Il volume delle cellule può variare notevolmente. Analogamente a un palloncino che si gonfia, l'aumento di volume delle cellule in crescita spinge sulla membrana plasmatica, l'involucro lipidico che circonda la cellula. Questa pressione di "turgore" aumenta la tensione della membrana, quale, se non corretto, alla fine farà scoppiare la cellula. Per evitare che ciò accada, le cellule hanno sviluppato meccanismi per monitorare la tensione della loro membrana plasmatica. Quando la tensione è troppo alta, le cellule rispondono aumentando la quantità di lipidi nella membrana. Al contrario, quando la tensione è troppo bassa, le cellule rimuovono i lipidi dalla membrana per "stringerla". Il modo in cui le cellule riescono a percepire la tensione e ad attivare la risposta biologica appropriata è rimasto un mistero. È stato difficile da risolvere a causa della mancanza di strumenti per studiare la tensione di membrana all'interno delle cellule viventi. Per affrontare questo problema, ricercatori dell'Università di Ginevra (UNIGE) e del Centro nazionale di competenza nella ricerca e biologia chimica (NCCR) hanno collaborato per creare una molecola fluorescente per misurare la tensione della membrana plasmatica delle cellule vive. Utilizzando questo nuovo strumento, sono stati quindi in grado di scoprire come le cellule adattano la loro superficie al loro volume. Questi risultati, pubblicato in Chimica della natura e Biologia cellulare naturale , aprire la strada a molte applicazioni, incluso nel rilevamento di cellule cancerose che tipicamente mostrano una tensione di membrana aberrantemente alta.

Quando il volume di una cellula aumenta, la tensione esercitata sulla sua membrana aumenta, causando l'attivazione di TORC2, un complesso di proteine ​​che crea segnali di allarme all'interno della cellula. "La membrana cellulare è costituita da lipidi organizzati in un doppio strato semipermeabile, " spiega Aurélien Roux, docente presso il Dipartimento di Biochimica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE e membro del NCCR. "Questa superficie è fluida, consentendo una grande adattabilità della membrana alle variazioni di forma e volume della cellula. Come ogni superficie, può essere allungato e quindi lo spazio tra i lipidi aumenta. Quando questo spazio diventa troppo grande e la membrana rischia di rompersi, una proteina, denominato Slm1, attiva TORC2 per produrre segnali che spingono la cellula a produrre nuovi lipidi e a sua volta a ridurre la tensione della membrana cellulare." Ma come potrebbero i ricercatori misurare la tensione necessaria per innescare questo processo?

Per valutare la tensione della membrana cellulare, è necessario poter misurare lo spazio tra i lipidi che costituiscono questa membrana. Stefano Matile, docente presso il Dipartimento di Chimica Organica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE e membro del NCCR, ha creato una "molecola sonda" chiamata FliptR (Fluorescent Lipid Tension Reporter), che si integra spontaneamente tra i lipidi della membrana plasmatica. "Abbiamo sviluppato una molecola fluorescente con due piccole "alette" che definiscono un certo angolo tra loro, lui spiega. Questo angolo varia in base alla pressione esercitata su FliptR, che cambia la sua fluorescenza." Approfittando di questa differenza nelle proprietà di fluorescenza della molecola, il gruppo del professor Roux è riuscito a misurare lo spazio tra i lipidi e quindi la tensione di una membrana.

FliptR è un nuovo prezioso strumento per misurare la tensione della membrana plasmatica nelle cellule viventi. "Sappiamo che le cellule cancerose hanno una tensione di membrana più alta rispetto alle cellule normali. Speriamo che questa molecola fluorescente un giorno aiuti a rilevarle più facilmente, " dice Stefano Matile.

E quando si tratta di ridurre la tensione della cellula?

Quando la tensione della membrana plasmatica aumenta, TORC2 si attiva e questo innesca la produzione di lipidi per riportare la tensione ai valori basali. Ma cosa succede quando la tensione della membrana è troppo bassa e deve essere aumentata? "Inizialmente pensavamo che stesse accadendo attraverso lo stesso meccanismo che funzionava al contrario, ma la storia si è rivelata molto più interessante, "dice Robbie Loewith, docente presso il Dipartimento di Biologia Molecolare della Facoltà di Scienze dell'UNIGE e anche membro del NCCR. Infatti, la ricerca iniziale ha mostrato che l'attivatore TORC2 Slm1, coinvolto nel rilevamento di un'elevata tensione di membrana, sorprendentemente non svolge alcun ruolo nella risposta a una tensione troppo bassa. "D'altra parte, abbiamo osservato che un particolare lipide presente nella membrana plasmatica, chiamato PIP2, è il sensore per la bassa tensione della membrana."

Quando la tensione di membrana diminuisce, PIP2, precedentemente miscelato con altri lipidi, si auto-segrega per formare "isole" PIP2 in un mare di lipidi rimanenti nella membrana, in un processo non dissimile dalla separazione spontanea (lievitazione) della panna nel latte fresco. Poiché una delle proteine ​​di TORC2 si lega a PIP2, TORC2 ridistribuisce anche a questi isolotti PIP2. Una volta inghiottito da questi isolotti, TORC2 si disattiva. "I lipidi della membrana cellulare sono degradati naturalmente, e l'attività di TORC2 è necessaria per sostituirli" spiega Robbie Loewith. Ma quando TORC2 è inibito all'interno delle isole PIP2, i lipidi degradati non vengono più sostituiti, con conseguente aumento della tensione della membrana plasmatica. Se questo processo di ricalibrazione è bloccato, le cellule non possono regolare la tensione della loro membrana plasmatica e muoiono.

Uno strumento di misurazione chimica per aiutare la ricerca in biologia

Grazie alla tecnica di misurazione della tensione sviluppata da Stefan Matile e Aurélien Roux, le équipe dei professori Roux e Loewith potrebbero condurre i loro esperimenti sui lieviti e misurare le variazioni di tensione della membrana plasmatica. La tensione di membrana è un parametro molto importante da controllare in tutti i processi cellulari in cui sono coinvolte le membrane, come la motilità, endocitosi (il processo attraverso il quale la cellula si alimenta), o divisione cellulare, e soprattutto nel caso dello sviluppo del cancro. Gli scienziati si stanno ora concentrando sulla verifica se il meccanismo osservato nel lievito è lo stesso nelle cellule umane, con l'idea a lungo termine di sviluppare farmaci in grado di regolare il TORC2, o anche di prevenire lo sviluppo di alcuni tipi di cancro.