Il calcio è un nutriente molto speciale. Nelle cellule della maggior parte degli esseri viventi gli ioni calcio funzionano come cosiddetti secondi messaggeri per trasmettere segnali importanti. Lo stesso vale per le cellule animali, vegetali e fungine. Attraverso la collaborazione di diversi istituti di ricerca a livello nazionale e internazionale, i membri del gruppo di lavoro "Biologia dell'energia vegetale" dell'Università di Münster, guidato dal Prof. Markus Schwarzländer, e del team guidato dal Prof. Alex Costa dell'Università degli Studi di Milano, hanno ora identificato il meccanismo molecolare che consente agli ioni calcio di essere assorbiti nei mitocondri delle cellule vegetali e che questa forma di trasporto gioca un ruolo importante nella loro risposta all'essere toccati. Lo studio è stato ora pubblicato sulla rivista The Plant Cell .

Come gli ioni calcio entrano nei mitocondri

"È sorprendente che uno ione così semplice possa essere così importante per la trasmissione di informazioni", afferma Markus Schwarzländer. "Partiamo dal presupposto che gli ioni calcio sviluppino questo potenziale attraverso il luogo esatto e il tempo del loro dispiegamento". È noto già dal 1965 che i mitocondri vegetali possono assorbire ioni calcio e in questo modo, presumibilmente, essere coinvolti nelle vie di segnalazione del calcio. Come esattamente il trasporto sia reso possibile, tuttavia, è stato contestato per decenni. Per la maggior parte degli ioni, la membrana interna dei mitocondri è impermeabile, ma alcune proteine ​​nella membrana possono garantire che gli ioni calcio possano passare attraverso questa membrana parzialmente permeabile e quindi consentire la trasmissione di segnali in questo organello cellulare.

Nel caso degli animali, la questione dell'identità del canale del calcio mitocondriale è stata risolta nel 2011 quando i ricercatori delle Università di Harvard e Padova hanno scoperto il canale del calcio MCU (mitocondriale calcio uniporter). Questa svolta ha aperto la strada alla scoperta che le piante contengono anche geni MCU. Ciò che non era ancora chiaro, tuttavia, era se questi geni formassero anche canali del calcio nella cellula vivente, anche perché l'assorbimento di ioni calcio nei mitocondri animali mostra schemi notevolmente diversi da quelli nei mitocondri vegetali.

L'espressione genica rivela l'importanza del trasporto di ioni calcio per le centrali elettriche cellulari

Per chiarire il ruolo svolto dalle MCU nelle cellule vegetali, i ricercatori di Münster hanno dovuto disattivare simultaneamente tre dei sei geni MCU nella pianta modello Arabidopsis thaliana. Di conseguenza, hanno limitato la capacità del macchinario cellulare e sono stati così in grado, per la prima volta, di osservare in una pianta vivente le conseguenze a cui porta questo vincolo. A tale scopo, hanno utilizzato una proteina fluorescente che indica i cambiamenti nella concentrazione di ioni calcio nei mitocondri sotto forma di un segnale luminoso.

Quello che si poteva vedere era che, a causa della disattivazione dei geni MCU, un numero molto inferiore di ioni calcio entrava nei mitocondri. Ciò significa che i ricercatori hanno dimostrato non solo che le cellule vegetali viventi, in modo simile alle cellule animali, trasportano i loro ioni calcio nei mitocondri attraverso i canali MCU. "Siamo stati anche in grado", afferma Markus Schwarzländer, "di dimostrare che questo è di gran lunga il percorso più importante per trasportare rapidamente ioni calcio nei mitocondri. Significa che ora abbiamo la possibilità di controllare la trasmissione del segnale da parte degli ioni calcio nell'energia cellulare stazioni e quindi eventualmente influenzare le informazioni codificate."

Dopo questa osservazione pionieristica, il team ha utilizzato piante con ridotta capacità di trasporto del calcio mitocondriale per cercare di scoprire quale ruolo gioca il calcio mitocondriale per la pianta e la sua forma fisica. Nel caso degli animali, gli ioni calcio nei mitocondri regolano la produzione di energia, ma non c'erano indicazioni di una funzione simile nelle piante.

Analizzando l'espressione dell'intero genoma vegetale, i ricercatori sono stati ora in grado di dimostrare che la ridotta capacità di trasporto degli ioni calcio ha un impatto sulla regolazione dell'ormone vegetale acido jasmonico. L'acido jasmonico è un ormone di difesa delle piante che fornisce protezione contro gli erbivori attivandosi se la pianta viene ferita. Tra le altre cose, l'acido jasmonico controlla anche la senescenza, cioè la morte regolata dei tessuti, così come le risposte a stimoli meccanici come essere toccati.

Le piante manipolate dai ricercatori hanno mostrato una senescenza leggermente ritardata:in ambienti bui, le foglie hanno perso la loro pigmentazione verde meno rapidamente. Hanno anche mostrato una risposta notevolmente più debole al tatto. "Ciò che ci sorprende particolarmente", afferma Schwarzländer, "è che esiste evidentemente un legame tra il trasporto di ioni calcio nei mitocondri e il processo di regolazione guidato dall'acido jasmonico. I risultati mostrano che processi molecolari come l'assorbimento di gli ioni calcio nei mitocondri, che sono stati conservati negli animali e nelle piante attraverso l'evoluzione, possono essere usati per svolgere nuove funzioni".

Una riprogrammazione mirata del trasporto mitocondriale del calcio sembrerebbe una strada interessante, poiché potrebbe essere utile controllare la risposta al tatto, ad esempio in agricoltura, dove le piante sono spesso piantate a stretto contatto.

Indagini che utilizzano biosensori sintetici

Uno dei metodi centrali utilizzati nello studio ora pubblicato era la "biosensoria in vivo". Qui, le proteine ​​sono progettate, utilizzando metodi biomolecolari e biotecnologici, in modo tale da fungere da sensori di misurazione sintetici negli organismi viventi. Quando le piante vengono trasformate geneticamente, producono esse stesse un sensore che fornisce informazioni in tempo reale sullo stato delle cellule nelle piante viventi. Inoltre, questi sensori biologici possono essere utilizzati per scopi di misurazione in aree specifiche della cellula. Ciò si ottiene collocandoli geneticamente in un determinato compartimento della cellula. Farlo usando i metodi tradizionali è difficile perché in tali metodi la cellula è tipicamente rotta, il che porta alla perdita di tutta l'organizzazione all'interno della cellula.