Così le cellule “sotto pressione” correggono i loro errori

Come fa una cellula a bilanciare “rischio” e “velocità” quando si divide per dare vita a una nuova entità monocellulare? Gli scienziati del Politecnico Federale di Losanna (segnatamente Ahmad Sadeghi, Roxane Dervey, Vojislav Gligorovski e Marco Labagnara e Sahand Jamal Rahi) hanno sviluppato e testato sperimentalmente la prima teoria matematica che descrive la miglior strategia della cellula per duplicarsi in modo sicuro ed efficiente.
Le cellule attraversano un ciclo di vita che comprende la crescita fino alle giuste dimensioni, lo sviluppo di “un equipaggiamento” per svolgere le proprie funzioni e, infine, la divisione in due nuove cellule.
Il ciclo cellulare è fondamentale perché assicura la perpetuazione della popolazione cellulare e, per estensione, della struttura più ampia di cui fa parte, ad esempio un tessuto del corpo, e, in ultima analisi, la sopravvivenza di un’intera specie animale (o vegetale).

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I “checkpoint” impediscono danni o mutazioni del DNA

Il ciclo cellulare è strettamente regolato dai cosiddetti “checkpoint”, che impediscono che errori come mutazioni o danni al DNA vengano trasmessi alla generazione successiva di cellule.
Ogni “checkpoint” agisce come una sorta di monitor di controllo della qualità (una “lista di controllo” biologica) che assicura l’ordine, l’integrità e la fedeltà del ciclo cellulare.
Ma i “checkpoint” stessi spesso falliscono o vengono “scavalcati” da un errore dopo un arresto prolungato del ciclo cellulare.
Se questo accade nel corpo umano, il risultato potrebbe essere una crescita e una divisione cellulare sregolata, come accade nel caso del cancro.
“I “checkpoint” monitorano le cellule o gli interi organismi e possono fermare il ciclo cellulare o lo sviluppo dell’organismo quando rilevano dei problemi”, spiega Sahand Jamal Rahi della Scuola di Scienze di Base dell’EPFL.
“Ma se le cellule o gli organismi rimangono bloccati da un errore per molto tempo, in molti casi finiscono con il dividersi o il crescere comunque, poiché il processo non si può fermare per sempre. C’è un rischio reale di morire se i ‘checkpoint’ non si fermano affatto, ma anche aspettare per sempre equivale di fatto a morire”.

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Una nuova aritmetica del superamento dei “controlli”

La domanda fondamentale è quindi la seguente: come fa la cellula a bilanciare rischio e velocità quando si divide? Sebbene si tratti di una procedura fondamentale e decisiva per la vita, il superamento dei “checkpoint” non è stato ancora ben compreso, né a livello teorico né a livello sperimentale.
In un nuovo lavoro scientifico, Rahi e i suoi colleghi di Losanna hanno presentato la prima teoria matematica per descrivere il processo di superamento dei “checkpoint”.
“Molti organismi devono prevedere che cosa accadrà”, spiega Rahi.
“Hai un problema e devi valutare quanto potrebbe essere grave questo problema, perché le conseguenze non sono mai certe. Si potrebbe sopravvivere a questo o non sopravvivere a quello. Quindi, la cellula fa in ogni caso ‘una scommessa’. Nel nostro studio, analizziamo le probabilità di questa scommessa”.

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Il lievito di birra per indagare un’esiziale… scommessa

Come esempio di un organismo reale, i ricercatori hanno preso in considerazione il lievito in erba Saccharomyces cerevisiae, utilizzato da secoli nella vinificazione, nella panificazione e nella produzione di birra.
“Esistono sistemi che monitorano gli organismi e, tra questi, forse il più studiato è il ‘checkpoint’ del danno al DNA nel lievito”, spiega Rahi.
“Abbiamo quindi pensato di analizzare questo ‘sistema’ e di verificare se fosse possibile dare un senso al modello di scavalcamento del ‘checkpoint’. Abbiamo iniziato con un’analisi matematica alla base della quale c’era un interrogativo molto semplice: se questi organismi stanno bilanciando rischio e velocità, perché devono prevedere il futuro?”.

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Il compromesso rischio-velocità rimane il vero tema

Questo compromesso tra rischio e velocità è simile al sistema di controllo della qualità di una catena di montaggio in ambito industriale: quanto velocemente si può produrre prima che la qualità ne risenta? Come si fa a bilanciare qualità ed efficienza?
“Altri studiosi hanno già ragionato su questo compromesso rischio-velocità per i punti di controllo, ma soffermandosi soltanto sull’aspetto qualitativo”, dice Rahi.
“La ‘scommessa’ non è invece qualcosa che è stato analizzato o preso sul serio in precedenza. Quindi, credo che possiamo rivendicare la proprietà dell’idea della ricerca!”.

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C’è sempre un bilanciamento fra diverse probabilità

Gli scienziati hanno analizzato il rapporto tra rischio e velocità.
“La teoria consiste fondamentalmente nel bilanciamento di diverse probabilità: in sintesi, calcoliamo la variazione di idoneità, di ‘forma fisica’ della cellula a seconda che il meccanismo determini una sosta nel processo o che proceda per l’auto-replicazione”, dice Rahi.
“L’organismo deve elaborare una strategia che preveda di decidere continuamente se aspettare o andare avanti, a seconda della gravità della situazione dell’organismo in quel momento. Naturalmente, attendere significa avere una progenie sempre meno numerosa. L’alternativa è quella di rischiare: quindi la cellula si divide e c’è una probabilità che sopravviva e una che muoia”.
La teoria calcola quando il rischio e la velocità si bilanciano a vicenda, determinando il ‘momento’ ottimale.
“Il risultato è un’equazione molto semplice”, aggiunge Rahi.
Nonostante sia stata sviluppata per il lievito, la teoria si applica ampiamente a ogni tipo di cellula perché prende in considerazione soltanto il rischio e la velocità, fattori che riguardano tutti gli organismi viventi.
“Non c’è una corrispondenza univoca tra ciò che accade nel lievito e nelle cellule dei mammiferi, perché queste ultime hanno altri vincoli oltre a quello di massimizzare la propria crescita”, afferma il ricercatore dell’EPFL.

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“Ma quando le cellule diventano cancerose, esse disaccoppiano la loro ‘idoneità fisica’ da quella dell’ospite. E allora l’evoluzione darwiniana suggerisce che dovrebbero rimodellare i loro ‘checkpoint’ per massimizzare la crescita. È un aspetto che ci interessa; uno dei nostri prossimi passi sarà verificare se le cellule rimodellano i loro ‘checkpoint’ in modo ottimale una volta diventate cancerose”.
Il dottor Sahand Jamal Rahi non si aspetta che le cellule cancerose aboliscano del tutto i loro sistemi di “checkpoint”.
“Non si sbarazzano dei loro punti di controllo perché, così facendo, si assumerebbero anch’esse troppi rischi in ogni divisione”, dice.
“Anche l’assenza di ogni ‘checkpoint’ rispetto a quando erano precancerose non è una condizionale ottimale, perché appena c’è un problema muoiono. Di conseguenza, siamo interessati a vedere se anch’esse mirano a questo stato di equilibrio ottimale che la nostra teoria descrive”.

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