I ricercatori dell’Istituto Paul Scherrer PSI e del Politecnico di Zurigo hanno scoperto come le proteine presenti nella cellula possano formare minuscole goccioline liquide che agiscono come una colla molecolare intelligente. Aggrappandosi alle estremità di filamenti chiamati microtubuli, la colla scoperta assicura il corretto posizionamento del nucleo per la divisione cellulare. I risultati, pubblicati su Nature Cell Biology, spiegano l’annoso mistero di come le strutture proteiche si accoppiano tra loro.
Nella cellula, le interazioni e accoppiamenti tra le strutture subcellulari in movimento sono alla base di molti processi biologici. Tuttavia, il modo in cui la natura realizza questo accoppiamento ha lasciato a lungo perplessi gli scienziati. Ora i ricercatori, studiando un accoppiamento cruciale per la divisione delle cellule di lievito, hanno rivelato che per farlo le proteine collaborano in modo da condensarsi in una goccia liquida. Lo studio è frutto della collaborazione tra i gruppi di Michel Steinmetz dell’Istituto Paul Scherrer PSI e Yves Barral del Politecnico di Zurigo
Formando una goccia liquida, le proteine raggiungono le proprietà materiali perfette per garantire la funzione biologica. Questa scoperta è solo l’inizio di una nuova comprensione del ruolo che i liquidi intelligenti svolgono nella cellula, ritiene Barral, il cui gruppo di ricerca sta studiando il processo di divisione cellulare nel lievito. “Stiamo scoprendo che i liquidi composti da biomolecole possono essere estremamente sofisticati e mostrare una varietà di proprietà molto più ampia di quella a cui siamo abituati dal punto di vista macroscopico. A questo proposito, credo che scopriremo che questi liquidi hanno proprietà impressionanti che sono state selezionate dall’evoluzione nel corso di 100 milioni di anni”.
I microtubuli: le corde di traino della cellula
Lo studio si concentra su un accoppiamento che si verifica alle estremità dei microtubuli, filamenti che attraversano il citoplasma della cellula e che somigliano a dei tentacoli. Questi tubi cavi, formati da tubulina, fungono da traino, trasportando vari carichi attraverso la cellula.
I microtubuli ricevono uno dei carichi più importanti durante la divisione cellulare. Nel lievito, hanno l’importante compito di trascinare il nucleo, contenente i cromosomi in divisione, tra la cellula madre e la cellula figlia in fase di gemmazione. Per fare questo, il microtubulo deve collegarsi, tramite una proteina motore, a un cavo di actina ancorato nella membrana cellulare della cellula figlia emergente. La proteina motrice cammina quindi lungo il cavo di actina, trascinando il microtubulo nella cellula figlia finché il suo prezioso carico di materiale genetico non raggiunge la destinazione prevista tra le due cellule.
L’accoppiamento, essenziale per il processo di divisione cellulare, deve resistere alla tensione che la proteina motrice esercita, consentendo al nucleo di essere manovrato con delicatezza. Michel Steinmetz, il cui gruppo di ricerca al PSI è esperto nella biologia strutturale dei microtubuli, spiega: “Tra il microtubulo e la proteina motrice deve esserci una colla. Senza di essa, se il microtubulo si stacca, ci si ritrova con una cellula figlia priva di materiale genetico che non sopravvive”.
L’accoppiamento flessibile
Nel lievito, tre proteine, che costituiscono il nucleo della cosiddetta rete Kar9, decorano la punta del microtubulo per ottenere questo accoppiamento. Una domanda che da tempo incuriosiva gli scienziati era come le tre proteine della rete Kar9 rimanessero attaccate alla punta dei microtubuli anche quando le subunità di tubulina venivano aggiunte o rimosse: come se il gancio all’estremità di una corda da traino rimanesse al suo posto mentre le sezioni adiacenti della corda venivano inserite o tagliate. La loro scoperta fornisce una risposta: come una goccia di colla liquida si aggrappa all’estremità di una matita, così questo “liquido” proteico può aggrapparsi all’estremità del microtubulo anche quando cresce o si restringe.
I ricercatori hanno scoperto che per ottenere questa proprietà liquida, le tre proteine della rete Kar9 collaborano attraverso una rete di interazioni deboli. Poiché le proteine interagiscono in diversi punti, se un’interazione viene meno, le altre rimangono e la “colla” persiste in larga misura. Secondo i ricercatori, ciò conferisce la flessibilità necessaria affinché il microtubulo rimanga attaccato alla proteina motrice anche sotto tensione. Per fare la loro scoperta, i ricercatori hanno sondato metodicamente le interazioni tra i tre componenti proteici della rete Kar9. Sulla base delle conoscenze strutturali ottenute alla Swiss Light Source SLS in studi precedenti, hanno potuto mutare le proteine per rimuovere selettivamente i siti di interazione e osservare gli effetti in vivo e in vitro. In soluzione, le tre proteine si sono unite per formare goccioline distinte, come olio nell’acqua. Per dimostrare che ciò avveniva nelle cellule di lievito, i ricercatori hanno studiato l’effetto delle mutazioni sulla divisione cellulare e la capacità delle proteine di seguire la fine di un microtubulo che si restringe.
“È stato abbastanza semplice dimostrare che le proteine interagiscono per formare un condensato liquido in vitro. Ma è stata una sfida enorme fornire prove convincenti che questo fosse ciò che accadeva in vivo, il che ci ha richiesto diversi anni”, spiega Steinmetz, che ha postulato per la prima volta l’idea di una “colla proteica liquida” per le proteine che legano le punte dei microtubuli in una pubblicazione del 2015.
Non è la solita colla
Barral è colpito da quanto sia sofisticata la colla. “Non si tratta di una semplice colla, ma di una colla intelligente, in grado di integrare le informazioni spaziali per formarsi solo nel punto giusto”. All’interno del complesso groviglio di microtubuli identici nel citoplasma della cellula, un solo microtubulo riceve la gocciolina che gli permette di attaccarsi al cavo di actina e di tirare l’informazione genetica al suo posto. “Come la natura riesca ad assemblare una struttura complessa all’estremità di un solo microtubulo, e non di altri, è sconcertante”, sottolinea il ricercatore. I ricercatori ritengono che la proprietà liquida delle proteine svolga un ruolo importante nel raggiungimento di questa specificità. Allo stesso modo in cui le piccole gocce d’olio si fondono insieme, ipotizzano che le piccole gocce si formino inizialmente su molti microtubuli, che in qualche modo poi convergono per formare una goccia più grande su un singolo microtubulo. Come ciò avvenga esattamente rimane un mistero ed è oggetto di indagine da parte dei team di Steinmetz e Barral.
