Programmare le cellule per organizzare le loro molecole potrebbe aprire la porta a nuovi trattamenti.

15 febbraio 2024

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a cura di Renata Solan, Università di Wisconsin-Madison

I ricercatori possono ingegnerizzare le cellule per esprimere nuovi geni e produrre specifiche proteine, fornendo alle cellule nuove parti con cui lavorare. Ma, è molto più difficile fornire alle cellule istruzioni su come organizzare e utilizzare quelle nuove parti. Ora, nuovi strumenti sviluppati dai ricercatori dell'Università di Wisconsin-Madison offrono un approccio innovativo a questo problema.

La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista Cell.

Tutto ciò che una cellula fa dipende da come le molecole sono organizzate all'interno della cellula. All'interno delle nostre cellule - tutte le cellule - le proteine e le altre molecole subiscono un'organizzazione e una riorganizzazione per svolgere le funzioni cellulari. Come una flotta di treni pendolari che si muovono a intervalli programmati lungo le loro diverse linee, le proteine all'interno di una cellula sono organizzate nello spazio e nel tempo per svolgere funzioni complesse ma prevedibili.

Mentre la necessità di organizzare le molecole all'interno di una cellula è universale tra gli organismi viventi, le specifiche proteine e i meccanismi responsabili di questa organizzazione variano. In un sistema specifico delle cellule batteriche, ad esempio, le proteine MinD e MinE - conosciute collettivamente come MinDE - interagiscono tra loro lungo la membrana cellulare per produrre modelli a onde, che aiutano nel movimento delle molecole all'interno della cellula.

Quando le molecole non si organizzano correttamente all'interno di una cellula, può avere conseguenze serie, tra cui la divisione irregolare delle cellule e la comunicazione impropria all'interno e tra le cellule, entrambe associate a disturbi dello sviluppo e malattie come il cancro.

Insomma, sappiamo come fornire alle cellule alcune nuove parti, ma è molto più difficile fornire loro le istruzioni su come organizzarle e usarle.

I meccanismi attraverso i quali le molecole si organizzano e interagiscono tra loro sono stati perfezionati nel corso di millenni di evoluzione. Quando gli scienziati ingegnerizzano le cellule per produrre nuove molecole, è difficile far sì che le cellule utilizzino quelle nuove molecole senza interrompere involontariamente altre funzioni cellulari naturali.

I biochimici presso la UW-Madison hanno sviluppato uno strumento per controllare il movimento e l'organizzazione di specifiche proteine nelle cellule mammaliane lasciando le altre proteine inalterate. Il loro nuovo strumento sfrutta le onde e le oscillazioni derivanti dalle interazioni tra le proteine MinDE, che si trovano solo nei batteri e non interferiscono con le funzioni cellulari dei mammiferi.

Ingegnerizzando le interazioni tra le proteine MinDE e le proteine di interesse, i ricercatori hanno creato modelli altamente specifici per organizzare le molecole all'interno delle cellule mammaliane e indurre comportamenti e funzioni cellulari. Lo strumento consente ai ricercatori di modificare e alterare i modelli in risposta a stimoli, programmando essenzialmente le molecole per muoversi all'interno della cellula verso posizioni specifiche nel tempo.

Questo strumento innovativo ha molteplici utilizzi potenziali per gli scienziati interessati all'ingegnerizzazione di attività cellulari specifiche o allo studio dell'attività cellulare in un organismo vivente.

Controllando il rapporto tra le proteine MinDE i ricercatori possono progettare modelli di movimento che determinano come le molecole sono organizzate in una cellula, il che potrebbe essere utilizzato per orchestrare attività cellulari come il movimento o la comunicazione con altre cellule.

La variazione nei modelli di movimento può anche essere utilizzata per studiare l'attività cellulare. Poiché ogni rapporto di proteine MinDE emette un unico modello oscillatorio, le proteine possono essere inserite in un gruppo di cellule per dare a ciascuna cellula un proprio modello – un segnale individuale che consente ai ricercatori di osservare più facilmente ogni cellula.

Gli scienziati possono anche utilizzare i modelli unici per analizzare i modelli di segnalazione della cellula al fine di conoscere la forma, la posizione e l'attività di segnalazione di ogni singola cellula. I ricercatori del laboratorio di Coyle della UW-Madison paragonano questo uso dello strumento a una radio FM perché consente loro di sintonizzarsi sui dati unici che ogni cellula emette in un sistema multicellulare, un compito che solitamente è molto difficile.

Il laboratorio di Coyle intende continuare ad esplorare le applicazioni dello strumento, inclusa lo studio della dinamica delle vie di segnalazione nei tumori, un classico esempio di comportamento e funzionamento cellulare errato.

Fornito da University of Wisconsin-Madison