Una scoperta fisicochimica
eccezionale
ROBERTO
COLONNA
NOTE E NOTIZIE - Anno XX – 20 maggio
2023.
Testi
pubblicati sul sito www.brainmindlife.org della Società Nazionale di
Neuroscienze “Brain, Mind & Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie
o commenti relativi a fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione
“note e notizie” presenta settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati
fra quelli pubblicati o in corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui
argomento è oggetto di studio dei soci componenti lo staff dei recensori della Commissione
Scientifica della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
L’attività elettrica è il cardine della fisiologia
del sistema nervoso e, anche se 52 neurotrasmettitori grazie a decine di famiglie
di molecole recettoriali generano nel nostro cervello un quadro quanto mai
ricco e complesso di eventi, possiamo ricondurre tutti i processi di
segnalazione a effetti eccitatori o inibitori prodotti da gradienti elettrici
di membrana. I potenziali di riposo, i potenziali di campo e i gradienti
elettrici di membrana costituiscono per noi l’alfabeto di quella lingua parlata
attraverso i potenziali d’azione e il rilascio di neurotrasmettitori eccitatori
o inibitori dalle reti neuroniche dell’encefalo. A questa regola si aggiunge l’eccezione
dell’effetto efaptico, indipendente dalle sinapsi ma considerato così trascurabile
che in genere non è trattato nei corsi di neurofisiologia in Italia[1]. In ogni
caso, tutta la fisica elettrica delle cellule eccitabili nella realtà biologica
è focalizzata sulle proprietà delle membrane cellulari.
Alcune acquisizioni recenti hanno spostato l’attenzione
fisico-chimica dalle membrane biologiche, di cui sembra si sappia ormai tutto,
ai condensati biomolecolari, interessanti anche perché sembrano mediare
diversi processi cellulari.
Il processo di transizione di densità nella
formazione di condensati determina una compartimentazione selettiva delle
molecole che definisce un distinto ambiente chimico all’interno dei condensati.
Gli elementi fondamentali di questo ambiente chimico e i meccanismi mediante i
quali tale ambiente possa contribuire alle funzioni dei condensati sono oggetto
di studio da parte di numerosi gruppi di ricerca.
Yifan Dai, Christiane F. Chamberlayne,
Marco S. Messina e colleghi riportano che un gradiente di potenziale elettrico,
e dunque un campo elettrico, si stabilisce all’interfaccia liquido-liquido
tra il condensato e la massa-ambiente cellulare, quale risultato della
transizione di densità di ioni e molecole provocata dalla separazione di
fase. I ricercatori hanno rilevato e dimostrato che l’interfaccia dei
condensati può portare spontanee reazioni redox in vitro e in cellule
viventi.
(Dai
Y. et al., Interface of biomolecular condensates modulates redox reactions.
Chem – Epub ahead of print doi: 10.1016/j.chempr.2023.04.001, 2023).
La provenienza degli autori è la seguente: Department of Biomolecular Engineering, Duke
University, Durham, NC (USA); Department of Chemistry, Stanford University, Stanford,
CA (USA); Department of Chemistry, University of California at Berkeley, Berkeley,
CA (USA).
La necessità
della presenza di una membrana biologica per avere un campo elettrico, formato
dal gradiente ionico transmembrana, era un postulato implicito per tutti i ricercatori
fino a quando alla Stanford University è stata scoperta una simile
distribuzione asimmetrica di cariche elettriche tra microgocce di H2O
e aria. Prendendo le mosse da questa evidenza, dei ricercatori della Duke
University hanno scoperto che questo tipo di campi elettrici esistono anche all’interno
e intorno a un altro tipo di struttura cellulare detta condensato biologico o
condensato biomolecolare. Queste strutture si formano per un effetto
fisico: la differenza di densità. Per dare un’immagine visiva di come ciò
avvenga, si ricorre in genere all’analogia di gocciole d’olio galleggianti nell’acqua.
I condensati biomolecolari formano all’interno della cellula dei veri e propri
compartimenti senza il limite fisico di una membrana, ossia di un bilayer
fosfolipidico che contiene proteine e ha un proprio regime economico e
metabolico.
Gli studi
condotti a Stanford dimostravano che le microgocce d’acqua nella loro
interazione con l’aria o con superfici solide creavano squilibri elettrici minimi,
ma in grado di produrre effetti interessanti. Un giovane ricercatore
post-dottorato della Duke che lavora presso il laboratorio di Chilkoti e You, Yifan Dai, insieme con vari colleghi ha provato a
verificare se effetti simili si creino nei condensati biomolecolari e,
in particolare, se gli squilibri ionici di superfice promuovano risposte “redox”
delle specie reattive dell’O2.
Le
cariche elettriche, nel passare da un materiale all’altro possono produrre
frammenti molecolari, che possono appaiarsi e formare radicali idrossilici –OH e
magari appaiarsi ancora, dando luogo a H2O2. I
ricercatori si chiedevano se sulla superficie dei condensati biologici le
cariche si distribuissero in maniera asimmetrica. È opportuno sottolineare che
lo studio delle superfici in biologia si identifica con l’analisi di quanto
accade sull’interno e l’esterno delle membrane plasmatiche, dunque si trattava
di uno studio nuovo. Le cellule formano i condensati biologici sia per separare
o tenere insieme proteine e altre molecole, sia per limitarne o promuoverne l’attività;
da poco la ricerca ha cominciato a comprendere la fisiologia dei condensati e
molto deve essere ancora definito.
Il
laboratorio di Chilkoti è specializzato nel creare
versioni sintetiche dei condensati biologici, così non è stato difficile per gli
autori dello studio qui recensito allestire strutture di prova ideali per testare
i possibili comportamenti delle cariche elettriche nelle condizioni reali dei
condensati cellulari. Dopo aver trovato la formula giusta per la realizzazione
dei complessi molecolari, il team si è avvalso della collaborazione di
Marco Messina, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Christopher J.
Chang dell’Università della California a Berkeley, per aggiungere al sistema un
marcatore in grado di rivelare le specie reattive dell’ossigeno.
Le tracce
brillanti emerse dalla superficie dei condensati hanno rivelato un fenomeno mai
descritto in precedenza, dovuto all’esistenza di un gradiente elettrico sui
condensati in grado di promuovere reazioni redox. Allora, Yifan Dai ha mostrato questo risultato a Richard Zare, il professore
di chimica di Stanford il cui gruppo ha definito per primo il comportamento
elettrico delle gocce d’acqua, ottenendone l’entusiastica adesione a
collaborare per studiare il meccanismo responsabile del fenomeno.
Richard
Zare e il suo studente Christian Chamberlayne, ispirandosi
al loro precedente lavoro, hanno ipotizzato che gli stessi principi fisici
potessero applicarsi alla chimica del redox nella formazione di molecole
di perossido di idrogeno (H2O2). La scoperta dell’attività
redox dei condensati biologici spiega perché queste formazioni
molecolari sono tanto importanti per la fisiologia cellulare.
Lo stesso
Chilkoti, illustrando il contenuto dello studio a Ken Kingery per una presentazione
del lavoro da parte della Duke University ha osservato che la scoperta di Yifan Dai che i condensati biomolecolari sono
universalmente redox-attivi suggerisce che queste formazioni non svolgano
solo le mansioni note, ma siano specificamente responsabili di una funzione
critica essenziale per la cellula.
Lo stesso
Yifan Dai ha osservato che le centrali energetiche
della cellula, ossia i mitocondri, producono energia per tutte le funzioni
vitali mediante gli stessi processi chimici di base ma, prima dei mitocondri, o
anche nelle più semplici cellule primordiali, vi deve essere stato qualcosa in
grado di fornire l’energia necessaria perché i primi processi vitali potessero
aver luogo. E, in proposito, Yifan Dai ricorda che alcuni
ricercatori hanno avanzato l’ipotesi che l’energia alla vita primordiale sia
arrivata da venti termici degli oceani o da calde primavere; mentre altri hanno
suggerito che la stessa reazione redox che si verifica nelle microgocce
acquose sia originata dagli spruzzi vaporizzati prodotti dal frangersi delle
onde oceaniche. Un paragone proposto dal primo autore dello studio proprio al
fine di evidenziare, per contrasto, la maggiore plausibilità dell’origine dai
condensati biomolecolari.
Ricapitolando:
il processo di transizione di densità che porta alla formazione dei condensati
risulta in una ripartizione selettiva delle molecole che definisce un distinto
ambiente chimico all’interno dei condensati; all’interfaccia liquido-liquido
dei condensati con la massa ambiente si forma un gradiente ionico e un campo
elettrico, quale conseguenza della transizione di densità di ioni e molecole portata
dalla separazione di fase; il campo elettrico dell’interfaccia dei condensati
può guidare reazioni redox spontanee in vitro e in cellule vive.
In
conclusione, gli autori dello studio qui recensito hanno scoperto una fondamentale
proprietà fisicochimica dell’interfaccia dei condensati e il meccanismo mediante
il quale i condensati possono modulare le attività biochimiche della cellula.
L’autore della nota ringrazia la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e
invita alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del
sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
Roberto Colonna
BM&L-20 maggio 2023
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è registrata presso l’Agenzia delle Entrate di Firenze, Ufficio Firenze 1, in data
16 gennaio 2003 con codice fiscale 94098840484, come organizzazione scientifica
e culturale non-profit.
[1] Si pensi che da 12 anni l’unico
collegamento esterno di Wikipedia sull’effetto efaptico è a un nostro articolo
del 2011: Note e Notizie 22-01-11 accoppiamento efaptico dei neuroni
corticali. I campi elettrici extra-cellulari agiscono a feedback sui
potenziali transmembrana mediante l’accoppiamento efaptico, indipendente dalle
sinapsi.