Quando raggiungiamo l'età adulta, le nostre cellule staminali possono dividersi per rinnovare i tessuti del corpo, ma dopo essersi divise più volte, diventano cellule mature che si dividono alcune volte e poi muoiono. Notiamo questo equilibrio solo quando viene disturbato, ad esempio quando le cellule iniziano a dividersi in modo incontrollabile e creano escrescenze cancerose.

Ne consegue che l'equilibrio tra le cellule in divisione e quelle mature è una precondizione per l'esistenza di qualsiasi organismo multicellulare, ma come viene mantenuto? In un nuovo studio pubblicato di recente su Cell , i ricercatori del Weizmann Institute of Science hanno utilizzato organismi unicellulari per comprendere meglio come gli organismi multicellulari mantengono questo equilibrio e si proteggono dal cancro.

La differenziazione cellulare è una "formazione di specializzazione" biologica, in cui una cellula staminale si divide in due cellule figlie, una delle quali assume un ruolo definito e acquisisce le caratteristiche necessarie per svolgerlo. Quando le cellule subiscono la differenziazione, la loro nuova specialità è utile all’organismo multicellulare di cui fanno parte, ma pagano un pesante tributo individuale:più avanzano lungo questo percorso di specializzazione, più diminuisce la loro capacità di replicarsi, fino a quando non vengono più completate. più in grado di dividere del tutto.

Questa lenta divisione delle cellule differenziate le rende vulnerabili alle popolazioni di cellule che si dividono e crescono a un ritmo più veloce e possono quindi impossessarsi del tessuto e delle sue risorse. In alcuni tipi di cancro del sangue, ad esempio, le cellule staminali del midollo osseo subiscono una mutazione che rallenta la loro differenziazione e consente loro di produrre più cellule staminali figlie. Queste cellule mutanti sfruttano il punto debole naturale del processo di differenziazione, superando la popolazione di cellule sane in un processo noto come acquisizione mutante.

Anche se in media si verifica una mutazione in ogni divisione cellulare del nostro corpo, la maggior parte di noi gode di decenni di buona salute, attraverso innumerevoli divisioni cellulari, senza subire il sopravvento dei mutanti. Ciò suggerisce che esistono meccanismi efficaci per affrontare questa minaccia, anche se sono difficili da identificare negli organismi complessi.

Gli scienziati del gruppo di ricerca del Prof. Uri Alon presso il Dipartimento di Biologia Cellulare Molecolare del Weizmann hanno deciso di ingegnerizzare i batteri E. coli, che solitamente non si differenziano, in modo da sottoporli a un processo di differenziazione artificiale, consentendo ai ricercatori di studiare come una popolazione cellulare si comporta con i mutanti acquisizione.

"Ci sono una serie di chiari vantaggi nel modello E. coli", spiega il dottor David Glass, che ha condotto lo studio nel laboratorio di Alon. "Uno di questi è il breve tempo di generazione, che ci ha permesso di studiare lo sviluppo dei mutanti nel corso di centinaia di generazioni in laboratorio."

Per produrre batteri E. coli in grado di differenziarsi, i ricercatori si sono ispirati ai cianobatteri chiamati Anabaena, che si differenziano, tagliando alcuni segmenti del loro DNA, in risposta a una carenza di azoto nel loro ambiente. Sebbene i batteri differenziati perdano la capacità di dividersi, acquisiscono un importante vantaggio di sopravvivenza:la capacità di fornire azoto a se stessi e all'intera colonia.

Per imitare il processo di differenziazione nel modello E. coli, gli scienziati hanno coltivato i batteri in un ambiente che includeva antibiotici ma era privo di un amminoacido essenziale. Utilizzando l'ingegneria genetica, hanno inserito in ciascun batterio diverse copie di un gene per la resistenza agli antibiotici e diverse copie di un gene che produceva l'amminoacido mancante.

Prima che iniziasse il processo di differenziazione artificiale – cioè quando i batteri si trovavano in uno stato equivalente a quello delle cellule staminali – i geni della resistenza agli antibiotici erano attivi, per cui i batteri erano in grado di dividersi e differenziarsi ad alta velocità nonostante la presenza di l'antibiotico.

Quando è iniziato il processo di differenziazione mediante l'eliminazione dei geni resistenti agli antibiotici, i batteri hanno gradualmente perso la capacità di dividersi e differenziarsi, ma hanno ottenuto un vantaggio in termini di sopravvivenza:i tagli nel DNA hanno gradualmente attivato i geni che hanno prodotto l'amminoacido essenziale.

"Per determinare quale tasso di differenziazione funziona meglio, abbiamo organizzato una competizione tra 11 ceppi di E. coli, ognuno dei quali taglia segmenti di DNA, cioè differenzia, a una velocità diversa," spiega Glass. "Abbiamo mescolato quantità uguali di batteri, li abbiamo fatti crescere nel corso di alcuni giorni e poi abbiamo controllato per vedere quali erano sopravvissuti.

"Abbiamo scoperto una selezione molto forte a favore dei batteri che si differenziavano a un tasso moderato e abbiamo scoperto che i ceppi di batteri con un tasso di differenziazione moderato mantenevano l'equilibrio ottimale dei tipi cellulari nella loro popolazione. In un dato momento, solo una minoranza dei le cellule erano "cellule staminali pure" o "cellule completamente differenziate" e la maggior parte è stata trovata negli stati intermedi del processo."

Questo tasso di differenziazione moderato e ottimale è condiviso da vari sistemi del corpo umano, in cui viene mantenuto un equilibrio quantitativo tra cellule staminali, cellule progenitrici a diversi stadi di differenziazione e cellule differenziate che occasionalmente muoiono e vengono sostituite da nuove.

Per mantenere stabile la dimensione della popolazione, è importante mantenere tale equilibrio anche quando le condizioni ambientali cambiano. Per scoprire se i batteri nel loro modello mantenessero effettivamente questo equilibrio anche in condizioni mutate, i ricercatori li hanno coltivati ​​in 36 diverse combinazioni di concentrazioni di antibiotici e amminoacidi nel mezzo di coltura.

"Abbiamo visto che in ogni situazione, tranne quelle più estreme, come la totale assenza di antibiotici, il tasso di differenziazione ottimale delle cellule rimaneva nell'intervallo moderato e l'equilibrio veniva mantenuto", spiega Glass. "Ciò significa che l'equilibrio della popolazione che caratterizza il modello di differenziazione che abbiamo sviluppato è, in larga misura, immune ai cambiamenti e alle minacce ambientali."

Ma una popolazione di batteri che si sta differenziando a un ritmo ottimale è anche immune all'acquisizione di mutanti, come i sistemi negli organismi multicellulari?

Per testare la capacità di questi batteri di resistere al passaggio dei mutanti, i ricercatori li hanno coltivati ​​per molte generazioni e hanno controllato se durante il lungo periodo di crescita apparissero mutazioni casuali, creando batteri che non si differenziano affatto e si dividono in modo incontrollabile. In altre parole, i batteri mutanti determinano il subentro dei mutanti o vengono soppressi in una fase iniziale?

La prima volta che hanno condotto l'esperimento, i ricercatori sono rimasti delusi nel trovare subentrati mutanti nella metà dei casi. "Abbiamo scoperto che quando un cambiamento genetico interrompe la connessione tra il rallentamento della differenziazione e il vantaggio in termini di sopravvivenza, i mutanti che non si differenziano possono prendere il sopravvento", aggiunge Glass.

Successivamente, i ricercatori hanno ripetuto l’esperimento con un nuovo ceppo batterico geneticamente modificato per essere immune alla mutazione identificata. "Siamo riusciti a far crescere circa 270 generazioni di batteri differenziati e non si è verificata alcuna acquisizione da parte di mutanti. Sfortunatamente, l'invasione di Israele il 7 ottobre ha interrotto l'esperimento e i batteri potrebbero essere ancora più resistenti", afferma Glass.

"Abbiamo dimostrato che un sistema in cui le cellule differenziate di E. coli smettono di dividersi ma ottengono un vantaggio in termini di sopravvivenza può mantenere un equilibrio ottimale della popolazione ed evitare l'acquisizione da parte di mutanti. Molte malattie, come il cancro e le malattie autoimmuni, sono peculiari degli organismi multicellulari. Quando geneticamente Progettando sempre più caratteristiche dei sistemi multicellulari negli organismi unicellulari, possiamo scoprire i punti deboli e cercarli anche nei tessuti umani."

"Oltre alla scienza di base, queste nuove scoperte potrebbero avere un impatto anche sull'uso dei batteri nell'industria", aggiunge Glass. "I batteri geneticamente modificati sono attualmente utilizzati nella produzione su larga scala di insulina, enzimi e altre sostanze utilizzate dagli esseri umani. Creare una popolazione di batteri differenzianti che mantenga il suo equilibrio, si rinnovi e impedisca persino l'acquisizione di mutanti potrebbe essere molto utile in questi processi di produzione ."