Il complesso funzionamento interno delle cellule, dalla loro architettura alla loro segnalazione, alla base di gran parte della vita organica multicellulare. Come sono costruiti? Come interagiscono le loro proteine? E soprattutto, come può la comprensione di queste funzioni migliorare la nostra conoscenza degli esiti biologici come le malattie?

Gli illustri professori dell'Università del Colorado Boulder Karolin Luger e Natalie Ahn hanno studiato questioni come queste per decenni. L'anno scorso, entrambi sono stati eletti alla National Academy of Sciences, uno degli onori più prestigiosi che uno scienziato possa ricevere. Il duo sarà ufficialmente introdotto sabato, 27 aprile alla riunione annuale dell'organizzazione.

"È un grande onore perché viene dai coetanei, "disse Luger, il presidente dotato del Dipartimento di Biochimica della CU Boulder e un investigatore dell'Howard Hughes Medical Institute. "È principalmente un meraviglioso riconoscimento del lavoro collettivo di tutti gli studenti precedenti e attuali, post-doc e tecnici che hanno contribuito a questa ricerca."

Come un archeologo che mette insieme le origini di antiche strutture, Luger e i suoi studenti esaminano gli elementi costitutivi fondamentali dei processi genomici e districano il loro apparato cellulare.

Luger ha iniziato la sua carriera con un interesse per la cristallografia a raggi X, una tecnica utilizzata per discernere le strutture molecolari 3-D. Infine, la sua attenzione si spostò sulla cromatina, il materiale che contiene il DNA, RNA e proteine ​​insieme in un pacchetto compatto all'interno delle cellule eucariotiche. Fino alla fine degli anni '80, prima dell'avvento del Progetto Genoma Umano, si pensava che la cromatina non fosse importante, simile al materiale da imballaggio che serve solo a contenere oggetti di maggior valore all'interno.

"All'epoca era una mentalità binaria, ma si è rivelato molto più disordinato, con molte variazioni tra le singole celle, " ha detto Luger. "La confezione, per così dire, ha implicazioni molto importanti sul modo in cui i tipi di cellule si differenziano".

Immagina uno spazio pieno di scatole di cartone etichettate piene di libri, lei dice. Leggendo le etichette sulle scatole, gli umani possono discernere di quali scatole avranno bisogno presto e quali possono riporre in sicurezza. La cromatina funziona in modo simile:una cellula uovo fecondata ha bisogno di tutto, tutte le informazioni genomiche che può ottenere, mentre una cellula più matura, come una cellula epatica, può leggere la confezione e sapere cosa può tranquillamente ignorare.

I primi progressi della microscopia elettronica hanno rivelato l'elegante struttura della cromatina, che appare come "perline su un filo, " punteggiato di nucleosomi. Luger ha continuato a determinare la struttura dei nucleosomi a risoluzione quasi atomica, rivelando la struttura del DNA in tutti gli organismi multicellulari

Più recentemente, Luger ha esaminato come e perché molti organismi multicellulari:umani, lievito, alberi:tutti piegano il loro DNA usando gli stessi meccanismi molecolari. Nel 2017, il suo laboratorio e i suoi collaboratori hanno identificato i microbi Archaea (che precedono gli organismi multicellulari di 3 miliardi di anni) come i probabili "inventori" del ripiegamento del genoma e della struttura dei nucleosomi che osserviamo ancora oggi.

"Sono sempre interessato a come sono nate queste strutture, " ha detto della scoperta evolutiva. "C'è un sacco di lavoro per piegare il DNA, e Archaea aveva sviluppato un sistema ingegnoso per farlo, che è stato poi appropriato e ulteriormente raffinato dai primi organismi eucarioti."

Luger accredita i suoi studenti e ricercatori post-dottorato per il loro lavoro scrupoloso su questi temi di ricerca, aggiungendo che recluta deliberatamente da diversi background come la fisica, biologia cellulare e chimica al fine di coltivare il problem solving interdisciplinare.

"Gli studenti arrivano con nuove idee per tutto e mi aiutano a vedere un problema scientifico da tutte le angolazioni, " ha detto. "Devi lasciarti sfidare."

Ahn è arrivato a CU Boulder più di 25 anni fa, portando esperienza nel campo noto come trasduzione del segnale, che coinvolge processi enzimatici che consentono alle cellule di rispondere a segnali esterni. Ahn è stato il primo a descrivere l'enzima noto come proteina chinasi chinasi attivata da mitogeni (MAP2K), ora noto per essere un punto di attivazione cruciale in alcuni tipi di cancro, particolarmente melanoma. All'arrivo a CU Boulder, lei e il suo nuovo laboratorio hanno dimostrato che l'attivazione aberrante di MAP2K provoca il cancro, rendendo questo enzima un bersaglio possibile per l'intervento terapeutico.

L'ubiquità di MAP2K in tutte le cellule, sia sane che malate, ha portato allo scetticismo iniziale sul fatto che potesse essere un utile bersaglio farmacologico, Ah ha detto, ma diversi trattamenti antitumorali incentrati su MAP2K sono stati successivamente approvati dalla FDA per l'uso clinico.

"Molti pensavano che questi non sarebbero mai diventati bersagli farmacologici perché potrebbero esserci troppi effetti collaterali, " ha detto Ahn. "Ma si è scoperto che, notevolmente, i farmaci sono in realtà molto ben tollerati, ancor più della chemioterapia».

Ahn è stato anche un pioniere nel campo della proteomica, che determina la chimica delle proteine ​​"pesando" le molecole utilizzando una tecnologia chiamata spettrometria di massa. È stata una delle prime sperimentatrici ad adottare tecnologie di proteomica, e usarli per studiare la trasduzione del segnale. La proteomica è ora ampiamente applicata in tutti gli aspetti delle bioscienze.

Per Ahn, la sua elezione al NAS è stata una piacevole sorpresa, il culmine di una lunga carriera nella ricerca di base che ha prodotto strade promettenti per scoperte cliniche.

"Non posso crederci, ma sono grato e abbastanza fortunato da avere grandi scienziati come colleghi, " Ahn ha detto. "L'università mi ha dato lo spazio per essere creativo nella mia ricerca".

Il doppio riconoscimento NAS parla anche della forza cumulativa della disciplina biochimica di CU Boulder, che recentemente è diventato un dipartimento accademico autonomo nel College of Arts and Sciences.

"Abraham Lincoln ha fondato la National Academy of Sciences per dare consigli scientifici affidabili al presidente, " said Distinguished Professor Thomas Cech, CU Boulder's first Nobel laureate and the director of the BioFrontiers Institute. "Being elected to the NAS is a rare honor, and in a typical year zero or one scientist might be elected from the entire state of Colorado. So for a single department to have two of its faculty elected in the same year is therefore rare and it's worthy of celebration!"

"This is an amazing department with a strong teaching mission, " Luger said. "We always have undergraduates participating in the labs who bring a lot of excitement and energy. There is tremendous opportunity here."