Il rilascio di molecole per secrezione dalle vescicole è diventato un potente mezzo per comunicare con le altre cellule.
Aumentando in complessità, le cellule ancestrali hanno costruito sistemi che controllano la contrazione e la secrezione imitando la rottura della membrana, promuovendo un afflusso di calcio controllato. Questo sistema si è sviluppato ulteriormente e l’afflusso di ioni si è potuto amplificare attivamente in un potenziale d’azione – un breve segnale elettrico che può diffondersi rapidamente attraverso la membrana cellulare, innescando l’attivazione della contrazione e secrezione. Le cellule ancestrali erano ora multitasking: erano in grado di generare un potenziale d’azione che faceva contrarre una porzione della stessa cellula. I potenziali d’azione stimolavano anche il rilascio di vescicole piene di sostanze chimiche necessarie per la comunicazione cellula-cellula, diffondendo l’attività contrattile alle cellule vicine.
Alcune di queste cellule progenitrici successivamente hanno dato origine a due distinti tipi cellulari attraverso la divisione del lavoro: letteralmente si sono divise in due rami, le cellule contrattili e le cellule meccanosensoriali. Su un ramo, le cellule contrattili, la cui attività principale era contrarsi, si sono evolute in cellule muscolari. Sull’altro ramo, le cellule meccanosensoriali, che si sono specializzate nel generare potenziali d’azione e rilasciare vescicole per la comunicazione cellula-cellula, si sono evolute nei neuroni che vediamo oggi. Ma le antiche vie sono state mantenute: anche adesso, i nostri neuroni e muscoli si basano ancora su un afflusso controllato di un potente veleno cellulare – il calcio – per decidere quando secernere e contrarsi.
References
- Brunet T, Arendt D (2016) From damage response to action potentials: early evolution of neural and contractile modules in stem eukaryotes. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B, Biological Sciences 371: 20150043
Web References
- w1 – Per saperne di più sull’Arendt Group presso l’EMBL.
Institutions
Review
Puoi pensare a una difficoltà che sei riuscito a superare e alla fine ti ha reso più forte? Secondo questo articolo, le antiche cellule eucariotiche possono avere sperimentato processi di danno e riparazione che hanno portato a cellule più specializzate – grazie all’evoluzione.
Le idee riportate nell’articolo potrebbero essere utilizzate in lezioni di biologia nella scuola secondaria, in particolare quando si studiano la biochimica e l’evoluzione. Il testo mette in evidenza anche il fatto che le reazioni chimiche e i processi fisici hanno un ruolo essenziale nei processi cellulari.
Prima di leggere l’articolo, gli studenti possono pensare a cosa ha innescato l’evoluzione da cellule eucariotiche semplici a cellule più complesse.
Oltre ad essere usato come un esercizio di comprensione, questo articolo può contribuire ad aumentare la consapevolezza sull’importanza dell’evoluzione nello sviluppo della vita sul nostro pianeta. Potenziali domande di discussione includono:
- In che modo i neuroni o le cellule muscolari del corpo umano reagiscono quando rilevano un segnale?
- Perché le alte concentrazioni di calcio sono dannose per tutte le cellule viventi?
- Qual è il ruolo delle proteine actina e miosina in seguito a rottura della membrana cellulare?
- Come comunicano le cellule fra di loro?
- Che cosa è un potenziale d’azione?
Mireia Güell Serra, Spagna